胡立 張振軍 魏猛 周明

摘要：作為南水北調(diào)中線工程的水源地，丹江口水庫具有重要的戰(zhàn)略地位，開展丹江口水庫全庫區(qū)地形測量具有重要意義。地形測量利用全站儀、GNSS、水準(zhǔn)儀等儀器設(shè)備的傳統(tǒng)方法，需要耗費(fèi)大量人力物力，且效率低。作為一種新的地理信息獲取技術(shù)，無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)精度可靠，成本經(jīng)濟(jì)。依托無人機(jī)平臺(tái)從空中進(jìn)行測量，利用像控點(diǎn)的布設(shè)和影像點(diǎn)云分類處理生成DTM（數(shù)字地面模型），通過實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證無人機(jī)航拍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度滿足1∶2 000比例尺地形圖要求。結(jié)果表明：無人機(jī)低空遙感技術(shù)在丹江口庫區(qū)地形測量中應(yīng)用效果較好，可應(yīng)用于更多領(lǐng)域的地形測量中。

關(guān)鍵詞：地形測量;無人機(jī);航空攝影;丹江口水庫

中圖法分類號：P231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.12.008

文章編號：1006 - 0081（2021）12 - 0049 - 05

0 引 言

無人機(jī)低空遙感技術(shù)精度可靠、數(shù)據(jù)量大、高冗余[1]、技術(shù)成熟、操作簡單、成本經(jīng)濟(jì)、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低[2-3]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域的小比例尺地形測量中。其點(diǎn)云數(shù)據(jù)平面精度較高，但高程精度偏低，在大比例尺測量案例中應(yīng)用較少。如需在大比例尺地形測量中獲得較高的精度，需對無人機(jī)外業(yè)測量和內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理進(jìn)行嚴(yán)格把控，外業(yè)測量時(shí)合理布設(shè)像控點(diǎn)能有效提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度[4-5]，應(yīng)用商用密集影像匹配點(diǎn)云軟件完成DOM和DSM生成，進(jìn)行影像點(diǎn)云分類處理對地表植被進(jìn)行分類、過濾生成DTM，可以進(jìn)一步提高點(diǎn)云中誤差[6-7]，使其滿足1∶2 000比例尺地形測量要求[8]。本文將進(jìn)一步闡述點(diǎn)云分類的方法和具體操作步驟與配置參數(shù)。

丹江口水庫5～10 a需進(jìn)行一次全庫區(qū)地形測量[9]。作為南水北調(diào)中線工程的水源地，丹江口水庫控制流域面積9.5萬km2，占漢江流域面積的60%;多年平均徑流量為388億m3，占漢江流域的70%;正常蓄水位170.0 m，壩頂高程176.6 m，為不完全多年調(diào)節(jié)水庫。丹江口水庫庫容復(fù)核項(xiàng)目要求，庫區(qū)支流地形測量比例尺為1∶2 000，庫區(qū)干流比例尺為1∶5 000。以往庫區(qū)地形測量都是用傳統(tǒng)測量方法，需要耗費(fèi)大量人力、物力，且質(zhì)量難以保證、外業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。本文以丹江口水庫庫容復(fù)核項(xiàng)目為案例，引入無人機(jī)低空遙感技術(shù)，從外業(yè)像控點(diǎn)的布設(shè)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理方法等技術(shù)手段來提高點(diǎn)云精度，經(jīng)精度分析驗(yàn)證，無人機(jī)低空遙感技術(shù)在丹江口庫區(qū)地形測量中有較好的應(yīng)用效果。

無人機(jī)低空遙感技術(shù)首次應(yīng)用于丹江口庫區(qū)地形測量中，保證了測量精度，提高了外業(yè)工作效率，有利于科學(xué)地掌握水庫淤積變化規(guī)律、制定正確的水庫調(diào)度方案。對貫徹落實(shí)“長江大保護(hù)”戰(zhàn)略、河湖長制決策部署，提升水利工程管護(hù)水平，提高南水北調(diào)中線工程供水效益，實(shí)現(xiàn)漢江水資源科學(xué)配置和可持續(xù)利用具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)采集

無人機(jī)低空遙感技術(shù)作業(yè)流程為：任務(wù)接受→現(xiàn)場勘察→布設(shè)、測量像控點(diǎn)→測量精度檢查點(diǎn)→區(qū)塊劃分、航線規(guī)劃→無人機(jī)航拍→數(shù)據(jù)獲取。

