無(wú)人機(jī)技術(shù)在淤泥灘地形測(cè)量中的應(yīng)用

◎ 曹忠良 劉百仲 中交廣州航道局有限公司

1.引言

近年來(lái)無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)在我國(guó)得到了快速發(fā)展和普及，整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)也逐步成熟和完善，在工程測(cè)量、地籍調(diào)查、數(shù)字城市等測(cè)繪行業(yè)已能達(dá)到無(wú)人機(jī)航測(cè)1:500、1:1000、1:2000等大比例尺測(cè)繪需求。具有活動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、成圖精度高、產(chǎn)品豐富、節(jié)約成本等特點(diǎn)，特別在測(cè)量人員和傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備都無(wú)法實(shí)施的區(qū)域也能應(yīng)用。下面以汕頭市內(nèi)海灣清淤工程項(xiàng)目為例，分析無(wú)人機(jī)在淤泥質(zhì)淺灘測(cè)量中的應(yīng)用和精度分析。

2.工程實(shí)踐

汕頭市內(nèi)海灣清淤工程，位于汕頭市中心，是龍湖區(qū)和濠江區(qū)的分界水道。北面緊鄰龍湖區(qū)城區(qū)，南面是礐石風(fēng)景名勝區(qū)，東側(cè)以汕頭海灣大橋以東700m為界，西側(cè)到汕頭礐石大橋以西1500m。本次無(wú)人機(jī)飛行測(cè)量主要是工程沿岸低潮漏出水面部分，且沿岸都是淤泥質(zhì)淺灘，部分淤泥厚度達(dá)到2 米以上，人員進(jìn)入極其危險(xiǎn)且一般陸地測(cè)量設(shè)備RTK都無(wú)法使用，典型地形如圖1、圖2所示。

圖1 沿岸淺灘

圖2 沿岸淺灘

按測(cè)圖比例尺和測(cè)量規(guī)范要求，該淺灘區(qū)域高程測(cè)量精度要求是≤0.2 m，為滿足項(xiàng)目要求決定采用采用大疆精靈Phantom 4 RTK 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行低空攝影測(cè)量，Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)內(nèi)置相機(jī)，照片分辨率為5472×3078，按照地面分辨率G SD=2.74 cm/pix 進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，影像數(shù)據(jù)滿足1:2000比例尺的線畫(huà)圖、正射影像圖的成圖精度要求。定位系統(tǒng)采用高精度GNSS 模塊，可實(shí)時(shí)接收千尋COR S播發(fā)的厘米級(jí)網(wǎng)絡(luò)RT K信號(hào)，優(yōu)良的飛控系統(tǒng)、厘米級(jí)定位精度，以及內(nèi)置的姿態(tài)傳感器，可以獲取高精度的POS信息。

3.無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)區(qū)實(shí)際地形情況，主要對(duì)岸邊淺灘區(qū)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量，結(jié)合Trimble R10 GNSS型GPS RTK與大疆精靈Phantom 4 RTK無(wú)人機(jī)航攝結(jié)合的方式對(duì)淤泥灘區(qū)域進(jìn)行三維坐標(biāo)采集。儀器狀態(tài)良好，經(jīng)檢定各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。攝影測(cè)量的實(shí)施流程如下：

3.1 準(zhǔn)備工作

主要有現(xiàn)場(chǎng)像控點(diǎn)布設(shè)，在所測(cè)區(qū)域布置一定數(shù)量的像控點(diǎn)（見(jiàn)圖3），像控點(diǎn)采用專用的黃紅色像控點(diǎn)標(biāo)志，像控點(diǎn)布設(shè)在平坦區(qū)域，沿岸布設(shè)并保證45°高度角范圍內(nèi)無(wú)明顯障礙物遮擋，無(wú)陰影遮蓋。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)像控點(diǎn)

