1、第 39 卷 第 5 期2016 年 5 月测绘与空间地理信息GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGYVol 39， No 5May ， 2016收稿日期: 2015 03 03作者简介: 王光彦( 1982 ) ， 男， 河南邓州人， 工程师， 硕士， 2009 年毕业于中国矿业大学( 徐州) 摄影测量与遥感专业， 主要从事无人机和倾斜摄影方面的应用研究工作。低空无人机遥感在水利工程测绘中的应用研究王光彦，姚坚，李登富，赵培( 江苏省工程勘测研究院有限责任公司， 江苏 扬州 225002)摘要: 介绍低空无人机遥感的特点及其应用现状， 分析在小范围水利工
2、程测绘的应用优势。此外， 根据实践，论述无人机遥感数据处理的基本流程以及一些关键技术， 并对其精度进行分析， 论证了其在工程测绘中的可行性。最后， 对低空无人机遥感在测绘中的应用趋势及有待进一步解决的问题进行了探讨。关键词: 无人机; 水利工程测绘; 空三加密中图分类号: P237文献标识码: A文章编号: 1672 5867( 2016) 05 0113 03Study on Application of emote Sensing by Unmanned AerialVehicle in Hydraulic Engineering SurveyWANG Guang yan， YAO Jia
3、n， LI Deng fu， ZHAO Pei( Jiangsu Engineering Exploration Surveying Institute Co Ltd ，Yangzhou 225002，China)Abstract:This paper introduces the characteristic f UAV photogrammetry It is an effective tool in Engineering survey， so summarizesthe application of UAV To testtity the alarming effect of Engi
4、neering application，it presents a programmed example of EngineeringSurvey using UAV and gets a fine result Last serveal key problems，possibilities and prospects of UAV are discussed in conclusionKey words: unmanned aerial vehicale;hydraulic engineering;aerial triangulation0引言随着科学技术的快速发展以及国家对现代化农业的战略
5、推进， 水利工程在促进区域经济发展以及现代农业的发展中起着举足轻重的作用1 。今后一个时期将是水利事业发展的重要时期， 低空无人机遥感作为促进数字水利建设发展的新技术， 在水利工程勘测、 设计、 施工、 竣工验收及运行等多个环节中发挥着至关重要的作用。但是， 常规航空摄影测量受制于空域申请、 天气、 费用等， 影响了工程进度。在短距离带状、 小范围水利工程中， 无人机低空遥感以其灵活性大、 数据现势性强、 影像分辨率高等特点， 不仅减轻了外业工作人员的工作量， 而且对于保证安全生产、 提高生产效率及降低水利工程建设成本等方面发挥出了独特的技术优势。无人机遥感在国外一些发达国家的应用已经深入到各
6、个行业， 在软硬件等方面已经趋于成熟。国内无人机技术业也得到了快速发展， 如江苏水科院、 湖南第二测绘院利用无人机在湖泊水质监测等方面实现实时动态变化监测; 河南水利勘测公司在涡河河道综合治理、 湖南水利水电勘测设计院在莽山水库库区扩容扩建等工程等已取得了初步成效2 。因此， 为进一步深化并服务于水利工程， 本文对无人机遥感在水利工程方面应用的一些关键技术进行探索， 实现大比例尺航测数字产品测绘的技术方法。1无人机遥感系统及数据处理流程11无人机飞行平台无人机遥感是一种以无人驾驶飞行器为飞行平台，通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行控制，搭载小型高分辨率数码相机， 借助卫星惯性导航技术、
