無人機(jī)與GPS-RTK 相結(jié)合的河道斷面測量方法

楊朝輝，伍尚榮，陳國棟

（蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

全面推行河長制是推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要措施之一，是維護(hù)河庫生態(tài)健康的有效舉措，也是保障水安全的制度創(chuàng)新。作為河長制的重要抓手，“一河一策”編制工作在全國各地受到廣泛重視[1]。其中，方案編制的核心就是通過調(diào)查摸清河道現(xiàn)狀，并據(jù)此編制有針對性的保護(hù)方案[2]。目前，河道調(diào)查主要采用人工調(diào)查的方式，通常采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀和全站儀等儀器進(jìn)行測量。這種人工調(diào)查方式所耗人力物力較多、周期長、覆蓋范圍小、測量過程繁瑣。而且受河流地形因素的限制，調(diào)查過程中傳統(tǒng)測量儀器的視野范圍很容易受到樹木遮擋的影響。針對這種情況，GPS 開始逐漸應(yīng)用到河流測量與調(diào)查中。使用GPS 可以根據(jù)河流實際地形合理布設(shè)控制網(wǎng)，通過測量控制點坐標(biāo)，并對其進(jìn)行內(nèi)插處理，最終得到斷面圖。但是這種單純GPS 的測量效率仍比較低下，對控制點數(shù)量的要求較高，很難完成大范圍的河道測量與調(diào)查。

近年來，無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV）技術(shù)發(fā)展迅猛。該技術(shù)可以同時獲取作業(yè)拍攝區(qū)域的幾何信息和影像信息，具有機(jī)動靈活、高效精細(xì)、快速準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、覆蓋范圍大、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點。目前無人機(jī)技術(shù)已開始應(yīng)用于災(zāi)害處理、國土監(jiān)察、資源開發(fā)、小城鎮(zhèn)建設(shè)等方面，尤其在生態(tài)保護(hù)、河流階地提取、河流岸線資源監(jiān)管等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。筆者將無人機(jī)與GPS-RTK 引入河道斷面測量，實現(xiàn)河道斷面的自動繪制，最終滿足河道調(diào)查的相關(guān)需求。

1 河流斷面測量方法

1.1 主要流程

河道測量的一個主要內(nèi)容就是河道斷面測量，通常是指橫斷面測量。河槽中垂直于水流的斷面即為該處河道的橫斷面[7]。該研究引入無人機(jī)與GPS-RTK 技術(shù)，使用無人機(jī)外業(yè)采集河道現(xiàn)場影像，采用GPSRTK 獲取控制點及河流深度等信息。在此基礎(chǔ)上，利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)構(gòu)建河流DEM 模型和DOM 模型，最終實現(xiàn)河道斷面圖的自動繪制。該方法主要流程圖如圖1 所示。

圖1 河道斷面測量方法主要流程

河道斷面測量方法的詳細(xì)流程：

（1）獲取河道所在測區(qū)的基本信息。對河道進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，設(shè)計無人機(jī)飛行的航帶。

（2）控制點布設(shè)及測量。大部分河道兩側(cè)多為林地或農(nóng)田，很難找到固定的像控點。該研究定制了20 塊50 cm×50 cm 打印有黑白色塊的硬紙板作為控制點，均勻布設(shè)在整個測區(qū)內(nèi)，利用鐵釘固定，并使用GPS-RTK 方式測量控制點中心位置，得到高精度的控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

（3）無人機(jī)外業(yè)航拍數(shù)據(jù)獲取。在布設(shè)測量控制點后，使用無人機(jī)按照設(shè)計的飛行路線獲取數(shù)字影像。

（4）無人機(jī)攝影測量內(nèi)業(yè)處理。將影像數(shù)據(jù)從飛機(jī)上的相機(jī)導(dǎo)出，并利用攝影測量軟件對其進(jìn)行處理，生成三維點云數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行編輯，刪除相關(guān)錯誤點。

（5）構(gòu)建河道DOM 和DEM 模型。對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分為地面點和非地面點。利用地面點進(jìn)行內(nèi)插，構(gòu)建河道DOM 和DEM 模型。

