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无人机在农田水利项目测量中的应用

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：王立鹤

[导读] 摘要：由于农田水利有着地形条件复杂等特点，所以在进行农田水利项目测量中就要从发挥小型无人机作用出发，利用其不受地面环境障碍影响的特点结合RTK技术，为农田水利项目测量的开展提供支持。

        上海荣弋水务工程咨询管理有限公司
        摘要：由于农田水利有着地形条件复杂等特点，所以在进行农田水利项目测量中就要从发挥小型无人机作用出发，利用其不受地面环境障碍影响的特点结合RTK技术，为农田水利项目测量的开展提供支持。首先，使用无人机拍摄河道研究区影像，同时采用 RTK 技术测量控制点坐标，然后，基于无人机数字摄影测量技术实现相机标定、图像匹配和密集点云生成；最后，构建农田河道 DEM 模型并实现地形图的自动绘制。与传统方法相比，该方法操作简单、工作量小、作业效率高，可实现对大范围农田水利快速测量，从而为摸清农田河道现状、维护农田河道健康提供准确的基础调查数据。
        关键词：无人机；RTK技术；农田水利；数据处理
        1引言
        水利工程是社会生产生活的重要基础设施之一，在调蓄水源、农业灌溉、调水供水、调节微气候等方面发挥着不可替代的关键作用。目前，GPS开始逐渐应用到河流测量与调查中。使用GPS可以根据河流实际地形合理布设控制网，通过测量控制点坐标，并对其进行内插处理，最终得到地形图。但是这种单纯GPS的测量效率仍比较低下，对控制点数量的要求较高，很难高效率地完成大范围的河道测量与调查。近年来，无人机已开始应用于灾害处理、国土监察、资源开发、小城镇建设等方面，尤其在生态保护、河流阶地提取、河流岸线资源监管等领域得到了广泛的应用。将无人机与RTK引入农田水利测量，实现数据的快速采集与处理，最终满足农田水利设计规划的相关需求。
        2农田水利项目测量主要流程
        （1）获取河道所在测区的基本信息。利用无人机航拍功能手动遥控控制无人机对项目范围区域进行现场巡查，标记低空障碍物，保障无人机飞行安全，并设计无人机飞行的航带。
        （2）控制点布设及测量。由于河道两侧的农田很难找到固定的像控点。可以设置打印有黑白色块的硬纸板作为控制点，均匀布设在整个测区内，利用铁钉固定，并使用RTK方式测量控制点中心位置，得到高精度的控制点坐标数据。
        （3）无人机外业航拍数据获取。在布设测量控制点后，使用无人机按照设计的飞行路线获取数字影像。
        （4）无人机摄影测量内业处理。将影像数据从飞机上的相机导出，进行数据处理，生成三维点云数据，并对其进行编辑，删除相关错误点。
        （5）构建河道DOM和DEM模型。对点云数据进行分类，分为地面点和非地面点。利用地面点进行内插，构建河道DOM和DEM模型。
        （6）采集项目范围内所涉及河道的数据。利用探测杆对需要生成断面的位置进行水下深度数据的采集，从而确定水下部分的地形信息。
        （7）生成地形图，数字线划图与河道断面图。利用软件对数据进行处理，从而得到最终成果。
        3无人机摄影测量
        3.1相机标定和图像匹配
        为了提高无人机影像质量与量测精度，必须对其进行相机标定。相机标定是校准相机内方位元素和光学畸变参数的过程，也是实现从二维图像转换到三维信息的重要步骤。相机标定的作用构建相机畸变模型，计算出一组光学畸变参数，包括焦距、主点位置、三个径向失真系数（K1，K2，K3）和两个切向失真系数（P1，P2）。解出光学畸变参数后，就可以利用这些参数实现无人机任意影像的畸变校正，提高影像质量的同时减少影像误差。相机标定需要使用控制点坐标。采用打印有黑白色块的硬纸板作为控制点，所以可采用自动提取特征圆点中心的方法，实现控制点中心的自动精确定位[1]。
        完成相机标定和图像畸变纠正后，就可以进行图像匹配。根据无人机相机位置信息，对外业拍摄的无人机影像进行排列。在相邻影像重叠区域检测公共特征点并完成特征点匹配，为后面的步骤作好准备。
        3.2点云生成和编辑
        根据上一步图像匹配的结果生成河道测区的稀疏点云。在此基础上，根据估算的相机位置计算其深度信息，并采用内插算法将每个相机的深度信息合并为一个完整的密集点云。由于农田中会有一些树木，根据这种未经处理的密集点云生成的DOM和DEM模型会存在拉花和失真的现象。因此，在生成DOM和DEM模型之前，必须对密集点云进行编辑。文中将密集点云自动分为两类，即地面类和非地面类。首先，将密集点云分成固定大小的单元格，在每个单元格中检测高程最低点，利用这些最低点的三角剖分生成DEM模型的初始值。然后，将新点添加到地面类中，前提是它满足两个条件：与DEM模型间隔一定距离，并且DEM模型与线之间的角度与该新点与地面之间的角度小于设定的某个数值。综上，可使用3个参数来控制这两个条件：
        （1）最大角度：将该点划分为地面点时要检查的条件之一，即设置地形模型与将相关点与地面类中的点连接线之间的角度限制。这个参数决定了场景内地面最大坡度[2]。
        （2）最大距离：将该点划分为地面点时要检查的条件之一，即对该点与地形模型之间的距离进行限制。这个参数决定了地面高程的最大变化。

