基于無人機遙感技術(shù)的潮間帶高程測量方法

唐遠(yuǎn)彬，劉 文，任少華

(浙江省河海測繪院，杭州 310008)

0 引言

潮間帶是指岸線至理論最低潮面(理論深度基準(zhǔn)面)0 m線之間的區(qū)域［1］。傳統(tǒng)的潮間帶測量主要通過采集潮間帶地物、地形地貌、高程以及平均大潮高潮線(岸線)和最低低潮線等數(shù)據(jù)進(jìn)行。目前，根據(jù)海灘性質(zhì)將潮間帶高程測量方法分為水下地形測量和直接上灘測量2種:在深水區(qū)域采用DGPS(difference global positioning system)結(jié)合單波束回聲測深儀進(jìn)行水下地形測量;對于高水位時被淹沒、低水位時又露出水面的高灘(靠近岸線且高程值比較大的部分灘涂)，由于人工上灘測量難度不大，可利用DGPS配合CORS(continuously operating reference stations)技術(shù)直接上灘測量。

浙江省沿海地形地貌復(fù)雜，許多臨海灘涂或近海島嶼灘涂靠人工無法直接獲取實測數(shù)據(jù);高灘面積較大的區(qū)域采用人工上灘測量工作量大且工期長。為此，本文進(jìn)行了基于無人機遙感技術(shù)結(jié)合潮位觀測實現(xiàn)潮間帶高程測量的方法研究。主要思路是:首先，基于CAD平臺拼接其他方式采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)已經(jīng)測量的各種數(shù)據(jù)確定航攝區(qū)域范圍;然后，采用無人機低空數(shù)碼遙感系統(tǒng)快速獲取大比例尺真彩色航空影像，經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理生產(chǎn)制作出正射影像;最后，配以無人機航攝時同步觀測的潮位數(shù)據(jù)，繪制出高精度的水陸交界線，從而達(dá)到測量潮間帶高程的目的。

1 無人機遙感技術(shù)

無人機遙感技術(shù)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、飛行成本低、反應(yīng)速度快及飛機易于轉(zhuǎn)場等優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于高危區(qū)域災(zāi)害調(diào)查和災(zāi)后應(yīng)急搶險［2－4］調(diào)查與分析工作中。在國內(nèi)無人機民用遙感領(lǐng)域，無人固定翼飛機因為覆蓋范圍較大、可控性能和效率相對較高，一般用以完成較大面積區(qū)域的航空影像獲取，與機載GPS，POS等輔助設(shè)備相結(jié)合，可以滿足較高精度的測繪制圖需求［5－6］。

1．1 遙感平臺

無人機遙感平臺主要包括無人機平臺與航攝相機。無人機平臺集成了機載GPS和POS等輔助設(shè)備，同時包含地面監(jiān)控系統(tǒng)，用于設(shè)計、規(guī)劃航線，實時監(jiān)測無人機飛行航線，如遇緊急狀況或降落時可自動切換成手控飛行;航攝相機一般選用專業(yè)的單反數(shù)碼相機，在與無人機安裝時增加穩(wěn)定相機的裝置，盡可能地把相機姿態(tài)固定。由于數(shù)碼照片的數(shù)據(jù)量較大，目前還無法達(dá)到實時傳輸?shù)哪芰?，因此需把拍攝的影像數(shù)據(jù)保存在大容量存儲卡中，待飛機降落時回收［6］。

根據(jù)航攝區(qū)風(fēng)力情況，本次研究使用的無人機平臺為ZC－1型和ZC－2型無人機，如圖1所示。

圖1 無人機平臺Fig．1 UAV platform

ZC－1型無人機的機身為玻璃纖維材質(zhì)，抗風(fēng)性能好，有效載荷大，但自身重量也大，對起飛場地的要求嚴(yán)格，因此在5～6級以上大風(fēng)天氣情況下選用ZC－1型無人機;ZC－2型無人機的機身為航空木板材質(zhì)，輕巧易操作，對起飛場地的要求不高，但抗風(fēng)性能較差，因此在5級以下風(fēng)力天氣情況下選用ZC－2型無人機。無人機上搭載的航攝相機為Canon EOS 5D MARK II專業(yè)單反相機，焦距為24．436 4 mm，分辨率為 6．4 μm，影像行列數(shù)為5 616×3 744。相機檢校參數(shù)見表1。

