水利工程中的无人机航空摄影测量技术运用

　　摘要：近年我国民用无人机技术发展迅速，并在工程地形测量、地质灾害监测、农村土地确权等领域得到广泛应用。将无人机航空摄影测量技术应用到水利工程中，充分发挥无人机操作方便、测量数据精确、信息实时反馈等优势，为水利工程建设、管理等工作开展提供参考。首先介绍无人机航测的技术优势，随后重点分析水利工程测量中无人机航测的操作流程与技术要点，最后就导致测量结果误差的常见因素和处理对策进行简要总结。
　　关键词：无人机；水利工程；测量技术
　　水利工程测量中，主要采用人工实地测量和卫星遥感测量两种模式，虽然也可以为工程建设与管理运行提供必要的数据参考，但是存在明显的弊端，例如人工测量的效率低、误差大，RS测量的成本较高等。我国民用无人机的研究与开发虽然起步较晚但发展迅速，2018年我国民用无人机市场规模达到150亿元，仅次于美国。在无人机应用中，航空摄像测量是一个重要领域，但是由于水利工程规模大小、所在位置、测量精度等具体内容不同，对无人机航测的操作技术也提出了较高要求，探究无人机航测技术的操作流程和应用要点，具有重要的现实意义。
　　1.无人机航空摄影测量的技术优势
　　一是操作灵活，测量方便。无人机体积小、重量轻，可以搭载微型高清摄像机，人为操控对特定的目标区域进行测量，操作十分灵活方便。在飞行模式上，可以垂直升降，不需要专门场地，或是弹射架等辅助设备。根据无人机实时反馈的航测影像，如果技术人员对航测结果不满意，还可以操作无人机对局部区域进行多角度反复航测，直到获取满意影像资料或数据信息为止。另外，由于无人机小巧轻便，能耗较低，续航能力较强，目前一些主流无人机，续航能力通常在30min以上。二是环境适应能力强。很多水利工程位于山区等环境复杂地带，或是地形比较复杂、危险，人工测量可能会面临较多安全隐患。而无人机航测则具有较强的适应能力，根据地面站系统提前规划好飞行线路，以躲避高大树木或建筑物，安全完成航测任务。三是数据精确，反馈速度快。在水利工程测量中，对数据结果和影像资料的精确度有较高要求，无人机搭载的高清数码相机，可以获取1:2500 1：1000之间的大比例、高精度影像资料，完全能够满足一般水利工程的建设、管理需要。另外，短距离无人机航测，还可以在摄影测量的同时，及时将测量数据、影像资料，通过无线通讯模块反馈给地面站，地面站接收信号后，利用计算机进行处理，几乎是同步导出结果，为技术人员了解水利工程所在地区的地质信息提供了参考。
　　2.无人机航空摄像测量技术在水
　　利工程测量中的应用一是布置外业像控点。确定水利工程所在位置和测量区域后，进行航线规划。确定若干处需要重点测量的外业像控点，作为本次航测的重点对象。将这些像控点按照一定顺序连接起来，形成无人机的航线。尽量减少重复路线，可以节约航测时间，保证无人机在续航时间内完成航测任务。同时，还要注意做好飞行高度、转弯半径、拍摄角度等具体要素的设计，以保证无人机能够获取更加清晰的影像资料。二是航空摄影。在完成航测前的设计与准备工作后，选择晴朗、无风的天气进行航空摄影测量，可以减小测量误差。航测时，为了尽可能全面地获取水利工程地形地质信息，可以将航向重叠度调整为50%，后期数据处理时，再将重叠部分删除，可以保证最终测量结果的完整性。无人机飞行测量过程中，以系统预设参数为基准，按照既定航线完成测量，同时也可以根据需要，人为调节飞行参数。例如某无人机搭载了索尼A7RII型号的定焦单反相机，结合该相机参数，若想保证成图精度达到1：1200，要求无人机行高控制在300 350m之间。如果工作人员若要获得局部位置更加精确的影像资料，就需要人为调整无人机飞行高度。三是立体测图。将航测所得数据及影像资料统一收集，并将这些数据导入VirtuoZo平台，像对定向元素直接由加密成果导入测图工作站，数据采集以成图模型为单位进行，每一幅图存放一个文件，文件名与图幅编号一致，扩展名为xyz，然后经转换程序直接转成dwg数据。