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        （3）单元大小：确定点云的单元格大小，是将其划分为地面点分类过程中的准备步骤。像元大小应该根据实际场景和精度要求来合理设置。
        另外，水面区域应根据测出的水面平均高程进行编辑，将水面区域内的点云高程统一设置为测出的水面平均高程。
        3.3 DEM构建
        多数情况结合无人机影像和RTK测量数据来构建DEM数据，该方式稳定可靠，保证精度的同时也具有较高的作业效率。目前DEM数据的结构一般沿用不规则三角网和规则格网模型。规则格网模型是将所作业区域划分为一个个规则的网格，用一系列规则排列的相同大小网格表示河道区域三维信息。规则格网模型是一种典型的栅格数据结构，更加适宜于直接采用栅格矩阵进行储存。实际应用中，一个地区附近可能只存在少量已知高程的离散测量点，而存在大量未知的高程点。这个情况下需要进行DEM内插。
        4RTK测量方法
        RTK系统主要由基准站、移动站及无线电通讯系统组成。GPS接收机、接收天线、无线电数据链电台及发射天线等组成基准站；GPS接收机及接收天线、无线电数据链接收机和电子手簿等部分组成了流动站[3]。与传统测量方法相比具有定位准确、操作简单、全天候作业等优点。使用RTK技术来测量控制点，通过设置基准站和流动站，实现两者之间的通讯。将流动站放置于控制点的中心位置，保持水准气泡居中及测杆对中，获得该控制点的准确坐标，并保存到手簿中。另外，要考虑到实验河道宽度大小、水的深度，决定是否直接使用测杆放置于数个断面靠近岸边的位置，安全快捷地获得该点的坐标及相应的水深数据[4]。
        5应用案例分析
        5.1工程概况
        本案例农田水利配套工程位于上海市嘉定区，涉及1个灌区，总灌溉面积共计721亩。主要工程建设内容：
        （1）填埋河道河口面积932.4平方米，拟补偿面积932.4平方米。
        （2）平整土地721亩。
        （3）新修地下灌水管道长7.231km，新修排水沟长8.583km，新修倒虹吸4座。
        （4）新修桥梁2座。
        （5）新修道路9034平方米，新修下田坡道48处。
        （6）新修2座双水泵灌溉泵站。
        （7）疏浚土方4523立方米。
        5.2工程进展
        （1）控制点选点及埋设经过现场踏勘和道路实际情况，本项目共布设E级GPS点12个，点号为G1-G12。地形测量控制点点位类型为平面控制点与高程控制点共用点。
        （2）高程控制测量本次工程高程系统采用的是吴淞高程系。平面控制测量本次工程坐标系统采用的是上海城市坐标系统。
        （3）无人机选用的是大疆精灵4RTK，此无人机性能优越，精度高，小巧灵活，适合面积中等的地块测量。
        5.3注意事项
        （1）前期由于环境复杂要先使用无人机高空拍摄，探查障碍物，避免接下来作业时由于无人机飞行高度的问题发生危险。
        （2）开始作业前，流动站要进行初始化，获得固定解后即可开始正常外业观测工作，长时间不能固定时，需要重新连接接收器并初始化。观测过程中卫星失锁时应重新初始化，并在已知点上检核无误后，方可正常工作。
        6结语
        本文将无人机与RTK引入农田水利测量，使用无人机拍摄河道研究区域的影像，利用RTK技术测量控制点坐标及河流深度，基于无人机数字摄影测量技术构建河流DEM模型，最终实现生成地形图、数字线划图，河道断面图等设计规划所需要的数据成果。与传统方法相比，文中方法操作简单、工作量小、作业效率高，能满足农田水利项目的测量工作。
        参考文献：
        [1]杨玉川. 杨兴国. 周顺文等. 小型无人机技术在河道治理工程中的应用研究[J]. 水电站设计，2018，（03）：30-35.
        [2]宋强. 王昆仑. 黄祚继，等. 浅议低空无人机在河道管理中应用研究[J]. 治淮，2019，（05）：56-57.
        [3]肖芳腾.GPS-RTK技术在水利工程测量中的精度控制[J].河南水利与南水北调，2019，48（04）：55-56.
        [4]李少鹏，刘俊卿，崔波.全站仪和GPS-RTK在水文河道测量中的应用[J].河南水利与南水北调，2019，48（01）：71-74.