无人机航测在大型水利工程中的应用

吴波涛,冯 琦

(云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021)

无人机航测在大型水利工程中的应用

吴波涛,冯 琦

(云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021)

为提高云南高山地区航测像控点布设及施测效率，快速高效完成航测任务，结合大型水利工程项目的实施，采用无人机航摄技术对测区1∶2 000库区、隧洞线、引水线路等复杂线路进行航测，提出在大型水利工程实施过程中，通过综合利用、协调配合常规测量与无人机航测成果的方法，使整个项目推进进度达到同等条件下的效率最大化。同时，对实施过程中出现的一些技术问题进行分析、研究。结果表明，该方法能使项目实施效率整体提高。

高山水利；无人机航摄；像控；复杂线路；快速高效；技术分析

1 研究背景

受人口增长、经济社会发展方式粗放以及气候变化等因素的影响，云南省大部分地区面临工程性缺水、资源性缺水和水质性缺水等问题，抗旱、防洪减灾形势更加严峻，开发利用与保护的关系更加复杂，水利的发展进入了一个十分关键的时期[1]。严峻的形势和艰巨的任务对水利高新科技的应用及研发提出了更高的要求。江河湖泊整治与水利工程建设需要从更宏观层面去整体把握和科学实施，也需要对具体局部环节开展技术创新。

国家大型水利工程，大型水库建设范围广、地形复杂、多种建筑物交织。由于其特殊性，常规大型航测很少应用于水库航测，一直以来基本成为航测领域的一项空白。而传统人工测量模式存在作业周期长、人力投入大、成本高等问题，甚至会出现困难地区无法施测，无法满足高难度、快节奏测量生产的需要。与有人驾驶飞机测量相比，以无人机为代表的低空遥感系统可在小区域范围内低成本、快速获取高分辨率遥感影像，产品精度满足大比例尺航空摄影测量精度要求，在使用成本、耗费资源、作业环境要求等方面，都更有优势。无人机作为一项空间数据获取的重要手段，凭借其自身机动灵活、高效快速、困难地区探测的航片获取技术，以及精准的后处理技术，大大降低了作业成本和生产周期[2-3]。

面对云南高山水利建设面临的各种新的挑战，必须提高数据快速获取、分析和共享能力，而低空无人机数据获取、应用和共享技术的研发，将在很大程度上促进和满足此要求，为新时期云南水利建设提供强有力的技术手段[4-5]。

本文以曲靖市车马碧水库项目为例，介绍了利用低空无人机对测区内灌区、库区、隧洞线及引水线路进行航测的具体过程，并对其精度进行探讨。航摄过程和结果按相关规范[6]执行。

2 飞行平台设计

2.1 无人机飞行平台

本次无人机飞行采用由中测新图公司研制的ZC-1型固定翼无人机。中测系列无人机航摄系统可开展低空数字航空摄影，获取0.05～0.20 m分辨率航空影像，可用于生产1∶500～1∶2 000比例尺标准地形图产品，包括航空正射影像图、数字高程模型和数字线划图等。平台主要参数见表1。

表1 ZC-1无人机平台系统参数Table 1 Parameters of ZC-1 UAV system

2.2 摄影相机

本项目无人机飞行平台搭载的相机型号为NikonD800，其焦距为35 mm，拍照方式为定点、定焦。

2.3 地面控制系统

地面控制系统采用YS09自驾仪配套的地面监控软件，该系统支持航线编辑、航线上传、POS数据下载等功能，在飞行过程中能执行实时监控，监控半径达30 km。

3 无人机在大型水利工程中的综合应用

3.1 测区控制点及相控点布设

由于本项目为国家大型水利工程，在用低空无人机对1∶2 000地形图进行生产同时，还包含了坝址、隧洞等无人机无法满足的1∶500地形图测量，以及放样、断面等常规工作。考虑到工程实施各种工作的复杂性和交织性。决定采用布设控制网时，同时考虑像控点布设条件，使控制点点位尽量满足常规控制测量的需求，又满足像控点布设条件。同时，在施测控制网时，用白灰对控制点进行补充，以控制点为中心，可布设为L型或+型，使其成为航测像控点。这样，达到一次布设、一次施测，满足常规测量应用、满足像控点应用等多次、多项应用；另外，用测区高级控制点成果做像控点，避免了像控点采用常规导线测量、RTK测量等方法带来的各种测量误差，极大提高了像控点施测精度，也极大提高了工程效率。

