无人机低空摄影测量技术在水利工程测量中的应用探究

无人机低空摄影测量技术在水利工程测量中的应用探究
周琮辉
杭州市水务集团有限公司 浙江 杭州 310009
摘 要 无人机低空摄影测量技术主要是指无人机设备在航高低于1000m的作业条件下进行航空摄影及测量活动，
可被应用到文物保护与考古、三维城市建模、地形图更新、灾害应急测绘等多个领域中，在水利工程领域也有良好
的使用效果。

本文首先分析了无人机低空摄影测量技术的构成与特点，然后分析了将其运用到水利工程测量项目中
的关键要点，以期为水利工程测量提供参考思路。

关键词 无人机低空摄影测量技术；水利工程测量；测绘
Application of UA V Low-Altitude Photogrammetry Technology in Hydraulic Engineering Survey
Zhou Cong-hui
Hangzhou Water Group Co., Ltd., Hangzhou 310009, Zhejiang Province, China
Abstract UA V low-altitude photogrammetry technology mainly refers to aerial photography and surveying activities carried
out by UA V equipment under operating conditions at an altitude of less than 1000 m. It can be applied to cultural relics
protection and archaeology, three-dimensional urban modeling, topographic map updating, disaster emergency surveying and
mapping, and other fields, and also has good application effects in the field of hydraulic engineering. This paper first analyzes
the composition and characteristics of UA V low-altitude photogrammetry technology, and then analyzes the key points of its
application to hydraulic engineering survey projects, so as to provide reference ideas for hydraulic engineering survey.
Key words UA V low-altitude photogrammetry technology; hydraulic engineering survey; surveying and mapping
引言
以往摄影测量工作前期需要布设大量的像控点，才能实现对六个基本外方位元素的解算。

而通过无人机来进行测图，全球导航卫星系统能够依靠差分技术来获取摄影中心于曝光时刻中的空间位置信息，以此缩减外业像控点的布置数量。

航空摄影技术不断发展进步，无人机的多项参数得到优化提升，包括定位精度、载重量、飞机软件以及续航时间等参数，其测图效率持续提升，已经逐步实现了对人工测绘模式的全面替代，被广泛地运用到大面积测图工作中。

现探讨无人机低空摄影测量技术在水利工程中的应用情况。

1 无人机低空摄影测量概述
1.1 无人机分类
一是固定翼无人机。

该种无人机主要通过处于延伸状态的机翼来获取升力，其机翼相对固定。

其优势在于航程更远，航行速度更快。

但是存在起降场地有限，需要手降或者准备跑道的劣势，弹射起降仅可以通过伞降或者滑降来实现，灵活性与安全性都相对较差。

二是多旋翼无人机。

该种无人机则是通过处于各个机臂处的螺旋桨旋转翼来获取升力，其具有较为简单的动力结构以及多元化的飞行方式。

同时，该种无人机的操作方式更加简单，对于起降场地并无过多的要求，可实现垂直起降[1]。

但是作业效率较低，可控制范围较为狭窄，续航时间偏短，飞行速度也较慢。

垂直起降固定翼无人机则兼顾固定翼无人机所具有的远程高速优势及旋翼无人机的起降便捷性、安全性等多种优势。

1.2 系统组成
无人机低空摄影以及测量系统由地面保障设备、回收与发射系统、数据传输系统、数码摄像设备、地面监控系统、飞行控制与导航系统以及飞行平台共同构成。

1.3 主要特点
1.3.1 安全性、机动灵活性较强。

无人机本身受到的来自气候条件以及空中管制等方面的影响相对偏小，在较为恶劣的条件下也能够以极快的速度拍摄影像。

该种航空拍摄方式的安
全性也非常强，若设备发生故障，也不会有人员因此而伤亡。

1.3.2 可采集到分辨率较高的影像。

普通的航空摄影与卫星光学遥感测量可能会因云层遮挡而难以实现对目标影像的有效获取。

无人机能够在云层之下保持低空飞行状态，与其他的测量技术提供的影像相比，无人机拍摄到的影像具有更高的分辨率[2]。

还能够在低空飞行的作业条件下，通过多角度摄影技术来成功拍摄到高分辨率、多面纹理影像，以此减轻了高层建筑在拍摄期间的影响，实现了对遮挡问题的有效解决。

1.3.3 测图精度较高。

无人机进行低空飞行时，其飞行高度一般在50m到1000m之间，可支持航空近景摄影测量工作，能够达到亚米级别的摄影测量精度，精度范围在0.1m到0.5m之间，可满足1∶1000的高精度测图需求。

