低空攝影測量在水利工程中的應(yīng)用

張福友

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

低空攝影測量在水利工程中的應(yīng)用

張福友

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

低空無人機攝影測量系統(tǒng)采用APS核心算法——立體匹配算法的特點與優(yōu)勢,利用瑞士eBee低空無人機攝影測量系統(tǒng)，結(jié)合珠江三角洲水資源配置工程應(yīng)用，其工作流程與特點。通過對成果精度分析、實際使用效果以及效率對比等總結(jié)出其在工程規(guī)劃、選址方面的優(yōu)勢,提高工程建設(shè)效率。

低空攝影測量；eBee；立體匹配算法；水利工程；工程規(guī)劃選址

隨著科技的發(fā)展,無人機特別是低空無人機已經(jīng)慢慢走進各行各業(yè)。低空無人機操作簡單、易學(xué)易掌握、對天氣和起飛降落場地要求低、智能化程度高、人工干預(yù)少、具有智慧型的安全機制與飛行記錄、電力推動便于攜帶等優(yōu)點。這些優(yōu)點使無人機被各行業(yè)開發(fā)利用,并成為焦點。

低空無人機攝影測量是當(dāng)今世界興起的多學(xué)科交叉高新技術(shù),具有低成本、高效率、安全、靈活等特點。無人機攝影測量系統(tǒng)集成了無人駕駛飛行器、遙感技術(shù)以及GNSS導(dǎo)航定位等高端科技技術(shù),具有高機動性、低成本、便捷式、實時觀測、專用化等眾多優(yōu)勢,并且獲取的遙感影像的空間分辨率和時間分辨率都較高,是傳統(tǒng)航空攝影測量的技術(shù)延伸和技術(shù)創(chuàng)新的產(chǎn)物,廣泛應(yīng)用于測量、土地調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測、城市管理、園林綠化、科學(xué)研究、企事業(yè)宣傳、旅游、交通、水利等領(lǐng)域[1]。

1 低空無人機攝影測量系統(tǒng)

當(dāng)今低空無人機攝影測量技術(shù)正快速發(fā)展。國內(nèi)有許多品牌,比如深圳飛馬、深圳速鳥、北京麥格天渱、武漢智能鳥等。國外的有Sensefly、3D Robotics、Parrot、AscTec、Microdrones、Flytrex Sky等。國內(nèi)外無人機相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展,無人機系統(tǒng)種類繁多、用途廣、特點鮮明,致使其在尺寸、質(zhì)量、航程、航時、飛行高度、飛行速度,任務(wù)等多方面都有較大差異。按平臺類型，無人機可分為固定翼無人機、旋翼無人機、無人飛艇、傘翼無人機、撲翼無人機等。相比其他無人機而言,eBee具有不可替代的優(yōu)點。

eBee是一款三角固定翼無人機,質(zhì)量不到700 g,機身采用模塊化設(shè)計,外殼采用輕便高分子泡沫材料包裹,所有部件可拆卸到一個運輸箱內(nèi)。安裝與拆卸方便簡單,起飛前只需要2 min就能完成安裝、檢查、測試等準(zhǔn)備工作。相比油機等體積大的無人機而言,ebee顯得小巧玲瓏,容易攜帶,可以一個人輕松完成所有外業(yè)；特別是在應(yīng)急工程上,大體積無人機需要借助較長的跑到或者彈射才能起飛,而一般應(yīng)急工程,比如泥石流、洪澇災(zāi)害、塌方等自然災(zāi)害現(xiàn)場都是存在著場地狹小的限制,而eBee采用的手拋就能起飛的設(shè)計很好的解決了這些限制；再者,大體積無人機體積大,質(zhì)量能達到幾十千克,油機裝置幾升甚至十幾升汽油,如果出現(xiàn)意外，造成第三方傷害后果不堪設(shè)想。eBee的重量之輕,假如出現(xiàn)意外,下落過程中空氣阻力足以限制其下降速度,就算碰到其他東西,其泡沫外殼也足以將傷害程度大大降低；eBee采用智能化設(shè)計,只需輸入地面解析度、重疊度、測量范圍即可自動設(shè)計出安全、高效、最優(yōu)化的航線。飛行過程中出現(xiàn)低電量、離地面高度過低、與電臺鏈接信號過弱、衛(wèi)星信號過弱等情況均有提示并能作出智能化的抉擇以保障無人機的安全；不過eBee也存在自身的缺點,比如續(xù)航能力只有40 min左右、相機只有1 600萬像素。綜上所述,eBee更適合使用在起降場地限制多、應(yīng)急救災(zāi)、測區(qū)面積小、山地型復(fù)雜等工程。

eBee附帶的數(shù)據(jù)處理軟件Menci Software APS具有高度自動化特點,還能一鍵生成多種數(shù)據(jù)成果(DOM、DSM、點云數(shù)據(jù))等優(yōu)點,其數(shù)據(jù)處理工作流程如圖1所示。