技术分析：以往各工作单位操作方法，一般为常规测量和航摄分开进行，常规作业组(单位)布设首级控制，到航摄组(单位)再在首级控制基础上布设像控。从本项目应用情况看，采用统一布设与分开布设方法比较，能节约3/4的时间，也大量节约了成本，本方法特别适合复杂的大型工程项目。

3.2 航线设计与实施

3.2.1 航线设计

由于本次航飞区域跨度大、引水线路弯曲复杂，测区属于云南特有的喀斯特地貌，多高山地。测区高差大，最低点高程约1 200 m，最高点高程约2 200 m。为了使航飞能完整覆盖测区，避免航飞漏洞，测区采用分区设计。每个航摄区域应综合考虑以下因素：航飞安全、无航摄漏洞、地面分辨率、航向重叠度、旁向重叠度、分区高差、分区地物、飞行航程、飞行高度等因素的前提下，将整个测区分为以下6个航摄区域。

表2 航摄区域参数Table 2 Parameters of aerial photogrammetry regions

测区多为山地，河流较多，航线设计应考虑光照方向对峡谷河流两面山坡阴影的影像，航线方向应考虑风向、河流方向等因素。

3.2.2 航摄实施及技术难点分析

本项目工程跨度大，从马龙县到曲靖市，线路长且复杂，加上测区多山地，寻找适合的起飞场地十分困难；而测区的高山，对地面站无线监控设备距离产生了很大影响。导致了在整个项目航飞过程中，会有部分盲飞情况出现。为了减轻盲飞带来的风险，在航摄实施前，从航线设计到外业无人机航飞实施，每一个步骤均经过反复细心检查，方能实施。

由于本次飞行季节为春节，测区春节天气好，基本为无云天气，光照从早11:00点至下午17:00为最佳拍摄时间。但测区春季风大，给航摄起飞降落带来了困难，同时飞机在执行航拍任务时，由于风力的影像，给飞机稳定飞行带来了困难，从第一架次飞行结果看，测区风力给航拍质量造成了一定干扰：①飞机拐弯半径增大，造成每航线头1—2张照片是在飞机还未进入航线时就开始拍照；②飞机在沿航线飞行过程中，飞机姿态角有一个偏离值，右偏5°左右。

由于在每架次航线设计时，飞行参数设计都是在优于规范条件下进行设计的，所以风力造成的第①个因素对航摄成果基本无影响。针对第②项因素，地面站和无人机机组人员经过多次分析、试验，最终确定其因素为无人机在生产、组装时的误差，以及螺旋桨的反扭力，使机身产生了一个系统化误差，这个微小的误差在无风或风力小时，体现不出其对航拍成果的影像。但如果在风大的天气条件下，其对航摄质量的影响会成倍增加。针对此情况，无人机机组人员经过多方面研究测试，最终在不改变其他任何参数下仅对垂直尾翼舵面连杆进行反方向细微调节即可解决，且效果明显。

4 空中三角测量及DLG数字产品生产

空中三角测量是数据处理的核心，主要作业方法为根据 POS 数据自动建立航带内和航带间的拓扑关系网进行全自动连接点提取，通过大量平差点和快速平差算法完全剔除粗差点，利用控制点作空中三角测量计算，获取精确的外方位元素，生成加密点坐标。

本项目基于质量和最大效率基础上，通过统一考虑和协调工作，利用分布于测区各地方且精度最好的常规测量成果，对航摄测量高程数据进行拟合修正，使该项目无人机航测高程精度在山地地形达到同等条件下最优效果。最后利用测区大量常规测量成果，分别对本项目最终航摄数字成果DLG和未加高程数据进行拟合修正前进行检查，检查结果如表3所示。

