1、无人机在水利工程无人机在水利工程勘测设计勘测设计中的中的应用应用与研究与研究严 慧 敏 安徽省水利水电勘测设计院安徽省水利水电勘测设计院20172017年年8 8月月安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）1 单位简介安徽省水利水电勘测设计院始建于1958年，其前身为原水利部治淮委员会勘测设计院，是以水利水电勘测、设计、科研为一体的甲级水利水电工程勘测设计单位和综合性技术研究与应用科技型企业。半个世纪以来，安徽省水利水电勘测设计院一直是全省水利水电工程勘测、规划、设计主力军和水利发展战略咨询与实践者，完成了一大批重大水利工程规划设计和科学创新成果。建院以来，长期的
2、工程实践造就了一支专业配套、技术力量强大的高素质队伍，现拥有各类中高级专业技术人员400多人。1997年通过ISO9001质量体系认证，2004年获得安徽省“高新技术企业”认定，2006年中国勘察设计协会授予“优秀勘察设计企业”称号。共荣获国家级及省级、部级优秀工程勘测、设计、咨询成果金奖、一、二、三等奖及科学技术奖等100多项。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）1 单位简介我院勘测分院坐落于安徽省蚌埠市，为国家综合类甲级勘察单位。主要承担国内外水利水电工程、工业与民用建筑、市政、港口与路桥等领域的工程地质勘察、测绘；各类工程质量检测、工程物探、水土保持方案
3、编制、水土保持监测与监理、地质灾害勘查与评估、工程施工与监理、建设工程技术咨询服务等业务。持有建设部颁发的工程勘察综合类甲级资质证书，国家测绘局颁发的工程测量、海洋测绘、摄影测量与遥感甲级资质证书。拥有动、静态GPS卫星定位仪30余台套，各型号全站仪31台、测深仪10余台套、全数字摄影测量工作站12台套。近年来，获得省部级以上科技进步奖、全国优秀水利水电工程勘测设计奖、优秀测绘工程奖、优秀工程勘察奖等30余项。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）我院测绘处近几年来生产任务一直比较繁重，测绘成
4、果能否按时提交已成为制约工程规划设计工作的因素。其中制约测绘生产进度的一个突出原因就是项目集中、外业测图工作量过大、内业人员未能充分参与到项目中去。为了提高效率，保证按时按质完成水利工程测绘任务，特引进了天狼星无人机航测系统。我们选择天狼星无人机的原因：免像控，节省了大量布设像控点所需的内外业工作。产品丰富，系统能够快速转换提供数字正射影像、数字高程模型、点云数据等。减轻了外业作业人员的劳动强度，提高了生产力。无人机操作简便、机动灵活，在小面积地形测量和规划设计方面具有一定的优势。2 无人机航测系统引用背景安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）3.1 项目概况
5、本项目为京杭运河微山三线船闸工程可研阶段地形图测绘。京杭运河微山二线船闸位于山东省微山县城北边，京杭运河与二级坝交汇处，是京杭运河上的重要交通要道。现规划在二线船闸附近新建一座三线船闸。拟建三线船闸闸址位于原有的二线船闸与南水北调东线工程微山湖二级坝输水渠之间。测区范围东至S348与S104道路交汇处，西至二级坝一号节制闸东侧，南至二级坝沿航道向下游4km，北至二级坝沿航道向上游3.5km，测量总面积为11.1km。测区内陆上部分植被覆盖严重，主要作物为杨树和桃树。现有的二线船闸西侧紧临村庄，分布有运煤码头；二级坝上游湖区属微山湖湿地，主要生长芦苇及莲藕等水生作物，下游湖区部分为采煤塌陷区，渔
6、网密布。同时航道内来往船只频繁，测量难度中等。此次准备采用无人机航摄来解决地形图的平面地物和部分地面高程测量。3 应用实例安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）天狼星无人机 地面站安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）3.2 技术路线（1）地形图测绘比例尺为1:2000，平面系统采用1980西安坐标系，高斯正形投影，中央子午线117；高程系统采用1985国家高程基准，基本等高距为0.5m。（2）根据工程测区、形状及成图比例尺的要求，航摄分辨率设置为10cm，航向重叠度设置为60%70%,旁向重叠度设置为65%。根据1:500 1:
7、1000 1:2000地形图航空摄影规范（GB/T 6962-2005）要求，像片倾角2，像片旋角不超过6，航线弯曲度3%。（3）飞行计划设置：此次飞行区域约9.12km，利用天狼星航测系统桌面软件制定测区飞行计划。此软件可根据飞行区域自动计算分割飞行计划，选择“最短路径”，由软件自动对飞行计划进行优化，在此基础上，依据提高飞行效率、减少基站迁站次数的原则，人工干预手动对飞行计划进行调整。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）测区内1985国家高程基准的最高高程约39.7m、最低高程约23.5m，地面采样距离容许差小于30%。本测区最终划分为6个飞行架次，飞行高
8、度约380m，地面分辨率10cm，飞行总时间2小时42分钟。飞行区域与飞行航线设计安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）3.3 成果与精度分析（1）成果：通过PhotoScan软件对微山三线船闸测区的航拍数据进行处理，生成DOM和DEM产品。数字正射影像（DOM）数字高程模型（DEM）（2）精度分析：选取一个飞行架次的数据进行精度分析。检核点采用RTK，在GPS信号正常，固定解状态下进行测量。检核点均匀分布于整个飞行架次，对每个检核点测量两次，保证检验点精度，精度统计结果见下表。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）点号点号RTK
9、图根点图根点航测点航测点残差残差XYZXYZXYZSH013863393.325498909.10833.648 3863393.254 498909.001 33.748 0.0710.107-0.100SH023863346.160498400.17833.6933863346.274498400.25933.821-0.114-0.084-0.128SH033859571.732 500452.36035.4123859571.813500452.45235.509-0.081-0.092-0.097SH043860968.909 500287.207 44.307 3860969.00
10、9500287.323 44.430-0.100-0.116-0.123 SH053860131.068 500419.986 35.974 3860131.145 500420.034 36.043-0.077-0.048-0.069 SH063861027.592 500601.095 39.7503861027.472 500600.974 39.634 0.1200.1210.116SH073860597.022 500698.861 37.956 3860597.112 500698.935 38.034-0.090-0.074-0.078SH083859489.379 501066
11、.330 32.387 3859489.488 501066.451 32.481-0.109-0.121-0.094SH09 3861549.804501759.06736.8223861549.693501758.97436.7380.1110.0930.084SH103861336.882502001.72437.5113861336.794502001.84837.6240.088-0.124-0.113SH113861168.835501207.66134.5963861168.902501207.74934.498-0.067-0.0880.098SH123861626.88250
12、2051.88234.2253861626.765502051.75834.1370.1170.1240.088平面中误差高程中误差根据1:500 1:1000 1:2000外业数字测图技术规程（GB/T 14912-2005）要求，此次校核结果的平面位置中误差和高程中误差均满足精度要求。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）3.4 效率分析 本次航测工作因受大风天气影响，3天完成航测任务，4天完成内业工作。由于每天航摄任务完成后即可将航测数据提交至内业进行处理，所以内外业可以同步进行作业。而经核算，两个测量作业小组采用传统全野外数字化测图方法进行测图需要7天才