無人機(jī)外業(yè)測量從接收任務(wù)開始，首先需對測區(qū)進(jìn)行查勘，確定無人機(jī)的起降場地和測區(qū)的基本地物地貌。合理布設(shè)像控點(diǎn)，像控點(diǎn)可采用千尋CORS等網(wǎng)絡(luò)RTK進(jìn)行測量，對每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行不低于60個(gè)歷元的采集。進(jìn)行像控點(diǎn)采集的作用是根據(jù)測區(qū)范圍和特點(diǎn)，在邊界上均勻布設(shè)測點(diǎn)見圖1，同時(shí)在保證數(shù)據(jù)密度、分布均勻的前提下，對無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行核對校正。用RTK在地面采集一些精度檢查點(diǎn)，用于檢查驗(yàn)證成果的平面精度和高程精度。區(qū)塊劃分、航線規(guī)劃等準(zhǔn)備工作后，即可進(jìn)行無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)獲取。

項(xiàng)目外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要設(shè)備為“飛馬E2000”型無人機(jī)，作業(yè)時(shí)的航向重疊率為80%，旁向重疊率為60%，飛行高度為200 m。系統(tǒng)參數(shù)如下：

為保證安全，無人機(jī)外業(yè)操作需2人協(xié)同完成，1名操作人員和1名協(xié)助人員。外業(yè)測量每天可以進(jìn)行6架次的飛行，每架次完成4～5 km2的地形測量，每天能完成約20 km2的有效地形測量（無人機(jī)測量需略超出測區(qū)范圍）。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)依靠人力利用GNSS接收機(jī)測量1∶5 000比列尺的地形，單人每天約測量0.4 km2，完成20 km2地形測量需要10人約5 d的工作時(shí)間。如表1所示，無人機(jī)的工作效率是傳統(tǒng)測量方法的25倍左右，隨比例尺的增大，傳統(tǒng)測量方法的工作工時(shí)還會(huì)增加。無人機(jī)低空遙感技術(shù)的引入大大提高了外業(yè)測量的工作效率。

2 數(shù)據(jù)處理

利用商用密集影像匹配點(diǎn)云軟件完成DOM和DSM生成、影像點(diǎn)云分類生成DTM等工作后，結(jié)合項(xiàng)目闡述數(shù)據(jù)處理，處理流程如下：①采用supermap idesktop等軟件進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì);②在EPS平臺(tái)下進(jìn)行生成三維垂直模型、對DOM（數(shù)字正射影像）進(jìn)行切片生成EMG文件、導(dǎo)入陸上高程點(diǎn)、應(yīng)用DTM生成陸上等高線（shp文件）、固定斷面線、水下高程點(diǎn)、無人機(jī)航測區(qū)塊面等。其中，固定斷面線用來判斷繪制區(qū)域所在的位置，進(jìn)而確定制圖的垂直范圍;水下高程點(diǎn)用來參考處理復(fù)雜水域的水陸分界線;無人機(jī)航測區(qū)塊面文件用來確定制圖的水平范圍，更好地處理相鄰區(qū)塊的接邊關(guān)系。

2.1 影像點(diǎn)云分類生成DTM

由于無人機(jī)航拍的點(diǎn)云是物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，有植被覆蓋區(qū)域的高程為植被表面高程，要想獲得植被下地表的高程需要進(jìn)行點(diǎn)云的分類，通過商用軟件自動(dòng)加人機(jī)交互手工再分類的方法可以達(dá)到較好的效果，實(shí)現(xiàn)的流程如下。

2.1.1 點(diǎn)云窗口設(shè)置

實(shí)踐證明，選擇1/4圖像尺寸不會(huì)顯著影響成果精度，對圖形工作站的配置要求大大降低且處理速度明顯加快。在計(jì)算機(jī)配置較高的情況下也可選擇1/2圖像尺寸。進(jìn)行分類點(diǎn)云，如圖2所示。不選生成三維網(wǎng)格紋理，即不生成三維實(shí)景模型。