7、 无线电通信技术实现低空飞行， 快速获取地面影像数据的系统3 。本文采用的无人机系统为武汉智能鸟公司生产的KC1600 电动型固定翼无人机， 搭载 SONY A7 相机， 利用地面控制系统可以实现航线规划和飞行监控、 航片自动拍摄等功能， 自动化程度高， 稳定可靠， 安全性好。其主要技术参数见表 1。表 1KC1600 技术参数Tab 1Aircraft flight parmeters of Kc1600翼展1 640 mm机长1 000 mm空机重3 kg有效荷载0 5 kg飞行高度6 000 m巡航速度65 km/h抗风能力4 级续航时间45 min起降方式弹射/伞降飞行距离60 km/
8、架次12非量测相机无人机遥感系统由于自身荷载限制， 只能采用普通的数码相机， 即非量测相机。它与专业量测相机的区别就是相机内方位元素未知， 且不稳定。其次， 存在明显的镜头畸变差， 如果直接用空间后方交会来计算相机的外方位元素时， 精度会很差， 这与摄影测量成图直接相关， 因此， 内方位元素和畸变差是相机鉴定的主要项目4 。由于普通数码相机机身和镜头连接并不牢固， 加上运输及飞行过程中的颠簸震动等， 相机参数往往变动较大， 所以， 在航飞前对机身及镜头进行加固， 保持镜头与机身的位置关系不变。为了保证测绘成果精度， 作业前委托专业的相机鉴定机构对相机进行检校， 其检校参数见表 2。表 2相机参
9、数Tab 2Parmeters of camera相机类型SONY A7像幅大小( 像素)7 360 4 912内方位元素/mmXO0056 24YO0 091 90f36 329 56像素大小/m4 88径向畸变系数k14571E 005K21403E 007CCD 非正方形比例系数 4 233E 004CCD 非正交性畸变系数 1 599E 004切向畸变系数p11700E 005p21594E 0052无人机遥感在水利工程中的应用21试验区本文以苏中某一河道闸址选点为研究区域， 该河道为 T 字形， 测量范围为沿河岸 200 m 内， 测区面积大概为0 6 km2。测区内地势平坦， 居民
10、地沿河岸两边密集分布，地物比较复杂， 测区范围如图 1 所示。图 1测区范围Fig 1Geographical location of survey area22无人机遥感作业流程低空无人机遥感作业流程与常规航空摄影测量基本一致， 包括测区踏勘、 航线规划、 低空航测、 快速拼图、 外业像控、 空三解算、 立体测图、 外业调绘等。但由于无人机遥感在荷载、 飞行控制方面以及搭载非量测相机， 使得其在畸变校正、 像控测量以及空三处理等方面不同， 具体流程如图 2 所示。23航线设计根据测区范围和形状、 风向及成图比例尺 1 1 000 地形图要求， 设计 4 条航线， 像片分辨率为 0 08 m，
11、 航向重叠度为 80%， 旁向重叠度为 60%， 航高为 388 m。数码相机曝光按等距曝光， 本次航飞旁向、 航向重叠度都比较图 2无人机数据处理流程Fig 2UAV data process大， 主要是避免飞行过程中受侧风影响， 姿态不稳定， 出现航摄漏洞导致内业无法测图。一切准备就绪后， 机组人员在测区等待合适的航摄天气， 并对航摄硬件进行检查维护， 确保设备处于最佳状态， 待到能见度好时， 逐条航线进行航空摄影， 争取在同一架次或相似的气候条件下执行航飞任务， 共获取 100 张影像， 照片清晰、 反差适中， 彩色色调鲜艳柔和、 均匀， 相同地物色彩基本一致， 满足航摄规范要求。24无
12、人机影像快速拼接及像控测量像控测量与传统航测在作业方法上有所不同， 区别在于无人机影像像幅小、 数量多， 且大多是应急测绘， 不适合利用冲印像片执行像控测量任务。另外， 测区范围内特征点比较多， 所以， 航飞后进行像控测量， 这些像控点均匀分布于测区， 色彩鲜艳对比明显， 在影像上很容易辨识。获取的影像经快速质量检查， 满足相应规范要求， 经过畸变预处理后， 根据每张影像对应的 POS 数据， 实现测区影像的快速拼接。根据快拼影像检查航摄漏洞及设计像控点的布设方案， 按照区域网布点， 间隔 4 条基线布设一对像控点， 为了保证精度， 在区域网凸凹处增添像控点。像控点点位一般应布设在航向及旁向
