崔坤生
(福建省港航勘察科技有限公司,福建 福州 35009)
近海岸的地形受潮流、人類活動影響大,水深淺、底質(zhì)軟,地形變化周期短。常規(guī)的全站儀、GNSS測量和船載聲吶水深測量的測量方法效率低、精度差、產(chǎn)品單一,在近岸淺灘、島礁等諸多區(qū)域受客觀因素的影響,測繪成果精度難以保證,現(xiàn)場作業(yè)人員安全風險高。
近年來,隨著無人機航測系統(tǒng)硬件和軟件處理技術(shù)迅猛發(fā)展,無人機航測已成為一種新興的測量手段,以其操作簡單、外業(yè)工作量小、效率高的優(yōu)點,深受各行各業(yè)的青睞,在測繪領(lǐng)域已廣泛應用于空間規(guī)劃、海洋環(huán)境監(jiān)測、國土資源調(diào)查、城市測繪、應急保障等方面[1]。國內(nèi)外學者對無人機航測技術(shù)在陸地地形測量方面研究較多,陳玲[2]等研究了低空無人機航攝系統(tǒng)在四川地形測繪中的應用;李軍[3]等對無人機航測1∶1000測繪精度進行了研究,但在水陸交界的海岸地形測量尤其是潮間帶(灘涂)測量方面應用研究較少。本文從航測系統(tǒng)構(gòu)成、生產(chǎn)流程、精度控制等方面進行分析研究,并結(jié)合工程實例對成果精度進行檢驗和評價,驗證了無人機航測技術(shù)在海岸地形測量中的可靠性,為同類項目應用提供借鑒。
無人機航測系統(tǒng)包括外業(yè)航測系統(tǒng)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)兩大部分。外業(yè)航測系統(tǒng)是以無人機作為飛行平臺,影像傳感器作為任務設備的低空影像獲取系統(tǒng)。常用的無人機飛行平臺分為固定翼和多旋翼兩類,集成了飛控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、GNSS定位系統(tǒng)、POS定位定姿系統(tǒng)等。影像傳感器包括高分辨率CCD數(shù)碼相機、輕型光學相機、近紅外相機等。
內(nèi)業(yè)影像處理軟件是空中三角測量計算能力和成圖精度的關(guān)鍵,目前國內(nèi)常用的無人機影像處理軟件主要有ContextCapture、Pix4Dmapper、DPGrid、PHOTOMOD、Inpho、IPS等,從成圖精度來看,以上軟件均能滿足正射影像處理和大比例尺成圖的要求[4]。
無人機航測生產(chǎn)流程主要分為測區(qū)資料收集、航線規(guī)劃、像控點采集、外業(yè)航空攝影、影像質(zhì)量檢查、空三加密、DEM和DOM生產(chǎn)、內(nèi)業(yè)立體測圖、外業(yè)調(diào)繪、數(shù)據(jù)檢查驗收等。生產(chǎn)流程(如圖1所示):
圖1 無人機航測生產(chǎn)流程圖
無人機航測技術(shù)核心的原理是求解地面點、攝影中心點和像點三點的共線方程,主要誤差來源包括像片的地面分辨率和影像質(zhì)量、相機鏡頭畸變、像片外方位元素測量精度。要提高航測成果精度,必需保證必要的測量條件。
高精度POS數(shù)據(jù)是像片6個外方位元素求解的基礎,無人機搭載的GNSS模塊運用網(wǎng)絡RTK實時差分技術(shù)進行連續(xù)觀測,同時記錄相機曝光瞬間的時間。利用軟件解算獲取每張像片的高精度位置數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)。航測區(qū)域內(nèi)要求網(wǎng)絡RTK信號穩(wěn)定、盡可能實現(xiàn)相機實際曝光時間與機載GPS記錄的曝光時間同步。
無人機搭載的輕型航測相機通常為非量測型相機,存在鏡頭畸變較大的光學缺陷,對像片邊緣部分影響極大。因此,航測相機應定期進行參數(shù)檢核,主要包括相機焦距、主點偏移量和畸變系數(shù)。根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)要求,主點坐標中誤差不應大于10μm,相機主距中誤差不應大于5μm,殘余畸變差不應大于0.3像素。本文實例中使用的相機為新購買相機,出廠時已檢定,參數(shù)符合規(guī)范要求。