2.1.2 DSM、正射影像和指數(shù)設(shè)置

（1）輸出xyz格式的離散點(diǎn)。

（2）輸出DTM，即數(shù)字地面模型。

（3）根據(jù)項(xiàng)目需求設(shè)置DTM分辨率。

（4）根據(jù)需要，設(shè)置輸出等高線數(shù)據(jù)格式，具體設(shè)置見圖3。

加載工程文件，運(yùn)行點(diǎn)云分類。點(diǎn)擊生成DTM，即應(yīng)用分類后的點(diǎn)云生成DTM。點(diǎn)擊Generate contour lines（DTM），即應(yīng)用DTM生成等高線。

2.2 無人機(jī)測量精度統(tǒng)計(jì)

采用supermap idesktop GIS平臺(tái)軟件進(jìn)行無人機(jī)測量精度統(tǒng)計(jì)，技術(shù)流程為：①打開supermap idesktop GIS平臺(tái)軟件;②新建數(shù)據(jù)源，導(dǎo)入數(shù)據(jù)集，導(dǎo)入DOM和DSM文件;③導(dǎo)入像控點(diǎn)和精度檢測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，格式為xlsx;④對精度屬性點(diǎn)進(jìn)行幾何屬性計(jì)算;⑤提取DSM對應(yīng)的高程值;⑥把空間數(shù)據(jù)擴(kuò)展為屬性字段;⑦點(diǎn)擊數(shù)據(jù)—追加列，進(jìn)行數(shù)據(jù)集匹配;⑧瀏覽像控點(diǎn)屬性表，刪除nodata值部分。

操作完畢更新列表數(shù)據(jù)，進(jìn)行字段計(jì)算，即完成了無人機(jī)測量精度統(tǒng)計(jì)。

2.3 無人機(jī)測量精度驗(yàn)證

選取試驗(yàn)區(qū)域中的一個(gè)區(qū)塊對無人機(jī)航測的精度進(jìn)行驗(yàn)證，在EPS平臺(tái)下，依據(jù)EMG影像和DSM模型，調(diào)入之前實(shí)地測量的精度檢查點(diǎn)，檢查點(diǎn)均勻分布航測區(qū)域。在EMG影像的相同位置提點(diǎn)，如圖4藍(lán)色小方框所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示，提取點(diǎn)與RTK實(shí)地測量點(diǎn)對比平面最大誤差為0.09 m，平面中誤差為[ΔX2+ΔY2N]=0.04 m;高程最大誤差為0.08 m，高程中誤差為[ΔZ2N]=0.05 m。驗(yàn)證結(jié)果表明無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)精度滿足1∶2 000地形測量要求。

2.4 數(shù)字線劃圖DLG的繪制

利用商用密集影像匹配點(diǎn)云軟件經(jīng)過影像點(diǎn)云智能分類后形成如下數(shù)據(jù)源：數(shù)字表面模型DSM、數(shù)字正射影像DOM、影像智能分類后的數(shù)字地面模型DTM、由DTM生成的等高線contours。

在GIS平臺(tái)下對點(diǎn)云分類后生成的高精度DTM 數(shù)據(jù)根據(jù)測圖比例尺的需要進(jìn)行高程點(diǎn)提取，如1：2 000的地形測量，岸上點(diǎn)距要求為20～40 m，故在GIS平臺(tái)里可以把像元大小設(shè)置成20～40 m區(qū)間。

在EPS平臺(tái)下做超大圖像的切片，創(chuàng)建超大圖像EMG。在EPS平臺(tái)下應(yīng)用DOM和DSM合成2.5維模型（*.dsm），圖5～6是截取生成小部分的航測圖EMG影像和DSM模型。

數(shù)字線劃地圖DLG的制作僅需要.dsm和.emg文件即可，在EPS的平臺(tái)下依次調(diào)入contours（等高線）文件、項(xiàng)目的邊界線、分類點(diǎn)云后的DTM在 GIS平臺(tái)下提取的高程點(diǎn)。以影像數(shù)據(jù)為依據(jù)，繪制河流及塘等的水邊以及路、房屋等地物。依據(jù)提取的高程點(diǎn)適當(dāng)修改等高線，根據(jù)等高線即可計(jì)算出相應(yīng)庫容。