13、6 片重叠范围内， 困难地区不少于 4 片重叠。相邻子区域间必须有公共像控点。选取的像控点， 其目标影像应清晰、 易于判读，当目标与其他像片条件矛盾时， 着重考虑目标条件。位411测绘与空间地理信息2016 年于自由图边上的像控点应布设于图边外 4 mm。方案设计好后， 在快拼影像上标注出要测的像控点，然后， 导入到平板电脑上， 利用导航软件规划线路， 实现像控点的无纸化快速测量， 极大减少了像控人员的外业工作量。三角形代表平高控制点， 五角星代表检查点， 共实测了 26 个点， 且控制点和检查点的平面和高程精度均优于 5 cm， 分布图如图 3 所示。图 3像控点分布图Fig 3Image
14、controlling points distribution25空中三角测量空三加密指的是利用摄影测量解析法确定区域内所有影像的外方位元素， 是摄影测量中非常关键的一步5 。相对于传统航测空中三角测量而言， 无人机空三的难点主要表现在像幅小、 数据量大， 使空三工作量倍增; 由于飞行姿态不稳定， 所获取的影像旋偏角有可能过大， 导致影像匹配以及连接点提取失败; 由于逆风、 顺风及侧风的影响， 导致相邻航带间影像旋偏角过大以及上下影像对应关系不一致， 需要人工调整对应， 否则可能导致自由网平差无法通过， 无法实现影像快拼， 影响工程进度。空三加密计算采用武大 SVS 无人机处理软件， 该软件自
15、动化程度高， 处理过程只需准备原始影像、 POS 数据、相机参数文件、 控制点文件等。由于航线是 T 形， 为了处理方便， 将东西两条航线作为构架航线; 然后， 利用 POS数据自动创建航带、 自动匹配提取连接点、 自动挑粗差点， 同时， 检查测区内连接点是否分布均匀， 手动增加一些连接点， 保证模型及航线间有足够的连接强度， 加点时， 为避免像片边缘变形大， 应尽量离开影像边缘。经过平差计算， 基本定向点及检查点精度见表 3。表 3区域网平差精度统计表Tab 3Area adjustment precision statistical result ( m)成图比例尺统计类型中误差 最大残差
16、规范限差1 1 000定向点检查点XY0 047 301506Z0 108 7 0 217 6026XY0 108 9 0 247 810Z0 185 203704从表 3 可以看出， 加密精度满足国家CH/Z 低空数字航空摄影测量内业规范 ， 但也发现个别检查点误差比较大， 经过分析后是因为外业实测检查点时， 选点位置不好， 周边有树木或房屋遮挡， 导致影像模糊、 定位不准， 这应引起注意。26DLG、 DEM 与 DOM 制作及精度分析立体测图在 VirtuoZo 3 7 5 全数字摄影测量工作站，导入空三成果， 经过相对定向、 核线采集， 按照国家规范规定的地图符号， 综合取舍采集地物地
17、貌数据。DEM 主要是根据核线范围生成核线影像， 然后， 进行像点的密集匹配生成具有高程信息的点云数据， 通过对房屋、 水域、 植被等进行编辑生成规则的 DEM 格网。DOM 利用生成的 DEM， 经数字微分纠正、 数字镶嵌、裁剪等生成， 具有地形图的几何精度和影像的纹理特征，信息丰富直观， 可以作为参考评价其他数据的精度。为检查测图精度， 本文采用野外 TK 实测 25 个无投影差地物特征点， 如斑马线、 水泥地拐角等与 DOM 进行精度评定。由于该项目业主要求高程全部实测， 故高程精度不在评定之内， 误差统计表见表 4。表 4测图精度统计表Tab 4Statical table of ma
18、pping accuracy实测点个数平面中误差高程中误差25027032经野外实测检核， 平面精度满足 1 1 000 地形图要求; 高程由于按照业主要求全部实测， 所以， 精度只是用来参考。通过内外业整个过程的精度评定， 证明了低空无人机遥感应用于小范围、 大比例尺地形图中的可行性。3结束语通过本次试验， 无人机遥感在快速获取小范围大比例尺地形图、 DOM 方面具有周期短、 效率高、 成本低等优点。在工程中， 发现了一些急需解决的问题， 如一方面滞空时间短， 荷载小， 作业过程中需要多架次起飞及航片姿态不稳定等导致需多次转场及空三数据处理难度加大;另外， 像片多、 像幅小、 重叠度大等带来
