水利工程中低空攝影測量的應(yīng)用

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按照搭載測量裝置的飛行設(shè)備不同，攝影測量可以分為載人機(jī)航空攝影測量和無人機(jī)低空攝影測量，我國在高分辨率空間數(shù)據(jù)獲取方面仍然需要倚靠國外技術(shù)設(shè)備，現(xiàn)有的測量技術(shù)雖然能夠獲得基本的地理信息，但測量所用衛(wèi)星受其回歸周期、飛行高度的限制難以保證遙感數(shù)據(jù)的分辨率。而且攝影測量中的載人機(jī)航空攝影測量受氣候因素影響較大，機(jī)動性較差，測量成本相對較高，難以滿足三維信息采集要求，因此，無人機(jī)低空攝影測量因不受場地條件限制和高空管制具有廣闊的發(fā)展前景。

1低空攝影測量概述

低空攝影測量指飛行高度在1000m以下的攝影測量，是一種理想的大比例尺地形圖影像獲取技術(shù)，對于城市規(guī)劃建設(shè)、施工用地設(shè)計具有重要意義[1]。雖然航空攝影測量較早用于小范圍內(nèi)的城區(qū)規(guī)劃，但是相對無人機(jī)低空攝影測量來講成本較高，而且容易受地面建筑物的遮擋使細(xì)節(jié)輪廓成像不清晰，建模質(zhì)量差強(qiáng)人意。鑒于此，為滿足現(xiàn)代化城市的快速發(fā)展要求，適時采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)取代航空攝影測量已成為業(yè)界普遍關(guān)注的問題。低空攝影測量過程一般需要由三個人協(xié)助完成，其作業(yè)流程為接受任務(wù)→設(shè)計航帶→組裝測試無人機(jī)→飛行測試（選擇場地→測定風(fēng)速→飛前檢查→地面滑跑）→飛行航拍→降落→數(shù)據(jù)檢查和預(yù)處理[2]。與傳統(tǒng)航空測量技術(shù)相比，低空攝影測量的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）精度高。傳統(tǒng)航空測量的精度只能精確到1m，由于低空攝影測量采用無人機(jī)進(jìn)行低空飛行測量，飛行高度在50-1000m，因此能夠近距離接觸地面物體，精度范圍達(dá)到亞米級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)航空測量的精度范圍。

（2）實時性強(qiáng)。無人機(jī)與載人機(jī)相比受天氣狀況的影響較小，可以實時采集數(shù)據(jù)信息，而且操作控制更加簡單，配套設(shè)施成本更低。

（3）安全性高。無人機(jī)與載人機(jī)相比最突出的特點是無人駕駛，因此無需擔(dān)心發(fā)生墜機(jī)事件，無人機(jī)體積小，不需要專門的起降場地，經(jīng)過短暫的準(zhǔn)備即可升空飛行。

（4）分辨率高。無人機(jī)所攜帶的高精度成像設(shè)備具有多角度攝影功能，能夠從多個角度獲取地面建筑物的紋理信息，有效彌補(bǔ)了其他航空測量技術(shù)受建筑物遮擋成像不全的缺陷。

2低空攝影測量相關(guān)問題的處理

在應(yīng)用低空攝影測量技術(shù)之前首先要明確幾個關(guān)鍵問題和技術(shù)，以確保實際應(yīng)用過程的順利進(jìn)行。

2.1低空攝影測量外業(yè)

通過低空攝影測量精度分析可以得知，低空攝影測量中的飛行質(zhì)量對內(nèi)業(yè)質(zhì)量和處理進(jìn)度有直接影響，而主要影響因素包括航線平直度、色調(diào)均勻性、攝影平臺穩(wěn)定性等，良好的內(nèi)業(yè)質(zhì)量需要上述外業(yè)因素作為前提和保障[3]。

2.2低空攝影測量定向

低空攝影測量定向結(jié)果由內(nèi)定向、相對定向、絕對定向共同決定，內(nèi)定向一般是采用批處理的方式進(jìn)行像對，像對完成之后要著重檢查自動測量點的位置，以免因內(nèi)定向點位置漂移而影響相對定向和絕對定向結(jié)果的精度。相對定向需要結(jié)合測量區(qū)域的實際情況設(shè)定好定向參數(shù)，同樣采用批處理方式，如果結(jié)果中兩張圖片的匹配度不夠可以重新設(shè)置定向參數(shù)，縮小同名點之間的間隔，如果仍然行不通則需檢查像對信息是否正確[4]。當(dāng)測量區(qū)域像對的數(shù)量較多時一般需要查看精度報告，如果精度不符合要求需要結(jié)合定向點位置重新調(diào)整再次進(jìn)行定向計算，指導(dǎo)滿足既定的精度要求。