13、可完工；因航摄过程中受大风、降雨等天气影响不能工作的情况是不可避免的，因此本次核算并未扣除因大风降雨导致航摄延期的时间。经计算，本次采用无人机航测工期（时间）节约率为28.6%。方法方法完工时间完工时间（天）（天）无人机航测节约时间无人机航测节约时间（天）（天）工期节约率工期节约率（%）传统测图方法传统测图方法7228.6无人机航测无人机航测5安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）经实际水利工程测绘项目检验和验证：天狼星无人机航测系统 产品精度能够满足水利工程测绘要求。提高了测绘工作效率，减轻外业作业人员劳动强度和工作量。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省
14、水利水电勘测设计院（勘测分院）2017年度安徽省防汛抢险联合演练 4 无人机航测系统的其他应用安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）引江济淮工程：被称为安徽省的“南水北调”工程，是一项以工业和城市供水为主，兼有农业灌溉补水、生态环境改善和发展江淮航运等综合效益的大型跨流域调水工程。按所在位置，自南向北依次划分为引江济巢、江淮沟通、淮水北送三段，是安徽省水资源配置战略工程和全省经济社会发展与水环境改善的重大基础设施项目。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）正射影像图安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分
15、院）正射影像图安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）三维效果图安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）5.1 减轻规划设计人员外业查勘工作量 通过无人机航测生成的DOM和DEM数据，构建三维模型，并在其上叠置矢量格式的水利信息数据，使得规划设计人员足不出户就可以对现场情况进行一个全面的了解，大大减轻了外业现场查勘工作量。5 无人机数据产品在水利工程设计中的应用安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）丰乐河流域三维模型图丰乐河流域三维模型图安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分
16、院）5.2 提高高程数据的精度 传统水利工程设计采用的地形数据大多来自测绘单位提供的CAD数字地形图，高程信息以图面上的高程注记散点表示（一般图上3cm左右），因受成图比例尺的影响，高程信息的展示不够细致和连续。无人机航测后，可提供多种格式的高程数据，如栅格的DEM数据、矢量的TIN数据，高程信息不仅连续分布，而且分辨率高（1020cm）。在此数据上进行设计计算，有利于提高设计成果的精度（地表有植被、房屋等覆盖物区域需先进行处理，生成地表数据模型（DTM）后再应用于计算）。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）CAD数字地形图无人机航拍DEM数据CAD数字地形图
17、CAD数字地形图安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）6.1 重叠度的不同对航测产品高程精度的影响 本次针对安徽省宣城市港口湾水库灌区项目进行无人机航测，采用Fuji-X-M1-18mm，1600万像素的相机，分辨率设置为10cm，选取其中一段面积约0.5km的区域（平原地区）进行航测，采用两种不同的重叠度对同一区域进行航摄。6 探索与研究安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）航向重叠度70%60%旁向重叠度50%航向重叠度为85%75%旁向重叠度65%安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）点号坐标
18、X坐标Y高程HH(m)重叠度（航向：7060,旁向：50）重叠度（航向：8575,旁向：65）13421959.10392302.7317.631-1.490.0623421986.06392272.7617.627-1.580.1133422011.42392237.0117.712-1.470.1643422023.96392227.6117.74-1.470.1253422022.36392222.7817.775-1.500.1063422044.57392204.3717.769-1.700.2073422066.10392176.7617.814-1.770.0783422089.