（6）河道斷面圖自動繪制。利用DEM 模型，設(shè)定河流斷面位置，自動繪制生成河流斷面圖。

1.2 GPS-RTK 測量

RTK 系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站、移動站及無線電通訊系統(tǒng)組成。GPS 接收機(jī)、接收天線、無線電數(shù)據(jù)鏈電臺及發(fā)射天線等組成基準(zhǔn)站；GPS 接收機(jī)及接收天線、無線電數(shù)據(jù)鏈接收機(jī)和電子手簿等部分組成了流動站[8]。與傳統(tǒng)測量方法相比具有定位準(zhǔn)確、操作簡單、全天候作業(yè)等優(yōu)點。該研究使用GPS-RTK 技術(shù)來測量控制點。通過設(shè)置基準(zhǔn)站和流動站，實現(xiàn)兩者之間的通訊。將流動站放置于控制點的中心位置，保持水準(zhǔn)氣泡居中及測桿對中，獲得該控制點的準(zhǔn)確坐標(biāo)，并保存到手簿中。另外，考慮到實驗河道寬度較小、水深較淺，直接使用測桿放置于數(shù)個斷面靠近岸邊的位置，安全快捷地獲得該點的坐標(biāo)及相應(yīng)的水深數(shù)據(jù)。

1.3 無人機(jī)攝影測量

1.3.1 相機(jī)標(biāo)定和圖像匹配

由于無人機(jī)搭載的是普通非量測相機(jī)，為了提高無人機(jī)影像質(zhì)量與量測精度，必須對其進(jìn)行相機(jī)標(biāo)定。相機(jī)標(biāo)定是校準(zhǔn)相機(jī)內(nèi)方位元素和光學(xué)畸變參數(shù)的過程，也是實現(xiàn)從二維圖像轉(zhuǎn)換到三維信息的重要步驟[9]。相機(jī)標(biāo)定的作用構(gòu)建相機(jī)畸變模型，計算出一組光學(xué)畸變參數(shù)，包括焦距、主點位置、三個徑向失真系數(shù)（K1，K2，K3）和兩個切向失真系數(shù)（P1，P2）。解出光學(xué)畸變參數(shù)后，就可以利用這些參數(shù)實現(xiàn)無人機(jī)任意影像的畸變校正，提高影像質(zhì)量的同時減少影像誤差。文中所采用的相機(jī)畸變模型如下

式中：（xd，yd）為畸變圖像的像片坐標(biāo)，（xu，yu）為畸變糾正圖像的像片坐標(biāo)，（x0，y0）為像主點坐標(biāo)，k1、k2為需要求解的徑向失真畸變參數(shù)

相機(jī)標(biāo)定需要使用控制點坐標(biāo)。由于該方法采用50 cm×50 cm 打印有黑白色塊的硬紙板作為控制點，所以可采用自動提取特征圓點中心的方法，實現(xiàn)控制點中心的自動精確定位[10]。自動提取特征圓點中心的公式如下

式中：gij是控制點區(qū)域像點的二值影像灰度，wij為像點對應(yīng)的原始灰度，i、j 分別是像點對應(yīng)的影像行列號，x、y 是自動定位出的控制點中心像平面影像坐標(biāo)。

完成相機(jī)標(biāo)定和圖像畸變糾正后，就可以進(jìn)行圖像匹配。根據(jù)無人機(jī)相機(jī)位置信息，對外業(yè)拍攝的無人機(jī)影像進(jìn)行排列。在相鄰影像重疊區(qū)域檢測公共特征點并完成特征點匹配[11]，為后面的步驟作好準(zhǔn)備。

1.3.2 點云生成和編輯

根據(jù)上一步圖像匹配的結(jié)果生成河道測區(qū)的稀疏點云。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)估算的相機(jī)位置計算其深度信息，并采用內(nèi)插算法將每個相機(jī)的深度信息合并為一個完整的密集點云。由于實驗河道兩側(cè)有較多的樹木和部分建筑，根據(jù)這種未經(jīng)處理的密集點云生成的DOM 和DEM 模型會存在拉花和失真的現(xiàn)象。因此，在生成DOM 和DEM 模型之前，必須對密集點云進(jìn)行編輯。文中將密集點云自動分為兩類，即地面類和非地面類。首先，將密集點云分成固定大小的單元格，在每個單元格中檢測高程最低點，利用這些最低點的三角剖分生成DEM 模型的初始值。然后，將新點添加到地面類中，前提是它滿足兩個條件：與DEM 模型間隔一定距離，并且DEM 模型與線之間的角度與該新點與地面之間的角度小于設(shè)定的某個數(shù)值。綜上，可使用3 個參數(shù)來控制這兩個條件：