2.3基于低空攝影測量技術(shù)的DEM

DEM即數(shù)字高程模型，是用一組有序數(shù)值陣列表示地面高程的實體地面模型，是數(shù)字地形模型的一個重要分支。在低空攝影測量中，影響DEM質(zhì)量和精度的因素主要有攝影比例尺、匹配效果、高程精度等，針對影響的因素不同，所采取的處理方法也有所不同[5]。航攝比例尺是影響DEM質(zhì)量的首要因素，為提高模型精度應(yīng)當(dāng)根據(jù)測量區(qū)域的實際地形選擇比例尺，由于低空攝影測量的攝影位置較低，因此要保證比例尺的正確。為得到理想的DEM影像匹配效果，在陰影區(qū)、森林密集區(qū)、懸崖峭壁區(qū)處理之前都需要進(jìn)行加點加線預(yù)處理。與載人機(jī)航空攝影測量所形成的灰度影像相比，基于低空攝影測量的DEM立體感更強(qiáng)，而且更易切準(zhǔn)高程點，可以說，高程點切的越準(zhǔn)，DEM的精度就越高。

2.4基于低空攝影測量的DOM

DOM即文檔對象模型，是W3C組織推薦的處理可擴(kuò)展標(biāo)志語言的標(biāo)準(zhǔn)編程接口。在低空攝影測量中，利用已經(jīng)生成的DEM來手工拼接DOM的效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于灰度影像下生成的DOM，影響DOM精度的因素同影響DEM精度的因素大同小異，不外乎航攝比例尺、航片掃描質(zhì)量、加密點精度等，但DOM精度還受到DOM精度的影響[6]。在制作彩色DOM的過程中影響制作效果的主要是鑲嵌影像反差問題，在實際操作中可以發(fā)現(xiàn)，第一航帶與相鄰航帶的影像反差較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩航帶之間的影像反差，影響整體效果，究其原因，可能是在航攝或圖像掃描過程中沒有處理好影像信息，因此，為了提高DOM制作質(zhì)量，首先要保證數(shù)字影像的質(zhì)量，其次還要嚴(yán)格處理鑲嵌好的影像，以免丟失一些重要的數(shù)據(jù)信息。

3低空攝影測量在黃河寧夏河道水利工程中的應(yīng)用實例

3.1黃河寧夏河道概況

黃河寧夏河道位于寧夏回族自治區(qū)內(nèi)，緯度在37°17′-39°27′之間，由于緯度差異，封河時和開河時的封凍、解凍方向差異使該河道容易發(fā)生洪水災(zāi)害。開展黃河寧夏河道地形圖測繪的目的在于滿足黃河寧夏河道的綜合治理要求，便于水量調(diào)度、水資源管理、水質(zhì)監(jiān)測、河道改造建設(shè)等各項工作的順利開展，為其提供準(zhǔn)確詳實的地理信息。在黃河寧夏河道地形圖測繪中決定采用無人機(jī)低空攝影測量技術(shù)，采集必要信息后制作DEM和DOM，從而提供必要的技術(shù)支持。

3.2測量過程與結(jié)果分析

結(jié)合黃河寧夏河道的實際地理情況決定最終的飛行區(qū)域長度為267km，飛行面積865km2，飛行高程為500m，具體測量流程參照上文流程。為檢查測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時在治理河段設(shè)置了60個控制點，采用實時動態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行測量，并將該測量結(jié)果與低空攝影測量結(jié)果進(jìn)行對比，分析低空攝影測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。以QSDLO1點為例，控制點的計算值與測量值差值分別為：dx=0.097，dy=0.016，dz=0.157，完全滿足地形圖測量要求。

3.3應(yīng)用優(yōu)勢分析

從QSDLO1點控制點計算值與測量值差值結(jié)果可以看出，低空攝影測量完全能夠滿足工程測量的高精度要求，測量結(jié)果與實時動態(tài)控制系統(tǒng)測量結(jié)果差異較小，可信度較高。低空攝影測量的技術(shù)優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在測量精度方面，而且還體現(xiàn)在測量流程上，傳統(tǒng)航空攝影測量工程流程復(fù)雜，工作效率低下，而低空攝影測量的影像偏角可以達(dá)到大傾角匹配要求，特殊的描述方法使匹配效率獲得顯著的提升，而且誤差參數(shù)單元劃分方法還可以自動識別出現(xiàn)誤差的參數(shù)單元，從而減少人工干預(yù)的工作量。在無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)CPU中引入并進(jìn)行計算，可以大大提高大型方程的求解率，便于無人機(jī)快速更新海量數(shù)據(jù)信息。因此，無論是在工作效率還是測量結(jié)果的精度方面，低空攝影測量都具有不可比擬的絕對優(yōu)勢。

4結(jié)束語

低空攝影測量借助無人機(jī)完成地理信息的采集工作，無人機(jī)本身機(jī)動性強(qiáng)，自重小，無領(lǐng)空限制，受氣候因素的影響較小，而且可以快速起降，便于迅速獲取影像數(shù)據(jù)，工作效率大大提高，完全滿足水利工程的實際需求。低空攝影測量在黃河寧夏河道中的應(yīng)用可以為河道綜合治理提供可靠的地理信息支持，大大提高了河道治理效果。

作者：楊俊成 單位：云南省水利水電勘測設(shè)計研究院