地面分辨率是成果精度的關(guān)鍵,航攝影像質(zhì)量直接影響影像判讀準確度。根據(jù)測圖比例尺的要求,按照式(1)計算飛行高度。
式中,h表示飛行高度;f表示鏡頭焦距;a表示像元尺寸;GSD表示地面分辨率。
為提高影像質(zhì)量,應選用高分辨率相機、降低航高、提高地面分辨率。根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定,測圖比例尺1∶500地面分辨率≤5cm,測圖比例尺1∶1000地面分辨率為5~8cm。
除以上3點因素外,影響航測成果精度的其他因素包括天氣、像片重疊度、曝光時間等。
(1)天氣因素主要包括風、霧、光照強度等。當風速過大時,會造成無人機飛行速度和姿態(tài)變化大,導致像片扭曲大、傾角大;能見度低、光線不足則直接導致像片的清晰度和分辨率達不到要求。
(2)航攝像片保持足夠的重疊度是保障成果精度的關(guān)鍵。由于相機畸變客觀存在,所以應盡可能利用像片中心部分。提高重疊度可以增加內(nèi)業(yè)空中三角測量可利用的連接點數(shù)量,降低像片畸變糾正過程中的影像糾正誤差。
(3)像點位移會降低影像解析能力,影響判讀精度。為減少像點位移應盡量縮短曝光時間?!兑?guī)范》規(guī)定像點位移一般不應大于1個像素。因此,外業(yè)航測中要適當降低飛行速度,縮短曝光時間以提高影像質(zhì)量。
綜上所述,選擇高質(zhì)量的相機、高精度的POS、低速度穩(wěn)定性好的無人機飛行平臺、適宜的飛行條件是開展無人機航測工作的基礎。通過航線優(yōu)化設計、合理布設像控點、增加像片重疊度或增加構(gòu)架航線是提升航測成果精度的重要手段。
以福建省沿海某市港口岸線規(guī)劃利用項目為例,測區(qū)位于河流入海口附近,地勢平坦,養(yǎng)殖多,潮差較小,潮間帶寬約100m??紤]到傳統(tǒng)測量方式無法覆蓋全區(qū)域,尤其是干出灘內(nèi)分布有稀疏的紅樹林、漁網(wǎng),人工測量效率極低。除河流中心溝槽需進行水深測量外,其余部分采用無人機航測獲取平面和高程,測量面積9.2km2,按1∶1000測圖比例進行航攝,測量范圍(如圖2所示):
圖2 航測范圍
3.1.1 航測系統(tǒng)介紹
本次航測采用大疆經(jīng)緯M300RTK多旋翼無人機搭載賽爾6100航測相機,高精度差分GNSS模塊,能夠提供高精度定位數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)。飛機重量6.3kg,最大飛行速度23m/s,最長飛行時間55min,最大可承受15m/s風速,最大信號有效距離15km,具有自動航線規(guī)劃和一鍵起飛功能。搭載的賽爾相機全畫幅6100萬像素,地面最小分辨率1.5cm。飛機標稱水平定位精度±(1cm+1ppm),垂直定位精度±(1.5cm+1ppm)。
3.1.2 像控點布設與測量
像控點布設采用區(qū)域網(wǎng)布點方案,布點間距綜合考慮成圖精度、現(xiàn)場地形特點以及施測條件等因素。測量前,在測區(qū)范圍內(nèi)平坦區(qū)域均勻布設18個像控點,位置分布(如圖3所示):
圖3 像控點位置圖
布設的像控點能有效控制目標區(qū)成圖范圍,并用校正后的GNSS-RTK采集每個像控點的平面坐標及高程。
3.1.3 航測實施
航攝時間選擇天氣晴朗、低平潮期間進行,利用飛控軟件設計飛行航線,分4個架次飛行,航攝面積9.2km2,航攝參數(shù)(如表1所示)。航攝完成后,檢查像片數(shù)量、質(zhì)量,POS數(shù)據(jù)完整性,像片的重疊度、傾斜角、旋偏角、航高差等參數(shù)。
表1 本項目航攝參數(shù)表