1.3.4 操作便捷性强，成本较低。

若地形测量任务的开展面积不大，在10km2到100km2之间，同时比例尺较大，在空域管理与天气的限制下，采用飞机航空摄影需要耗费较高的测量成本。

如果选择全野外式的数据采集方法来实现成图，整体作业量相对偏大，作业成本也非常高。

而从实用化、工程化的方向来开发无人机遥感系统使其能够更多地被运用到工程测量等活动中。

无人机低空摄影不仅经济性、机动性强，即使处于轻雾天或者阴天，也可以拍摄到质量较高的影像。

同时，外业环节的劳动强度降低，作业精度与效率都有了较大的提升。

2 无人机低空摄影测量在水利工程测量中的应用要点
2.1 项目概况
测区拟建水库，地形属于山地，山地沟壑纵横交错，极为范围，高程在900~1200m，比高达到300m。

测区纵向范围如下：所在区域水库坝址轴线上游约4.0km，高程在1100m左右，下游约为2.7km处。

测区横向范围：塬面至坝肩以外10m，高程同样约为1100m。

拟建水库区域范围内存在三条支沟，长期处于流水状态，水深在0.1~0.5m，两条支沟相互交汇部位下游2.0km与0.3km处分别有混凝土水坝与土坝，可满足蓄水、截水与拦水的需求，水深度在1~6m。

各处支流可安全徒步进入，测区因山高沟深并且沟底曲折蜿蜒，尽管大部分植被属于矮小灌木，然而整体通视条件属于一般层级。

2.2 控制测量
针对测区情况，选用先实施像控，再进行航测的工作方案。

采用四等平面高程控制体系，针对2个不同的Ⅱ等高程点与3个不同的C级平面控制点展开联测。

按照水电水利工程测量的标准规范来实施测量工作，全网中的异步环数量为60个，同步环共计40个，水准线路长度设置成26.9km，闭合差实测数值是-70.0mm，闭合差误差允许范围是±103.7mm，在测取范围内选取以均匀化的方式进行分布的四等控制点，选取数量为5个，对其展开参数求解，断面测量、检查点测量以及像控点测量均通过此参数来实现。

2.3 航空摄影
在该低空航空摄影测量项目中，选择电动式垂直起降型无人机来完成测量任务，搭载相机为定焦单反相机，像元参数为4.52μm，像幅参数为5304×7952pixel，地面分辨率达到0.06m，成图精度为1∶1000，相对航高为450m。

在准备阶段，首先需要对当日的气象条件进行判断，预先掌握空气能见度、光照以及云层厚度等信息。

其次，抵达起飞位置。

若能够确定云层分布以及天气情况等天气条件满足航拍需求，则需抵达起飞点，同样需要预先展开考察工作，现场不应存在高层建筑、电线，地面应较为平台[3]。

还需预先明确航拍顺序与架次。

最后，对风速进行实测，再次确认实际风速是否低于测绘无人机的具体可抗风速，温度也应适宜。

对于航拍当日的起降坐标、天气以及风速等信息，以此来用于后续分析总结与数据参考。

在设计航线时，依靠地面控制软件，将旁向重叠度设置为60%，将航向重叠度设置为80%，基于保障航时安全的需求，进行2个架次的航摄，航带数量为21条。

必须确认测区内可实施飞行作业，是否属于军事基地或者机场禁飞区，是否存在飞行限制。

对基准面海拔进行确认时，需要结合测区地势情况来进行判断，如果地势较为平坦，可直接对被作业面海拔进行输入；如果地形起伏较大，则需以实际情况为基准，来确定平均海拔。

对航线外扩部分的构筑物高度进行确认，预防发生撞山的情况。

检测航线角度时，可顺着逆风飞行。

在布控像控点时，可选取区域网点法，像控点布设数量为23个。

像控点的数量与精度会给后续航摄测量数据处理结果的精度，因此应以准确、严格、规范的方式来选择与布设像控点。

当所用无人机的翼型存在差异时，布控像控点的方法也各不相同。

在1∶1000比例尺的航测条件下，每0.3km²可进行5个像控点的布设。

航向之间间隔4条基线，选取控制点时，需优先选择具有开阔视野并且能够实现互相通视的点位，避免布设到房角与树下等容易遭到遮挡的地方，同时还需查看土地土质是否较为坚实。

