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水利工程中的无人机航空摄影测量技术运用

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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