19、的像控点、 测图工作量比较大。基高比小， 造成无人机获取的 DEM 精度差，不能满足工程勘测需要。随着技术的进步， 无人机诸如在机载高精度 POS 系统的小型化和集成化、 实时、 无缝测图系统的应用、 三维激光扫描仪与低空无人机遥感的结合、 航程短、 载重少、姿态不稳定等方面的缺点将会逐步得到解决， 其应用领域将会进一步拓展， 满足水利工程勘测的需要。在国家逐步开放低空的大背景下， 加强低空无人机遥感、 三维激光扫描仪等技术的研究应用， 将会提高测绘产品的高附加值、 减少外业工作量、 降低勘测成本， 增强企业竞争力等方面具有十分重要的现实意义。参考文献: 1谢温祥， 罗瑞明 水利工程中测绘新技
20、术的应用分析与探索 J 科技创新导报， 2012( 34) : 23( 下转第 118 页)511第 5 期王光彦等: 低空无人机遥感在水利工程测绘中的应用研究记录 15 个。处理结果展示可使用系统加载单文件处理保存为工程或者批量处理生成的工程， 可快速按条件筛选和排序， 方便快捷地进行判断。最后可直接处理， 删除要素或者删除属性值。2结束语本文针对广东省在处理地理空间属性数据中的规范处理中遇到的一些问题， 对相关的检测算法进行了研究。并采用了 C/S 架构， 利用 ArcGIS Engine 组件， 构建了基于字符匹配算法组合的地理空间敏感属性检测系统。系统应用到具体的数据生产与审查业务环境
21、中， 可对数据进行加载和浏览， 也可以自动检测出敏感词及不符合规则的属性数据， 并且实现词库的不断更新完善。在实际应用中发现， 原来处理一个 10 万条记录， 每条记录包含 40多个字段的数据， 采用以往的方法查出 12 万处可疑属性值， 需要人工操作去模糊查询以及逐条判读， 一个人需要几天时间。使用本系统后， 只需加载数据， 1 min 左右可自动检测出智能筛选后的结果只有 1 300 条记录。再经过人工判读后可在系统中直接对数据要素或者属性进行删除操作， 并直接生成成果数据， 大大减少了工作量。由于地名地址及其他相关属性数据会不断更新， 所以会有大量的数据需要处理， 这种应用系统对数据生成
22、及审查部门的检测具有较好的前景。参考文献: 1陈其宏 地图审核存在的问题及解决办法J 山东国土资源， 2013( 11) : 215 218 2雷京华 公开地图的信息开放与安全问题探讨J 测绘通报， 2010( 10) : 47 49 3王席席， 李云岭 地名地址数据中兴趣点的建设研究 J 地理信息世界， 2013， 20( 5) : 89 92 4穆宣社 基于地理空间大数据的应急指挥辅助决策平台研究 J 测绘通报， 2015( 6) : 93 96 5赵阳阳， 王亮， 仇阿根 地址要素识别机制的地名地址分词算法 J 测绘科学， 2013， 38( 5) : 74 76 6洪莹 城市地名地址匹
23、配方法研究与实验D 阜新:辽宁工程技术大学， 2008 7巫喜红， 凌捷 BM 模式匹配算法剖析J 计算机工程与设计， 2007， 28( 1) : 29 31 8欧嵬， 吴纯青 几种字符串匹配算法的分析和比较J 微处理机， 2007， 28( 4) : 59 61 9胡金柱， 熊春秀， 舒江波， 等 一种改进的字符串模式匹配算法J 模 式 识 别 与 人 工 智 能， 2010， 23 ( 1) :103 106 10王永成， 陈桂林， 韩客松 一种快速单模式准确匹配算法 J 上海交通大学学报， 2001， 27( 2) : 192 196 11刘卫国， 胡勇刚 DHSWM: 一种改进的 W
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27、) : 115 120 编辑: 栾丽杰( 上接第 115 页) 2李德伟 无人机航测成图在水利水电工程中的应用J 城市建设理论研究， 2013( 16) : 101 123 3李少龙 无人机摄影测量技术在输电线路工程中的应用研究 D 西安: 长安大学， 2012 4崔红霞， 孙杰， 林宗坚， 等 非量测数码相机的畸变差检测研究 J 测绘科学， 2005， 30( 1) : 105 107 5邓非， 闫利 摄影测量实验教程M 武汉: 武汉大学出版社， 2012 6张惠均 无人机航测带状地形图的试验及分析 J 测绘科学， 2013， 38( 3) : 101 编辑: 张曦811测绘与空间地理信息2016 年
