小型无人机航测技术在水利工程中的应用



小型无人机航测技术在水利工程中的应用

蔺全奎1，李伟哲2

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065；2.陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院,西安 710002)

摘 要：阐述了四旋翼无人机MD4-1000外业作业流程。通过野外像控点的布设、无人机外业航摄及内业数据准备、使用Pix4Dmapper处理影像数据，最终可以生成多种测绘产品，可以导入多种类型的专业软件完成进一步的分析处理，生成的三维模型，更加直观。

关键词：无人机；航测；MD4-1000；Pix4Dmapper；点云

0 前 言

无人机已经逐渐走进了测绘工作，且应用优势明显。小型无人机航测技术将测绘工作引向了一个新的方向，它具有生产设计成本低、作业方式快捷、操作灵活简单、环境适应性强、影像分辨率高等特点，在局部信息快速获取方面有着巨大优势。

本文以西安市蓝田县李家河水库测量项目为例，李家河水库位于西安市蓝田县境内灞河支流辋川河中游，是西安市浐河以东地区的骨干水源工程，在引汉济渭工程建成前用于向阎良飞机城应急供水。总库容5 690万m3，最大坝高98.5 m(混凝土拱坝)，供水设计流量3.2 m3/s，多年平均供水量5 600万m3。供水渠道工程采用无压自流引水，供水渠(管)道由总干渠、北干渠、南支管组成，长度分别为18.8、28.9、21.0 km。工程总投资7.6亿元。

项目航拍采用MD4-1000型四旋翼无人机系统，该系统是一种具有垂直起降小型自动驾驶无人飞行系统，可以用于执行侦察、拍摄、测绘、检测、指挥、搜索、通信、空投等多种空中任务。该无人机可以增加系留旋翼升空平台系统，依靠地面线缆连接在无人机上不间断地供电并传输通信信号，可以24 h不中断地停留在空中执行监视和通信任务。

数据处理采用Pix4Dmapper，是一款全自动快速无人机数据处理软件，是集全自动、快速、专业、精度为一体的无人机数据和航空影像处理软件。无需专业知识和人工干预，即可将影像资料快速制作成专业的、精确的二维地图和三维模型。

1 外业航摄

1.1 像控点布设

测区为沟道地形，中间低、两边高，沟道两侧因为施工区域、植被遮挡等因素的影响，人工测图难度较大，故使用无人机进行航测[1]。测图比例尺为1∶1000地形图。

目前绝大多数的小型无人机的定位系统为单点定位，精度相比差分定位低一些，在后期的数据处理中只能起到辅助作用。差分定位[2]已经逐渐普及到各种新型无人机当中，它拥有更高的定位精度、更准确的定位数据(POS数据)。因此可以减少像控点的布设数量，减轻外业工作强度，同时也为后续的计算工作提高了效率以及精度。这次使用的MD4-1000仍然采用单点定位方式。

使用Google Earth确定测区范围，因为山区地物较少等因素的影响，安排在航拍之前布设像控点[3]，密度约为300 m左右布设1个，在地形变化较大的地点进行补充，采用十字形在地面标记，宽度约为10 cm，使得地面分辨率为5 cm左右的照片可以清楚地分辨出像控点。并且在实地采集检查点以备用，用于检查线画图准确度，确保满足规范及项目要求[4]。

1.2 航线规划

航线规划就是根据航摄相机参数、航高、航摄比例尺、航摄区域等信息，按照航向重叠53%～75%，旁向重叠15%～60%的原则设计飞机飞行线路[5]。

相机采用索尼ILCE-7R全画幅无反相机。参数如表1所示。

表1 索尼ILCE-7R无反相机主要参数表

项目参数传感器类型ExmorCMOS传感器尺寸全画幅(35.9mm×24mm)有效像素约3640万最高分辨率7360×4912pixel镜头SonnarT*FE35mmF2.8ZA