圖1 APS工作流程示意

其中數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、特征點查找、特征點匹配、約束平差、生成光柵概圖均自動處理,只需要人工選擇數(shù)據(jù)、選擇范圍、像控點刺點,最終能生成DTM、DOM、DSM等成果數(shù)據(jù)。自動化程度高,人工干預(yù)少。值得一提的是特征點查找和特征點匹配,也是APS的核心算法—立體匹配算法[2]。

圖像的立體匹配即給定同一場景的2幅圖像,尋找同一場景點投影到圖像中的像素之間的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)考慮的是基于像素點的還是基于區(qū)域塊,可以分為基于像素點的匹配與基于區(qū)域的匹配。立體匹配算法通常是通過構(gòu)建能量函數(shù)試圖獲得圖像的某些全局性質(zhì),即全局能量最小化。APS的匹配算法正是基于全局優(yōu)化策略的區(qū)域匹配算法。其主要包括以下3步。

1) 圖像預(yù)處理——由于拍攝照片的時候難免會有傳感器的噪聲和光度的扭曲,而這都會對視差的計算帶來嚴(yán)重影響,常用的解決方法有,高斯拉普拉斯濾波[3],直方圖均衡化,中值濾波[4],雙邊濾波[5]等,通過這些濾波將每張圖像進行去噪、均光等預(yù)處理。

2) 匹配代價計算——對匹配代價的計算通常有4種方法AD(公式1)、SD(公式2)、SAD(公式3)與SSD(公式4),從而能得到元素的不同視差匹配代價所組成的初始視差空間。

CdataAD(dx)=abs(IL(x)-Ir(x+dx)

(1)

CdataSD(dx)=(IL(x)-IR(x+dx))2

(2)

CdataSAD(dx)=∑abs(IL(x)-IR(x+dx)

(3)

(4)

3) 視差的優(yōu)化計算——大多數(shù)立體匹配算法計算出來的視差是離散的,常常視差值都是整數(shù),然而實際上是連續(xù)的,在獲取初始視差后可以采用一些措施對視差進行細(xì)化,非整數(shù)視差,或者直接采用亞像素精度法,即將原圖像進行水平拉伸,再對行像素點進行模糊。

將匹配問題轉(zhuǎn)換為一個能量方程,然后通過求解該能量方程的最小值來求取視差值。能量方程通常具有以下的形式:

(5)

其中Cdata(dx)是數(shù)據(jù)項用來約束像素點在偏移前后的變化盡量小,V(dx,dx-1)是光滑項,約束像素點在偏移前后與周圍像素點的關(guān)系變化盡量小。

2 工程應(yīng)用

規(guī)劃中的“珠江三角洲水資源配置工程”是國務(wù)院批準(zhǔn)的《珠江流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》提出的重要水資源配置工程,也是國務(wù)院要求加快建設(shè)的全國172項節(jié)水供水重大水利工程之一。該工程從珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部,主要供水目標(biāo)是廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū),解決東部地區(qū)城市長遠用水問題。工程取水口初擬在佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)的西江干流河段及東海水道,輸水線路由西向東布置,沿途經(jīng)過佛山市順德區(qū)、廣州市番禺區(qū)、南沙區(qū)、東莞市虎門鎮(zhèn)、長安鎮(zhèn)、深圳市寶安區(qū),交水到廣州市南沙區(qū)萬頃沙水廠、東莞市五點梅水庫和深圳市羅田水庫[6]。本工程建筑物類型主要有：泵站、輸水管道、輸水隧洞(含盾構(gòu)隧洞)。

該工程要求提供北線方案1∶2 000現(xiàn)勢性強的正射影像,北線方案為東西走向,從順德至深圳全長約92km,測量寬為600m。坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系,高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)高程系統(tǒng)。測區(qū)范圍如下圖2所示。

圖2 攝影測量范圍示意

測區(qū)位于發(fā)達城市中,人口密集、建筑物高聳、魚塘農(nóng)田密布、城市交通網(wǎng)與河網(wǎng)縱橫交錯,起降場地的選擇限制較多等。根據(jù)測區(qū)特點,基于機動靈活、安全方便等考慮,采用eBee無人機航空攝影系統(tǒng)完成該任務(wù)。航攝主要技術(shù)參數(shù)為：地面解析度為0.2m,70%的旁向重疊及75%的航向重疊,絕對航高 649m。像控點均勻布設(shè)104個。外業(yè)耗時4d,內(nèi)業(yè)處理耗時12d。航線布設(shè)(部分)如圖3所示。