19、14392158.4417.801-1.250.0093422094.67392143.4017.793-1.780.23103422115.04392129.5417.769-1.95-0.08安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）结论：重叠度的设置对于航测产品精度有很大的影响。天狼星无人机默认重叠度为：航向重叠度85%75%，最小不低于65%；旁向重叠度65%，最小不低于60%。当重叠度降低时，会导致航摄区域内重叠相片的数量大大减少，进而影响到高程产品的精度。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）6.2 像片清晰度对高程精度的
20、影响安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）点号坐标X坐标Y高程HH13451914.69513431.6538.5400.3123451928.36512697.0942.8790.1233453024.99513076.3544.672-0.3543453378.54513253.1244.9090.1053453500.66513542.4045.9680.1563452133.90514156.6236.3300.2873452295.58513534.7338.470-0.10安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）结论：薄
21、雾或者雾霾天气会对航测高程产品精度产生影响，因此应尽量选择在天气状况良好的情况下进行航摄，以保证航测高程产品的精度。若遇到紧急任务，必须在有薄雾或者雾霾的天气中进行航摄，在测区没有高大建筑物的情况下，可采用提高航摄分辨率、降低飞行高度的方法来减轻不良天气对航测成果的影响，并在测区增加实测检核点的数量，对航测产品的精度进行验证，确保其精度满足测图要求。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）6.3 天狼星机载不同相机精度分析 我院购置了两套天狼星无人机航测系统，分别机载富士XM-1-18mm，1600万像素相机和索尼RX1-35mm，4200万像素相机，对同一区域（
22、1km）进行了航摄，分辨率均设置为5cm。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）点号坐标X坐标Y高程HH富士XM-1-18mm1600万像素索尼RX1-35mm4200万像素 13679807.31536521.4317.940.100.07 23678984.30536484.9821.360.050.08 33679043.49536411.6321.370.110.09 43679138.97536292.9521.460.090.06 53679206.85536209.9021.520.090.01 63679317.81536073.9821.680
23、.050.01 73679475.26536669.0915.580.010.08 83679753.97536739.6117.640.090.10 93679171.88536872.5915.840.130.10 103679420.48537129.2717.110.090.07 安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）结论：两种相机在相同分辨率（5cm）情况下，航测成果经现场采集检验点检验，像素更高的索尼相机精度更好。但单架次航拍成果检验不足以说明索尼相机航测成果精度优于富士相机，两种相机的精度验证工作将在后续工作中进一步进行。采用索尼RX1-35mm相
24、机进行航摄，5cm分辨率飞行高度为389m，采用富士 XM-1-18mm相机，5cm分辨率飞行高度为190m，因此采用索尼相机能在保证作业精度的要求下，提高工作效率，且在测区有高大建筑物时仍可进行高分辨率航摄工作。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）天狼星无人机航测系统应用于水利工程测绘，满足了测绘产品精度要求，可以提高工作效率，缓解生产压力，大大减轻外业人员工作强度。同时，通过无人机航测，可向用户提供测区的数字正射影像、数字高程模型等产品，还可向用户展示测区的三维模型，为用户提供了更加直观的成果展示方式。我们通过无人机航测实践，同时还发现天狼星无人机航测系统
25、还存在以下优点与不足。7 结论与展望安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）优点：不需要进行外业像控测量，仅需确定一个航测基准站的坐标。无人机飞行过程中，采集像片的同时进行RTK测量，每张像片的位置信息都具有RTK固定解的精度。系统自动化程度高，无人机手动操控仅需控制飞机上、下、左、右四个方向，操控人员进行短期培训后即可进行航摄任务。软件可根据飞行区域自动制定飞行计划，在山区或地形起伏较大地区，系统会针对地形调整飞行计划，保证飞行安全。产品精度高，平面和高程精度约为1-2倍的地面分辨率，需要指出的是，这里的精度是外附合精度，即精度依赖于基准站坐标的精度。安徽省水利
26、水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）不足：因降落采用的是遥控器操控滑翔降落，因此要求降落场地平整、较大且空旷。雨天或风速大于5级时，不能执行航飞任务。受无人机电池电量（最大续航时间50分钟左右）和内置电台（信号发射范围3km左右）限制，每架次飞行面积较小。当飞机在空中飞行电池电量低于总电量的30%时，应该密切关注电池消耗速度。由于电池电压较低时，可能会出现掉电过快的情况，因此进行航摄任务时，应预留安全电量，保证航飞的安全，无法进行满负荷航摄作业。由于高程数据来源于立体像对，所以无法获取水域、雪地地面的准确高程。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）我们相信：随着未来技术的不断发展，当天狼星无人机突破电池电量和信号发射范围的限制，能够实现一次飞行长时间、大范围的航摄时，将能更好的为水利工程测绘服务，也必将在其他领域具有更广泛的应用空间。安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院安徽省水利水电勘测设计院（勘测分院）谢谢大家！谢谢大家！敬请各位专家批评指正！敬请各位专家批评指正！