像控點(diǎn)測(cè)量，采用天寶R 10 型號(hào)GPS接收機(jī)，接收廣東COR S播發(fā)的網(wǎng)絡(luò)RTK信號(hào)。每測(cè)量前，均在測(cè)區(qū)附近的控制點(diǎn)上進(jìn)行了坐標(biāo)比對(duì)，其點(diǎn)位中誤差滿足規(guī)范要求后再進(jìn)行像控點(diǎn)三維數(shù)據(jù)的采集，采集后的三維數(shù)據(jù)作為內(nèi)業(yè)處理的原始數(shù)據(jù)。

3.2 航線布設(shè)

航攝區(qū)域高程在-2m～10m之間，根據(jù)規(guī)范要求，比例尺不小于1:7000時(shí)，分區(qū)內(nèi)的地形高差不應(yīng)大于六分之一相對(duì)航高，因此本次選取航高為100m。航線按照東西方向布設(shè)，航向重疊度80%，旁向重疊度70%（見(jiàn)圖4），保證照片之間有足夠的重疊度；將計(jì)劃測(cè)量范圍導(dǎo)入飛控軟件中，軟件根據(jù)測(cè)量范圍和飛行參數(shù)自動(dòng)規(guī)劃航線。

圖4 航攝因子

3.3 航攝飛行

選擇合適的攝影測(cè)量時(shí)間，天氣良好、光照適當(dāng)，風(fēng)速在無(wú)人機(jī)安全的情況下飛行，在測(cè)區(qū)中選擇平坦區(qū)域，作為無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地，周圍無(wú)水塘、高樓、樹(shù)木等遮擋物，確保起降過(guò)程中人員和設(shè)備的安全。對(duì)飛行后的影像逐一檢查，對(duì)不能滿足要求的相片進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)飛補(bǔ)測(cè)。

3.4 航攝數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

準(zhǔn)備好相關(guān)原始資料，主要包括：影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)數(shù)據(jù)、外業(yè)記錄數(shù)據(jù)等。檢查獲取的影像中有無(wú)質(zhì)量不合格的相片，同時(shí)查看POS文件，主要檢查航帶變化處的相片號(hào)，防止POS數(shù)據(jù)中的相片號(hào)與影像數(shù)據(jù)的相片號(hào)不對(duì)應(yīng)。當(dāng)不對(duì)應(yīng)時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，使其完全匹配。將WGS84格式的POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為2000國(guó)家平面坐標(biāo)和1985國(guó)家高程。

測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，采用瑞士Pix4D 公司研發(fā)的“PIX4D Mapper”軟件，主要處理過(guò)程是：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備→新建工程（數(shù)據(jù)導(dǎo)入）→快速處理檢查→刺出控制點(diǎn)→全自動(dòng)處理→輸出成果。

在PIX4D軟件中，得到的成果有數(shù)字正射影像（DOM）和數(shù)字高程模型（DEM），兩者均輸出為tiff格式文件。無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量的主要目的是獲取測(cè)區(qū)內(nèi)的地形高程點(diǎn)，以進(jìn)行工程量計(jì)算等。為了得到測(cè)區(qū)內(nèi)的高程數(shù)據(jù)，采用北京山維科技有限公司的EPS軟件，提取測(cè)區(qū)的高程點(diǎn)。當(dāng)所有的高程點(diǎn)采集完成之后，可以將高程點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為南方CASS的數(shù)據(jù)格式，也可以輸出為AutoCAD的DWG格式文件。

4.無(wú)人機(jī)飛行精度分析

4.1 平面高程精度

PIX4D軟件數(shù)據(jù)處理流程完成后，會(huì)對(duì)本次攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)處理的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定，并生成相應(yīng)的質(zhì)量報(bào)告。

根據(jù)PIX4D的質(zhì)量報(bào)告，像控點(diǎn)刺點(diǎn)精度的平均中誤差為0.014m，點(diǎn)位精度滿足1:2000測(cè)圖的要求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)岸邊RTK校對(duì)無(wú)人機(jī)飛行所得點(diǎn)位，抽取了沿岸約50個(gè)點(diǎn)，合格率為98.6%，中誤差約0.11m，滿足測(cè)量精度要求，如表1所示，由于篇幅問(wèn)題僅列舉少量點(diǎn)位示意。