圖3 航線布設(shè)示意

利用MenciSoftwareAPS攝影測量數(shù)據(jù)處理軟件,將原始照片、照片姿態(tài)文件、像控點坐標(biāo)文件導(dǎo)入軟件,并手動將像控點坐標(biāo)與對應(yīng)照片點刺好。軟件將自動進行立體匹配、空三解算、光束法平差、立體成圖等一系列工作。最終生成正射影像、點云數(shù)據(jù)、地面模型成果。該工程主要要求提供正射影像,生成正射影像(順德段)如圖4所示。

圖4 正射影像成果(順德段)

處理報告顯示,像控點的最大平面中誤差值為0.12m,最大高程中誤差值為0.05m,平面中誤差均值為0.01m,高程中誤差均值為-0.01m,像控點殘差完全滿足1/2 000比例尺正射影像圖的國家標(biāo)準(zhǔn),即像控點平面中誤差不大于0.2m和高程中誤差不大于0.1m的中誤差要求[8]。

從檢查驗收報告可知：外業(yè)利用GNSS-RTK在整個測區(qū)均勻采集724個明顯地物點的三維坐標(biāo),算出其平面中誤差為0.57m,高程中誤差為0.19m。其中最大平面中誤差值為0.83m,最大高程中誤差為0.28m,滿足1/2 000正射影像圖的國家標(biāo)準(zhǔn),即明顯地物點平面中誤差不大于1.2m和高程中誤差不大于0.3m的要求[7-8]。

本次完成1/2 000正射影像約55km2,投入人力為2人,時間為16d,工程車1輛。假如利用傳統(tǒng)的常規(guī)地形測量,需投入人力10人,時間約2個月,工程車2輛。從作業(yè)效率來看,無人機攝影測量的工作效率比傳統(tǒng)常規(guī)地形測量的高出十幾倍,生產(chǎn)成本也比傳統(tǒng)方法低許多。

3 結(jié)語

一般在工程的規(guī)劃或選址階段,對地形圖的精度要求比較低,在沒有攝影測量或者攝影測量還不成熟的年代,一般工程規(guī)劃選址都依靠1∶10 000或者更小比例尺的地形圖。目前攝影測量技術(shù)比較成熟,尤其低空無人機攝影測量更是方便快捷、靈活機動、成本低廉；加上其生成的成果有正射影像、地表模型、點云數(shù)據(jù)、三維立體圖等；精度方面也能達到規(guī)劃選址的要求；效率方面比傳統(tǒng)地形測繪高,減少人力物力時間的投入等。可以說目前攝影測量成果能更好的滿足工程的需求,很大程度上能代替?zhèn)鹘y(tǒng)地形圖在工程規(guī)劃選址階段中的地位。

低空無人機攝影測量目前已經(jīng)逐步成為測量行業(yè)領(lǐng)域不可或缺的一部分,在提高整個行業(yè)的工作效率上有著重要的意義,非常有效的滿足了我國測繪應(yīng)急的需求。是我國加快數(shù)字化城市建設(shè)的重要保證。

[1] 張文博. 無人機航測技術(shù)在土地綜合整治中的應(yīng)用研究[D].長沙:長沙理工大學(xué),2013．

[2] 于乃功,秦永鋼,阮曉鋼.立體匹配算法進展[J]. 計算機測量與控制, 2009 (5): 817-819．

[3]KanadeT,KanoH,KimuraS,etal.Developmentofavideo-ratestereomachine[C]∥intelligentrobotsandsystems, 1995: 95-100.

[4]RobotvisP.RealTimeCorrelation-BasedStereo:Algorithm,ImplementationsandApplications[J].Inria, 1995.

[5]AnsarA,CastanoA,MatthiesL.Enhancedreal-timestereousingbilateralfiltering[C]∥InternationalSymposiumon3dDataProcessing,VisualizationandTransmission, 2004. 3dpvt2004.Proceedings.IEEE, 2004:455-462.

[6] 朱方敏,譚亮.珠江三角洲水資源配置工程項目建議書設(shè)計階段測量任務(wù)書[R].廣州：廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,2015.

[7] 水利水電工程測量規(guī)范：SL197—2013[S]．

[8] 數(shù)字測繪成果質(zhì)量檢測與驗收：GB/T18316—2008[S]．

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Application of Low Altitude Photogrammetry to Hydrographic Engineering

ZHANG Fuyou

(Guangdong Hydropower Planning and Design Institute, Guangzhou 510635, China)

The characteristics and advantages of low-altitude UAV photogrammetry system were introduced in this paper, using the Swiss eBee low-altitude UAV photogrammetry system based on the actual engineering application to illuminate its working process and characteristics. Based on the results of precision analysis, actual using effect and efficiency, etc., it is summarized preponderant in project planning and site selection, improving the efficiency of project construction.

low altitude photogrammetry; eBee; stereo matching algorithm; hydrographic engineering; project site selection

2016-08-22;

2016-11-05

張福友(1987),男,本科,工程師,從事水利水電測量工作。

P231.5