相机采用35 mm定焦镜头，且手动对焦，固定快门时间的方式拍摄，快门速度1/1000 s，这样保证在航拍过程中采集到清晰的影像资料。相对地面飞行高度为380 m，计算得到地面分辨率(GSD)约为5.37 cm，满足1∶1000比例尺地形图精度要求。设置拍照航向重叠75%，旁向重叠60%，采用S形飞行方式，航线内水平速度8 m/s。将这些计算所得的数据导入MD4-1000型无人机的航线规划软件mdCockpit当中，进行航线规划[6]，如图1。

图1 mdCockpit规划任务图

1.3 飞行作业

四旋翼MD4-1000型无人机的起降点，选择较为灵活，相对较为开阔的地面，避免下洗气流影响旋翼飞机的起降即可。这次选择在水库左坝肩位置的观景平台上。

无人机数据传输系统是航测系统的重要组成部分，用来在无人机航拍时，对无人机的操控、遥测、跟踪定位以及信息传输，远距离实时操控无人机和实时获取无人机的载荷测量信息[7]，如图2。当MD4-1000在视距范围之外时，通过该系统可以很好并且安全地控制、监控无人机。

图2 飞行数据监控界面图

监控操作员应时刻注意无人机状态信息，在确认飞机起飞，平稳滞空后，操控手操作使用进入自动巡航模式(Waypoint)，MD4-1000自动爬升高度至指定航拍高度，并自动进入航线开始航拍。视距外飞行阶段，监控操作员须密切监视无人机的飞行高度、发动机转速、机载电源电压、飞行姿态等，一旦出现异常，应及时人工干预，取消任务并自动返航。

结束航拍任务后开始下降，应该阶梯式降低高度，在达到视距范围以内后，避免下洗气流引起的旋翼机失速，造成事故，应使用落叶式降落办法[8]，安全降落，检查无人机以及其状态信息并回收。同时检查相片质量是否符合要求。

2 内业处理

2.1 数据准备

飞行结束后，由机载内存卡导出飞行记录数据文件，最重要的信息是位置与姿态系统(position and orientation system，POS)信息，包含有每张航片的拍摄时刻的位置(X，Y，Z)、旁向倾角(Omega)、航向倾角(Phi)、像片旋角(Kappa)等信息，根据航拍导出的相片数据进行比对，建立航带影像缩略图，进行航带整理，人工判断航带是否正确，如果不正确需要重新进行航带整理，直至航带排列正确[4]确认POS数据完整无误，存储备用。

同时准备相机的检校参数(表2)，在Pix4Dmapper项目中录入相机检校参数，使得在计算中，软件自动对影像进行畸变差改正[9]。

表2 相机检校参数表

检校内容检校值主点x0-0.00860主点y0-0.04634焦距f36.31654径向畸变系数k14.145×10-5径向畸变系数k2-1.384×10-7径向畸变系数k30偏心畸变系数p14.636×10-5偏心畸变系数p26.104×10-6PIXEL非正方形比例系数a-6.094×10-5CCD非正交性畸变系数b-3.070×10-4

确定像控点的平面控制系统为独立坐标系，高程控制网为1985国家高程基准。整理包含像控点的影像，并标记其所在位置。

2.2 数据解算

2.2.1 新建项目

打开Pix4Dmapper软件，新建项目，导入航拍影像数据，修改图像坐标系，默认为WGS84系统下的经纬度，并导入影像的POS数据，使得所有航拍影像都匹配到其位置信息。根据相机检校参数修改软件的参数信息，以达到最优化数据处理。

2.2.2 加入像控点

打开“控制点编辑器”，选择控制点坐标系，寻找测区合适的坐标系，如果没有，可以从ArcGIS中导出一份包含坐标系定义的文件再导入进去。之后导入外业完成布设的像控点数据，并且在“平面编辑器”中标记像控点所在的航片。