四是外业高层采集。水工建筑物调查测量：对测区内淤地坝、溢流坝坝顶高程、淤积面高程即临水坡脚高程进行调查测量，对抽水泵站管径及位置进行调查测量。地形图调绘：依据拼接影像，结合测量范围进行实地调绘，主要调绘测区内村庄名称、房屋属性、通讯线、电力线、道路材质、交通桥等地物。调绘过程中，根据需要采用GPS-RTK方法实测部分管线设施。五是内业数据处理。影像纠偏：镜头正中间畸变最小，越到边缘畸变越大，结合相机检校报告，采用专业软件，对所采集像片进行纠偏和格式转换。空三加密：各类空三加密软件使用步骤大同小异，基本是按照＂新建工程-导入数据-生成航带-处理影像-提取同名点-刺点测量-平差解算-精度评估-建立模型＂这几个步骤进行。数据生产：使用专业软件生成DEM、DOM等数据，借助立体眼镜、手轮脚盘，使用航天远景、适普、JX4等线画图采集软件，由专业采集人员完成线画图采集工作。六是精度评估。经过处理后的数据，还需根据水利工程测量要求，检验其精度是否达到要求。评估形式分为两种，其一是模型精度评估，将所得内业数据，带入带空三模型，对比实际测得检查点的三维坐标，与空三模型中检查点的三维坐标是否相符。如果存在差异，误差是否在允许范围内。一般而言，模型精度误差在0.5m以内，都属正常范围，但是如果误差过大，则不得使用。其二是成果精度评估，以1:1200成图精度为基准线，采用人工抽检方式，将达不到该精度的数据筛选出来。
　　3.无人机航空摄像测量精度影响因素及处理
　　一是传感器误差及处理。为保证无人机航测数据及影像资料的实时传输，通常需要在无人机上搭载无线传输模块。但是考虑到无人机载重小，以及为了延长续航时间，只能安装简易的传感模块，通信传输效果相比于常规设备会有一定的削弱。在数据传输过程中，容易产生一定的误差，影像资料发生畸变的情况时有发生。针对此类问题，一种措施是选择最新的通讯装置，虽然成本较高，但可以兼顾小体积和高精度；另一种措施是增加无人机内置存储模块容量，将采集到的影像资料暂存于存储设备，待无人机航测任务结束后，将影像资料直接导出。这样不经过传感器的压缩处理，也可以保证影像资料的精度。二是无人机平台因素及处理。无人机在航测过程中，因为受到风力作用，拍摄时发生较为严重的抖动，因为飞行偏离既定航线，或是拍摄角度不理想，而导致最终获得影像资料模糊不清，分辨率达不到使用要求。针对这种情况，措施之一是选择无风、晴朗天气开展航测工作，避免外界因素对无人机航测作业产生影响。措施之二是采用智能导航与人工操控相结合的模式，辅助无人机飞行，以便获取更加准确的影像资料。措施之三是安装机载POS和GPS定位，辅助空三测量，也能够达到提高数据精度的目的。
　　4.无人机航空摄影测量技术的发展趋势
　　随着无人机技术的日益成熟，在航空摄影测量方面将会发挥更加显著的应用优势。另外，无论是水利工程测量，还是地籍测绘、灾后救援等活动，对无人机航测结果的精度、信息反馈的时效，都提出了更高要求，这也迫使无人机航测技术不断创新和提高。未来主流发展趋势主要有两个方面：其一是智能化程度进一步提升，例如现阶段航测中仍存在较多无效数据，或是影像资料重叠度高、模糊影像多。随着无人机智能化程度进一步提升，可以自动进行曝光补偿、调整拍摄角度等，获取更加清晰的影像资料。其二是无人机及其搭载设备（通讯模块、摄影设备等）的微型化，以实现更长的航行时间，完成更多的航测任务，适用于更大规模的水利工程。
　　5.结语
　　在水利工程建设、管理中，地形地质测量十分重要，通过及时提供精准的测量信息，可以为各项工作开展提供参考与支持。随着无人机技术的成熟，无人机航空摄影测量在这一领域将得到广泛应用。水利技术人员要熟练掌握无人机航测的操作要点和应用流程，采取措施减小测量误差，提高测量数据的参考价值，支持水利建设、管理工作。
　　作者：卡米力江·阿布力米提单位：新疆维吾尔自治区塔里木河流域喀什管理局