將外業(yè)像片、像控點坐標、POS數(shù)據(jù)及相機參數(shù)導入Pix4Dmapper軟件中進行自動計算,處理流程包括初始化處理、點云編輯、DSM和正射影像生產(chǎn)3個步驟(如圖4所示)。Pix4Dmapper軟件處理技術(shù)利用影像同名點自動相關(guān)技術(shù)提取同名地物點,采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差,并引入外業(yè)采集的像控點三維坐標進行約束平差。在影像模糊、比例尺變化差異較大處通過人工調(diào)節(jié)圖像之間連接點的數(shù)量以提高精度。數(shù)據(jù)處理結(jié)束后,對公共像控點和檢查點進行誤差統(tǒng)計。
圖4 Pix4Dmapper軟件處理流程圖
本次航測影像平面坐標和像控點平面坐標均采用WGS84坐標系,高程采用1985國家高程基準。根據(jù)軟件處理結(jié)果,平均分辨率為4.58cm,每個圖像中含有25200個特征點,相機參數(shù)相對偏差1.13%,每張校準圖像匹配特征點中數(shù)為10457個,影像配準中含有18個地面控制點,像控點點位誤差分布(如圖5所示),精度統(tǒng)計(如表2所示),各項誤差均在允許范圍之內(nèi)。
表2 像控點精度統(tǒng)計表 單位:cm
圖5 像控點點位誤差分布圖
本次航測精度采用人工地面測量進行檢驗。航測前,人工手持同等精度的GNSS-RTK在測區(qū)內(nèi)平坦地區(qū)實測房屋拐角、道路交叉點、電桿等明顯地物作為檢查點,同時采集平面坐標和高程。在潮間帶采用人工測量4條檢查線的高程,檢查線垂直海岸線,點間距為10m,共采集117個高程點;在陸地區(qū)域共采集49個平面和高程檢查點。
將Pix4Dmapper軟件生成的DSM和正射影像導入立體測圖軟件中恢復立體模型,在模型中加載人工測量檢查點的展點位置,測量出檢查點的三維坐標(X,Y,Z)。將人工RTK測量的檢查點坐標作為真值與無人機航測成果進行比較,根據(jù)式(2)計算中誤差Ms,結(jié)果(如表3所示):
表3 人工RTK測量檢測互差 單位:m
式中:Δ為真誤差;n為觀測點數(shù)。為更好地了解數(shù)據(jù)精度,本次也對坐標互差的分布區(qū)間做了統(tǒng)計(如圖6所示):
圖6 平面及高程互差分布區(qū)間圖
由檢查點檢驗統(tǒng)計情況可知,陸域檢查點的平面坐標點位中誤差為±0.042m,最大值為0.079m。高程中誤差為±0.091m,最大值為0.257m,其中大于0.2m的點數(shù)僅有4個,占檢查點總數(shù)的2.4%。高程比對結(jié)果顯示,互差較大的區(qū)域處于灘涂分布集中的測區(qū),該區(qū)域像控點布設較少,且影像反射強烈。
根據(jù)《水運工程測量規(guī)范》規(guī)定:地形測量重要地物點的點位中誤差為圖上±0.6mm,高程中誤差小于1/3等高距。兩項指標均小于規(guī)范規(guī)定的1∶1000及以下大比例尺地形圖的限差要求。
低空無人機航測技術(shù)流程簡單、易操作,不僅可以很好地解決海岸地形測量尤其是潮間帶測量的難題,比傳統(tǒng)的測繪方法速度快、效率高,而且能夠同時提供高精度正射影像、DEM和DLG產(chǎn)品,精度滿足1∶1000及以下大比例尺海岸測量的要求,但仍存在一些不足:
(1)無人機航測不能完全替代野外作業(yè)。海岸測量受潮汐影響大,在紅樹林和水草等植被覆蓋區(qū)、建筑密集區(qū)、水淹區(qū)以及低潮期間仍無法航測的區(qū)域,仍需外業(yè)實地測量和水深測量進行補充;
(2)相比于陸地無人機航測,海岸逐漸向海洋延伸靠近水域,像控點的布設是一項非常困難的工作,也是影響成果精度的關(guān)鍵,尤其灘涂區(qū)域航測像控點布設工作量會成倍增加;
(3)海岸區(qū)域地貌特征以灘涂、沙灘、巖石為主,地物要素單一,影像反差較小[5],空中三角測量采集影像特征點比較困難,離水域越近精度越低;
(4)無人機航測對天氣要求較高,沿海地區(qū)天氣多變,作業(yè)窗口小,且鳥類眾多,對無人機飛行安全會造成一定的影響。