2.2.3 数据处理

选择本地处理，打开“选项”，勾选第一步“初始化处理”进行“全面高精度”处理，点击“开始”，完成对项目的第一步处理。根据第一步预处理的点位精度，调整每一个像控点的刺点位置，并再次进行处理数据，直到满足像控点的精度要求，且使用检查点也通过检查，即完成必须的本地处理任务[10]。

数据质量检查结果如图3，“Image”表示平均每张照片有92 621个匹配点；“Dataset”表示总共263张照片中有255参与本地处理且符合软件要求；“Camera Optimization”表示相机的初始参数和Pix4D软件中计算得出的相机优化参数差异为0.06%；“Matching”表示矫正照片间相互匹配的键值数为23611.7；“Georeferencing”表示本地处理中使用了9个像控点，软件测算点位精度为0.031 m。对号符号表示符合软件解算的要求。

图3 数据质量检查图

2.2.4 数据导出

Pix4Dmapper拥有种类繁多的数据导出类型，以应对各种任务的需求，例如：未畸变影像、加密点云(图4)、三维网格纹理、数字高程模型(DEM)、数字表面模型(DSM)、数字正摄影像图(DOM)、谷歌地图瓦片数据、等高线等等。

在航天远景的MapMatrix软件中建立立体模型，对空三成果进行精度检测。根据实地测量检查点对比结果平面误差小于5 cm，高程误差小于0.3 m，符合规范及项目设计要求，可以进行数字化测图，生产数字线画图(DLG)。数字表面模型(DSM)与之前检查的精度一致，但是两侧的植被以及构筑物影响使用，则需要进一步处理成为数字地面模型(DTM)来表示实际地形特征，这样更便于使用且精度更高。根据报告中的数据显示，数字正摄影像图(DOM)的平均地面采样距离(GSD)为3.91 cm，满足规范中8～15 cm的要求[11]。

图4 Pix4D中加密点云展示坝体图

由高分辨率影像生成的加密点云上，我们可以进行测距、面积和体积测量、多段线绘制等等工作，并且模型对象元素可以加载到ArcGIS当中(图5)；加密点云可以导入AutoCAD Civil 3D或者CATIA等[12]；正摄影像图可以导入AutoCAD或者Global Mapperd等软件之中[13]，在不同类型的软件中进行进一步的分析及处理工作[14]。

图5 ArcGIS中DEM与DOM模型叠加图

3 结 论

小型无人机航测技术拥有灵活的运输和起降优势，为水利工程中较为偏僻的地区调查勘测提供了有利的实施条件[15]，同时结合航测内业处理软件，应对更多、更复杂的地质灾害等的应急测绘保障。通过系留电源系统，还可以进行项目的实时监控，提供更多用于测绘等工作的信息。

在水利工程的设计和建设过程中，利用航测软件生成多种三维空间产品成果，可以有效并且快速地完成立体构筑物的设计、三维模型建立、施工图绘制等的工作，相比平面图使用起来则更加直观、更加方便。未来测绘生产将会逐渐以三维模型等产品为主。

参考文献：

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[15] 张金超.无人机航测在山区水利测绘中的应用要点分析[J].低碳世界,2016(02):84-85.

Application of Aerial Surveying Technology by Small Drone in Water Resources Engineering

LIN Quankui1, LI Weizhe2

(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China; 2. Surveying and Mapping Section, Shaanxi Province Water Resources and Electric Power Investigation and Design, Xi'an 710002,China)

Abstract：The field work procedures of the 4-rotor-wing drone are described. Through distribution of field image control points, aerial shooting by drone, indoor data preparation and image data processed by Pix4Dmapper, multiple surveying and mapping products can be produced. They can be further processed by application of special software, producing 3D models which are more visual. Key words: drone; aerial survey; MD4-1000; Pix4Dmapper; point cloud

文章编号：1006—2610(2016)05—0028—04

收稿日期：2016-03-17

作者简介：蔺全奎(1959- )，男，陕西省渭南市人，高级工程师，从事水利水电测绘和工程测量监理技术工作.

中图分类号：TV221.1

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.007