表3 DLG数字成果高程中误差Table 3 Elevation errors of DLG mm

从检查结果可以看出，对于航摄数字成果高程精度，在未加入任何高程数据进行拟合修正前，DLG数字成果高程中误差比较大，特别在地形变化起伏大的地方表现最为明显。但加入外业常规测量高程点对航摄高程进行拟合修正后，随着加入点数增加，精度不断提高。

从过程分析来看，加入点数越多精度越高；加入位置在地形变化大处越多精度越高。另外，从整个项目综合出发，把测区常规测量成果应用于航摄数字产品生产及检查，极大减少了航摄数字产品生产及后期检查过程中所需数据的采集、加工、生产，极大节约了成本，提高了工作效率。

5 结 语

无人机航测发展至今，其理论与相关技术发展已经相对较为成熟，但其在大型水利工程项目，尤其是云南高山大型水库中还远未得到广泛应用。其特有的“灵活、快速、高效”等特点，对水利工程前期勘测、水库险情勘察等应用前景极为广泛，但由于其数据生产过程中影响精度的因素较多，使其在大比例数字测图中精度始终不够理想，还待从技术上和实施过程中加以改进。

本文以曲靖市车马碧大型水库项目为实例，提出了无人机航测在大型水库复杂项目工程中如何与常规测量成果互相配合应用，高效快速完成整个项目的方法。并对无人机在高山水库测量中出现的部分技术问题进行分析。通过项目应用，证明了该方法的实用性及有效性。

然而，无人机在云南高山峡谷水利工程中的应用有待解决的问题还很多：高差带来投影差的影响、高山地区风力多变对无人航摄的影响、高山峡谷地区植被的影响、高山峡谷地区光照影响等等。所有问题都有待我们在长期项目实施及应用中，不断总结与积累、不断创新与尝试，才能一步步去发现问题，解决问题。

[1] 瞿霜菊,黄 辉,曹正浩.云南省滇中引水工程规划研究[J]. 人民长江, 2013, 44(10):80-83.

[2] 吕立蕾, 张卫兵, 胡树林,等. 低空无人机航摄系统在长距离输油(气)管道1∶2 000带状地形图测绘中的应用研究[J]. 测绘通报, 2013，(4):42-45.

[3] 刘玉洁, 崔铁军, 郭继发,等. 无人机航摄大比例尺测图的关键技术分析[J]. 天津师范大学学报:自然科学版, 2014, 34(2):37-40.

[4] 聂 喆, 高广利, 郜海滨. 无人机系统在水利上的应用[J]. 东北水利水电, 2013, 31(12):62-63.

[5] 李 雷，张海涛，李 兵．无人机影像在大面积1:2000地形图测绘中的应用研究 [B]．测绘通报，2012，(增): 457-461．

[6] CH/Z 3004—2010，低空数字航空摄影测量外业规范[S]．北京: 中国标准出版社，2010.

(编辑：王 慰)

Application of Unmanned Aerial Vehicle toa Large Water Conservancy Project

WU Bo-tao, FENG Qi

(Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigation, Design and Research，Kunming 650021, China)

In the aim of improving the efficiency of a large-scale hydropower construction in the mountain area of Yunnan Province, unmanned aerial vehicle (UAV) was adopted in the aerial photogrammetry survey of reservoir area, tunnel, and diversion route. By integrating and coordinating conventional survey and UAV photogrammetry, the progress of the entire project efficiency under the same condition is maximized. Moreover, some technical problems during the implementation are analyzed. Results indicate that UAV photogrammetry could enhance the efficiency of the entire project.

water conservancy in mountainous area; UAV photogrammetry; image control; complex routes; rapid and efficient; technical analysis

2016-08-12

吴波涛(1970-)，男，云南呈贡人，高级工程师，主要从事水利水电工程测量工作，(电话) 0871-65190523(电子信箱)wbt5190523@126.com。

10.11988/ckyyb.20160824

2017,34(3):148-150

TV221.1

A

1001-5485(2017)03-0148-03