表1 相機檢校參數(shù)Tab．1 Camera calibration parameters

1．2 航攝與影像處理

無人機航攝作業(yè)流程主要包括航攝設(shè)計、航攝飛行和影像處理3個步驟。本次航攝設(shè)計地面分辨率為0．2 m，航高為750 m。為保證大風(fēng)天氣下不出現(xiàn)航攝漏洞，將航向重疊度設(shè)計為75%，旁向重疊度設(shè)計為50%。航攝飛行根據(jù)潮汐表水位信息選擇陽光照射較為充足的中潮位時間段內(nèi)進(jìn)行，以保證影像質(zhì)量。影像處理主要包括畸變差校正、空中三角測量、影像勻光、單片糾正以及正射影像鑲嵌與生成等內(nèi)容，詳細(xì)技術(shù)流程如圖2所示。文獻(xiàn)［6－10］對無人機遙感影像獲取、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量評定以及地圖制作進(jìn)行了較為深入研究，在此不再贅述。

在空三加密過程中，在每個加密區(qū)四周和內(nèi)布設(shè)一定量的平高控制點。人能到達(dá)區(qū)域的像控點采用GPS－RTK(real－time kinematic)實地測量，對于不能到達(dá)的區(qū)域利用1∶1萬比例尺立體像對在JX－4立體模型上采集?？杖用軐⒏鶕?jù)每個航攝區(qū)塊進(jìn)行分區(qū)。

圖2 無人機航攝影像處理流程Fig．2 UAV aerial image processing flow

2 潮位觀測與水陸邊線處理

應(yīng)用本文方法實現(xiàn)潮間帶高程測量的依據(jù)是“潮汐性質(zhì)基本相同”原理。測區(qū)范圍內(nèi)的潮位必須滿足“最大潮高差≤1 m，最大潮時差≤2 h”［1］。當(dāng)滿足這2個要求時，即可用在潮位站觀測得到的水位高程值代替瞬時潮水高度。因此，通過在無人機航攝數(shù)字正射影像圖上繪制水陸邊界線，計算影像拍攝時同步觀測的水位高程值，就能得到潮間帶區(qū)域高程信息。

2．1潮位觀測

在對潮間帶區(qū)域進(jìn)行航攝時同步觀測潮位。觀測位置盡量接近攝影區(qū)域，以便能更準(zhǔn)確地反映潮汐的真實變化情況。觀測時間須完全覆蓋攝影測量時間，每隔10 min記錄一次水面高程。無人機同時對2個及2個以上攝影區(qū)作業(yè)時，要確保有一定密度的潮位觀測站，以控制航攝區(qū)域內(nèi)的潮汐變化特征。無人機航攝作業(yè)前需對照攝影區(qū)附近的驗潮站高低潮時間，合理安排航攝作業(yè)時間，確保采集數(shù)據(jù)的時段在半潮時內(nèi)。

潮位觀測時，利用網(wǎng)絡(luò)RTK結(jié)合全站儀方法采集水面瞬時WGS84高程(網(wǎng)絡(luò)RTK固定解)，內(nèi)業(yè)處理時用WGS84高程減去該區(qū)域高程異常值便得到水面1985高程。在作業(yè)區(qū)域條件允許時，直接用網(wǎng)絡(luò)RTK采集水面WGS84高程;否則需在觀測水位區(qū)域附近用網(wǎng)絡(luò)RTK做水準(zhǔn)點并采集其WGS84高程，利用全站儀將WGS84高程引測至水面。

潮位觀測記錄要記錄清楚潮位站概略位置、潮位站控制的攝影區(qū)塊名稱、作業(yè)時參考的驗潮站以及觀測時刻、潮位的WGS84高程與1985高程等信息。表2為無人機作業(yè)潮位觀測記錄表，表中潮位站地理位置經(jīng)緯度數(shù)據(jù)已進(jìn)行了模糊處理。

表2 無人機作業(yè)水位觀測記錄表Tab．2 UAV operating tide mark observation records

2．2 水陸邊線處理

首先，通過疊加潮間帶拍攝區(qū)地形圖數(shù)據(jù)與無人機正射影像數(shù)據(jù)人工判別并繪制水陸邊界，獲取潮間帶等值線;然后，對其賦予潮位觀測得到水位高程值?？紤]到測區(qū)水位觀測站的布置特點以及范圍，水位高程值的計算采用單站改正和雙站改正2種方法進(jìn)行。