所选取的控制点应不易被损毁。

区域范围内各处控制点应能够实现均匀分布。

区域边缘不可出现缺点。

在进行人工打点时，人工的像控点也应注重其持久性，喷漆宽度应在
30cm以上，并且做到棱角分明。

像控点标志物尺寸必须在70cm 以上，应注重规避方向性错误的情况，需对标志物的具体部位进行有效显示。

像控点和其所在区域周边颜色必须形成较为鲜明的对比效果，若周边环境为深色，像控点标志则应采用浅色。

若将地物当作特征点，应优先选取尺寸相对偏大的地物，同时通过拍摄2到4张现场的照片来对像控点所在位置进行说明，照片中需要包含周边景物以及近景照片。

在控制点的选择环节中，应选取水平、平坦的地方，不可将高差明显的斜坡纳入到选取范围内。

若将做点位置选择在建筑楼顶角等存在高差的位置，则可能会受到建筑阴影角度的影响，因此不可对楼角楼下坐标进行测量，并将其视作像控点坐标。

必须和内业人员针对测点位置进行核对，不可测量中心位置[4]。

检查航飞数据时，下载影像数据以及POS，快速拼接测区影像数据后，确认绝对航高范围在1591~1603m，地形高度范围为1019~1272m，摄影面积为34.87km2。

按照低空数字摄影外业规范以及测量经验，展开质量评估，确认飞行质量是否满足相关要求。

在飞行监测环节中，应重点监测飞行轨迹、航速以及航高，同时还需针对发动机的地速、空速以及转速实施监控，随时对拍摄数量与成果进行检查。

在进行像控点测量时，平面位置与图上对应位置之间的误差应在±0.1mm以内，高程误差则必须低于基本等高距的1/10。

2.4 外业调查测绘
其一，应针对测量范围内的水工建筑物实施测量与调查。

具体测量调查对象包括测区之中的淤泥面高程、溢流水坝坝顶高程、淤地坝高程以及临水坡脚高程等，同时还应面向抽水泵站所在位置以及管径进行测量与调查。

其二，应测绘地形图。

借助已经完成拼接处理的影像，再围绕预先获取的实地测绘结果，其内容包括测区之中的各类地物，如交通桥、道路材质、电力线、通讯线、房屋属性、村庄等。

测绘期间需要通过GPS-RTK技术来完成对其中部分管线设施的实测。

2.5 整理内业数据
其一，需要进行影像纠偏。

镜头正中间处发生的畸变程度最低，越靠近边缘部位，畸变程度也随之增大。

应围绕相机校验报告中的信息，依靠专业化的软件，针对全部采集获取的像片展开有效纠偏。

并完成格式转换。

其二，应完成空三加密。

针对在测区之内拍摄到的全部影像进行转移，向计算机中输入，而后结合外业控制成果来完成空三加密，即空中三角测量。

具体是利用现存外业控制点，以满足内业测图需求为主要目标，面向高程控制点与室内增测平面展开处理工作，从而给测图与纠正工作提供其所需的注记点或者定向点。

应依靠DWG格式的带有范围线与展点号的结合图、XLS格式的像控点成果、JPG格式的点之记说明与同为JPG 格式的像控片等资料，通过数字低空摄影测量工作站以及Inpho 软件来完成加密操作。

考虑到该项目测量工期较为紧迫，因此选择了分区加密的模式，各个区域可通过独立成图的工作方式来最大程度提升作业效率。

加密流程包括基础控制测量，分析航线之间发生的偏移，自动选取连接点，人工编辑与干预，量测控制点、解算平差，评估精度以及构建模型[5]。

空三加密点主要通过计算机进行自动化匹配，内业加密点应尽可能地在像片范围内实现全面布满，每张像片上的重叠6°的航带连接点应在3个以上。

依照3×3标准位置来完成选点，各个区域范围内的标准点数量应在3个以上，同时需要控制航带连接差与模型连接差，使其被缩减至最低程度，检查图形构网强度，若发现少点位置，需及时布点。