表1 同一位置點(diǎn)位高程精度統(tǒng)計(jì)表

4.2 提高精度的方法

無(wú)人機(jī)飛行測(cè)繪過(guò)程中精度受影響的因素有很多，主要影響因素有：飛行控制技術(shù)、相機(jī)質(zhì)量、技術(shù)方案，測(cè)區(qū)自然條件等。

圖5 像控點(diǎn)精度誤差統(tǒng)計(jì)

飛行控制技術(shù)：外業(yè)測(cè)量的時(shí)候要盡量設(shè)置好飛行的速度，人員在操控飛行時(shí)要時(shí)刻關(guān)注飛行屏幕，避免飛機(jī)過(guò)大抖動(dòng)和側(cè)翻，盡量避免速度太快使得影像產(chǎn)生位移，從而產(chǎn)生模糊的影像得到失真的圖片，內(nèi)業(yè)處理也相對(duì)比較麻煩。

相機(jī)質(zhì)量：如果相機(jī)物鏡存在較大色差和畸變差，而畸變差會(huì)使被攝物體與影像之間不能保持精確的相似性，造成影像幾何變形。相機(jī)的分辨率決定了成像的精度，飛行前一定要檢測(cè)好相機(jī)航拍前后的相機(jī)畸變參數(shù)，飛行時(shí)盡量使用分辨率較高的鏡頭。

技術(shù)方案設(shè)計(jì)：在實(shí)測(cè)前一定要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況布設(shè)合適的測(cè)線和像控點(diǎn)，根據(jù)測(cè)區(qū)的大小和風(fēng)向陽(yáng)光照射條件布設(shè)一定間距和方向的測(cè)線。像控點(diǎn)位置的選取也很關(guān)鍵，盡量選擇易區(qū)分和地行起伏不大的地方，沿著測(cè)區(qū)周圍均勻布設(shè)，像控點(diǎn)測(cè)量時(shí)，盡量使用高精度的測(cè)量設(shè)備，使像控點(diǎn)的原始坐標(biāo)精度更高，提高內(nèi)業(yè)轉(zhuǎn)刺精度，從而提高成圖質(zhì)量。內(nèi)業(yè)處理時(shí)選擇合適的處理軟件，提高影像匹配精度。

其次在設(shè)計(jì)飛行高度時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件綜合考慮盡量離地面近，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)離地面越近，地面分辨率數(shù)值就越小，則測(cè)量精度越高。

測(cè)區(qū)自然條件：外業(yè)測(cè)量時(shí)要選擇天氣條件良好的情況下測(cè)量，盡量避免風(fēng)力太大的情況下實(shí)測(cè)，由于成像受陽(yáng)光照射影像，以免造成地物成像不清晰和陰影過(guò)大，建議上午10點(diǎn)到下午2點(diǎn)之間飛行，這樣照片中的陰影更少，對(duì)后期的處理會(huì)有所幫助。還要避免在光照條件不佳的時(shí)刻進(jìn)行作業(yè)，如日落黃昏時(shí)刻內(nèi)業(yè)處理時(shí)必然是難以區(qū)分地物。

最后在內(nèi)業(yè)處理時(shí)，飛行區(qū)域如果有少量水面，外業(yè)采集時(shí)必然產(chǎn)生少量的假高程點(diǎn)，在處理內(nèi)業(yè)時(shí)結(jié)合外業(yè)拍攝的影像將這部分?jǐn)?shù)據(jù)剔除，提高成圖數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

5.結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，本文詳細(xì)描述了無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在淤泥灘涂區(qū)域?qū)崪y(cè)的流程和精度的分析，介紹了此種測(cè)量方法的可行性。此技術(shù)效果明顯，極大的減輕了外業(yè)測(cè)量的強(qiáng)度，減少了測(cè)量時(shí)間和提高了工作效率，其測(cè)量成果能滿足項(xiàng)目的高精度要求。