單站改正法主要針對有效控制范圍內(nèi)的水位觀測，采用線性插值方法對水位觀測時間進(jìn)行內(nèi)插，得到潮水瞬時高度。假設(shè)t1時刻水位觀測值為h1，t2時刻水位觀測值為h2，則t時刻水位高度h計算公式為

式中t時刻位于t1到t2之間。

雙站改正法是指當(dāng)測區(qū)位于2個水位觀測站之間，并且超出2站的有效控制范圍時，可通過雙觀測站瞬時水位高度，在其連線上根據(jù)距離加權(quán)的原理線性內(nèi)插出若干個區(qū)域的水位高程值。通過無人機遙感影像對每個區(qū)域繪制出水陸邊界線，使用內(nèi)插得到的水位高程值進(jìn)行更新。假設(shè)t時刻水位觀測站a的瞬時水位高度為ha，水位觀測站b的瞬時水位高度為hb，待計算區(qū)域n的中心點到水位觀測站a和b的直線距離分別為da和db，則t時刻區(qū)域n的瞬時水位高度hn計算公式為

式中ha和hb可通過式(1)插值得到。

由于無人機航攝具有響應(yīng)快速和成本低廉等優(yōu)點，對重要的潮間帶區(qū)域可以進(jìn)行加密航攝，以獲取足夠的高程實測信息，為更好地進(jìn)行灘涂資源規(guī)劃、利用和保護(hù)提供了豐富數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用實例

在浙江省2012年灘涂資源調(diào)查中，利用無人機遙感技術(shù)結(jié)合潮位觀測進(jìn)行了潮間帶高程測量。調(diào)查范圍覆蓋浙江沿海地區(qū)各種地形的灘涂區(qū)域。32個航攝區(qū)塊分布在象山、三門、溫嶺、玉環(huán)及洞頭5個縣市。航攝面積共計130 km2;航攝作業(yè)時平均風(fēng)力在5～7級以上。

本次無人機航攝獲取的潮間帶影像數(shù)據(jù)經(jīng)過空三加密處理后，成果數(shù)據(jù)內(nèi)定向精度的理論值為0，相對定向中誤差一般為0．01 mm(10μm)、最大為0．018 mm(18μm);絕對定向精度中的基本定向殘差、多余控制點不符值及公共點較差符合設(shè)計書要求。經(jīng)平差后加密點中平面誤差一般為1．8 m，精度符合要求。航攝像片共1 467張，影像清晰、質(zhì)量較好，能比較準(zhǔn)確地確定出海水與陸地的分界線。

首次，基于AutoCAD軟件疊加顯示水下地形實測數(shù)據(jù)和無人機正射影像數(shù)據(jù)，通過人工判讀繪制水陸邊界線。圖3(a)上的黃線即為人工判讀的水陸邊界線。

然后，將水陸邊界與潮位觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合，計算瞬時潮位高程，實現(xiàn)潮間帶高程賦值。與自然海岸線、水下等高線數(shù)據(jù)的比較驗證表明，潮間帶高程分布合理且符合自然規(guī)律。

最后，對潮間帶高程數(shù)據(jù)用于水下地形高程插值計算，圖3(b)為該區(qū)域1∶1萬水下地形最終成果數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

許多臨海灘涂或近海島嶼灘涂的測量存在無法人工上灘測量，或上灘測量危險性高、工作效率低等問題，依靠傳統(tǒng)測量方式不能得到有效解決。隨著無人機遙感技術(shù)的快速發(fā)展，其獲取影像數(shù)據(jù)經(jīng)濟、快速、受時間限制小等優(yōu)點已在高危地區(qū)調(diào)查和應(yīng)急響應(yīng)中得到了很好的體現(xiàn)。本文對利用無人機遙感技術(shù)結(jié)合潮位觀測實現(xiàn)潮間帶高程測量的技術(shù)進(jìn)行了研究，重點介紹了無人機遙感平臺及其影像數(shù)據(jù)處理流程，對潮位觀測外業(yè)實施和潮間帶水陸邊線處理進(jìn)行了技術(shù)探索和實踐。2012年浙江省灘涂資源調(diào)查中使用了無人機測量潮間帶高程的實踐證明，無人機遙感技術(shù)結(jié)合潮位觀測能夠快速實現(xiàn)潮間帶高程測量，解決傳統(tǒng)方式測量困難的問題，提供了一種新的潮間帶高程測量技術(shù)。

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