考虑到航片航摄的平均比例尺，需针对加密中运用的各处人工点实施复核，从而提升其切准精度。

借助Indho自带的平差软件可完成解算工作，在提升精度水平时，可进行人工编辑、迭代计算以及剔除粗差的方式来实现。

针对空三加密成果进行质量检查与控制时，需要落实处理平差、转刺外业控制点、连接航带、匹配像点、设置相机文件、设置信息文件以及改正航片畸变来实现。

其三，采集内业数据。

完成加密之后，可直接在网络中将立体模型调出，再采集全要素，再输出数字化原图。

立体测图可选择的方法主要有以下两种，其一为按照模型全要素进行采集，依靠采集原图在外业进行补调、补测与对照。

其二为在野外条件下调绘像片，再进行测图。

进行数据采集工作时需做到认真判读，切准测标，避免出现地物测变形的情况，否则可能会提高外业工作难度，并降低最终的测量数据结果的精度。

检查员需要针对切准机精度、综合取舍与遗漏情况进行重点关注，并对检查记录进行完成填写。

如果先进行调绘再实施测图，作业人员在数据采集中，必须全面掌握调绘片上的全部内容，参照立体模型进行采集与辨认，外业与内业分别负责定性与定位的工作[6]。

若确认外业有误，则需要由外业人员与检查员共同进行确认，而后由内业人员按照模型影像完成改正，同时在调绘片材料背面进行说明，记录日期。

针对地物地貌实施测绘时，必须做到不移位、不变
形与无错漏。

如果采用先采集再实施调绘的工作方式。

则需要依照模型完成全要素采集任务，再结合采集原图来进行野外测绘。

该种方案对采集员有着极高的专业要求，其必须具备较为充足的外业经验，以此才能够精准地对地貌元素与地物元素进行把控，依照图式，直接在图上进行测绘。

若无法实现对地貌地物的精准把握，则只需对外轮廓进行采集，再由外业负责处理。

若因地物模型不清晰而无法实现对其的定位，需进行标记，安排外业人员实施补调，无影像或者隐蔽地物同样由外业人员在现场完成补调。

其四，编辑与输出数据。

外业调绘中获取的所有内容需要通过内业编辑环节来被转移与表示到地形图数据中，即依照外业条绘图中的尺寸以及图示规范要求，对采集原图进行修改，按照标准的排列、大小、字体要求将调绘名称向数据图中标注，同时还要通过指定的线相、线型、色、层进行表示，从而确保能够符合入库要求。

同时，还应针对图阔、控制点进行标记，最后由检查员全面检查数据图。

获取数字高程模型时，可通过以下两种方式：其一为依靠DLG成果进行直接提取；其二为借助加密成果，通过软件匹配，先输出粗DEM，再展开人工编辑。

而后即可获取模型。

制作影像图时，需要运用数字高程模型，针对通过数字化方式收集的航空影片，实施数字微分纠正以及数字镶嵌，最后按照图幅范围来对影像数据进行剪切处理。

可运用的线画图采集与处理软件包括JX4、适普、航天远景，辅助工具则可选取手轮脚盘与立体眼镜。

2.6 精度评估
在空三模型中导入部分检查点，完成对模型精度的精准评估，检查点导入数量为152个，确认精度结果符合标准要求。

针对线画图实施人工抽检，明确数据精度符合1∶1000的较高的成图精度要求。

质量检查工作往往通过抽查15%成品图的情况来实现。

若在检查期间，发现有成品图未能达到技术设计要求或者图式规范要求，需提出具体的处理意见，并完成对其的改正。

如果质量问题的性质较为严重，或者数量较多，则应将成品图退回，要求作业单位进行返修与返工，直到获得合格的测量结果。

3 结束语
无人机低空摄影测量达到的测量精度能够满足当前水利工程测量的基本要求。

该技术具有机动性、经济性、精度水平等多方面的优势，将其应用到水利工程测量活动中时，需要结合测区的实际情况，进行必要的补充测量，如考虑到测区中的水域面积较大，因此需开展水下测量，从而实现完整还原地形的目标。

若测区具有精度较高的模型且植被覆盖较少，可直接通过软件来自动获取等高线。

相关单位还需继续在水利工程测量实践中，逐步积累无人机摄影测量经验，完善技术方案、优化测量流程，改善测量测绘结果。

参考文献
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[3] 陈小龙,王海涛,董快鸽.无人机低空摄影测量技术在水利工程测量中的应用[J].陕西水利,2018(5):220-221,223.
[4] 朱勇.试论无人机低空摄影测量技术在水利工程测量中的应用[J].城市建筑,2019,16(17):161-162.
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[6] 朱文杰.无人机航空摄影测量技术在水利工程中的应用[J].工程技术研究
,2019,4(19):58-59.。