傳統(tǒng)測量方法是利用全站儀、GNSS接收機(jī)等儀器設(shè)備在測區(qū)測量地形點(diǎn)，通過離散點(diǎn)插值建模，繪制等高線。由于庫區(qū)地貌復(fù)雜，有些水邊和陡坡人力無法到達(dá)，以及山區(qū)林地遮擋GNSS信號等原因?qū)е碌匚锏孛驳臏y繪偏差較大。故通過無人機(jī)航測影像密集匹配點(diǎn)云分類進(jìn)行地貌表達(dá)的方法更貼近真實(shí)地貌，達(dá)到更高的精度。

3 結(jié) 論

本文依據(jù)丹江口水庫庫容復(fù)核項(xiàng)目，引入無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)，通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，繪制出測區(qū)數(shù)字線劃圖DLG，從而計(jì)算出丹江口水庫的真實(shí)庫容，得出如下結(jié)論。

（1）無人機(jī)低空遙感技術(shù)極大地提高了外業(yè)工作效率，可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域及行業(yè)。

（2）人力無法達(dá)到的水邊和山區(qū)林地危險(xiǎn)地帶，可以通過無人機(jī)航拍影像圖真實(shí)客觀地反應(yīng)出來，再通過數(shù)據(jù)處理分析繪制出來，增強(qiáng)數(shù)據(jù)成果表達(dá)可視化效果，保證數(shù)據(jù)完整性與可靠性。

（3）經(jīng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，低空無人機(jī)遙感技術(shù)滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張繼賢，林祥國，梁欣廉.點(diǎn)云信息提取研究進(jìn)展和展望[J].測繪學(xué)報(bào)，2017，46（10）：1460-1469.

[2] 劉世振，鄧建華，馮國正，等.機(jī)載LiDAR在山區(qū)型河道地形測繪中的適用性研究[J].人民長江，2021，52（1）：108-113.

[3] 彭沖，夏輝，雷萬鈞.正射影像在水利1：500比例尺地形圖中的應(yīng)用[J].人民長江，2021，52（增1）：134-136.

[4] 唐磊，張振軍，楊松，等.基于PPK技術(shù)的消費(fèi)級無人機(jī)航測像控點(diǎn)布設(shè)方法優(yōu)化[J].水利水電快報(bào)，2020，41（7）：22-25.

[5] 張光祖，王春，徐燕，等.像控點(diǎn)布設(shè)對無人機(jī)小范圍非規(guī)則區(qū)域?qū)嵕敖＞鹊挠绊慬J].全球定位系統(tǒng)， 2020，45（2）：60-67.

[6] 張會(huì)，趙民.無人機(jī)影像數(shù)據(jù)提取大比例尺DEM的方法研究[J].測繪與空間地理信息，2018，41（5）：195-197，201.

[7] 鄭翔天，何秀鳳，楊曉琳，等.點(diǎn)云輔助地基干涉SAR雷達(dá)影像與地形數(shù)據(jù)應(yīng)急匹配方法[J/OL].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版）：1-15[2021-07-25].

[8] SL257-2017 水道觀測規(guī)范[S].

[9] SL 339-2006 水庫水文泥沙觀測規(guī)范[S].

（編輯：李 晗）

Application of UAV low-altitude remote sensing in landform survey

of Danjiangkou reservoir area

HU Li 1， ZHANG Zhenjun1， WEI Meng 2，? ZHOU Ming1

（1. Hanjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology ， Changjiang Water Resources Commission，Xiangyang 441000， China;? ?2. Middle Changjiang River Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology ， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430012，China）

Abstract： Danjiangkou Reservoir， as the water source of the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion， has a very important strategic position and it is of great significance to carry out the topographic measurement in the whole Danjiangkou Reservoir area. In the topographic survey of Danjiangkou reservoir area， traditional methods were used in the past， such as total station， GNSS， level instrument and other equipment， which requires a lot of manpower and material resources， and efficiency is low. As a new geographic information acquisition technology， UAV aerial photogrammetry technology has reliable accuracy and cost economy. Based on UAV platform for aerial measurement， the DTM（digital ground model） was generated through the image control point layout and the image point cloud classification processing and other technical means， and the actual data verified that the accuracy of the point cloud data of the aerial photography of UAV meets the requirements of 1：2000 scale. The results show that UAV low-altitude remote sensing technology is used well in Danjiangkou reservoir area， and can be applied to topographic measurement in more fields.

Key words： topographic survey; UAV; aerial photography; Danjiangkou Reservoir