（1）最大角度（°）：將該點劃分為地面點時要檢查的條件之一，即設(shè)置地形模型與將相關(guān)點與地面類中的點連接線之間的角度限制。這個參數(shù)決定了場景內(nèi)地面最大坡度。

（2）最大距離（m）：將該點劃分為地面點時要檢查的條件之一，即對該點與地形模型之間的距離進(jìn)行限制。這個參數(shù)決定了地面高程的最大變化。

（3）單元大?。╩）：確定點云的單元格大小，是將其劃分為地面點分類過程中的準(zhǔn)備步驟。像元大小應(yīng)該根據(jù)實際場景和精度要求來合理設(shè)置。

另外，水面區(qū)域應(yīng)根據(jù)測出的水面平均高程進(jìn)行編輯，將水面區(qū)域內(nèi)的點云高程統(tǒng)一設(shè)置為測出的水面平均高程。

1.3.3 DEM 構(gòu)建

DEM 數(shù)據(jù)包括平面坐標(biāo)和高程信息，可以直接通過全站儀、GPS 或者激光測距儀等測量獲取，也可以間接從航空影像或者遙感影像和地形圖上得到。文中結(jié)合無人機(jī)影像和GPS-RTK 測量數(shù)據(jù)來構(gòu)建DEM 數(shù)據(jù)，該方式穩(wěn)定可靠，保證精度的同時也具有較高的作業(yè)效率。目前DEM 數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)一般沿用不規(guī)則三角網(wǎng)和規(guī)則格網(wǎng)模型。文中采用規(guī)則格網(wǎng)模型（GRID），將所作業(yè)區(qū)域劃分為一個個規(guī)則的網(wǎng)格，用一系列規(guī)則排列的相同大小網(wǎng)格表示河道區(qū)域三維信息。規(guī)則格網(wǎng)模型是一種典型的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，更加適宜于直接采用柵格矩陣進(jìn)行儲存。實際應(yīng)用中，一個地區(qū)附近可能只存在少量已知高程的離散測量點，而存在大量未知的高程點。這個情況下需要進(jìn)行DEM 內(nèi)插。DEM 內(nèi)插就是根據(jù)一些已知高程的測量點去計算得到附近未知點的高程坐標(biāo)。現(xiàn)在常用的DEM 插值法主要有克里金法、反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法和自然鄰域法。文中研究主要使用反距離權(quán)重法，此方法中的每個已知高程點對最后內(nèi)插結(jié)果都有著局部影響，該影響與距離成反比，隨著距離的增加而減弱。這種隨距離增大而不斷減小的影響稱為反距離權(quán)重，對反距離權(quán)重加權(quán)計算可得未知點的插值結(jié)果。反距離權(quán)重法的計算公式如下

1.4 河道斷面的繪制

使用反距離權(quán)重法生成DEM 數(shù)據(jù)后，即可實現(xiàn)任意河道斷面的自動繪制。用戶只需要在河道場景中交互選擇剖面切割線，剖面切割線應(yīng)盡量垂直河流的走向。假設(shè)剖面切割線兩端點坐標(biāo)為（x0，y0）和（x1，y1），可求出其在水平面內(nèi)的直線投影方程

式中：a=y0-y1，b=x1-x0，c=x0y1-x1y0。

然后計算河道斷面直線投影方程與DEM 格網(wǎng)數(shù)據(jù)的交點，并采用最鄰近點法或雙線性插值法求出該剖面切割線所對應(yīng)的河道斷面。

2 實驗結(jié)果

該實驗使用深圳大疆公司（DJI）的M100 四旋翼無人機(jī)，搭載Zenmuse X3 云臺相機(jī)，使用DJI GS Pro 軟件規(guī)劃飛行路線，沿河道拍攝1200 萬像素的數(shù)字影像。設(shè)計航高100 m，影像重疊度為80%，最大飛行速度為5 m/s。同時，采用GPS-RTK 技術(shù)測量了14 個控制點和8 個斷面。河道測區(qū)范圍及測量點位如圖2 所示。

圖2 河道測區(qū)范圍及測量點位圖

Agisoft PhotoScan 是由俄羅斯Agisoft 公司研發(fā)的攝影測量軟件，可以根據(jù)影像自動生成DEM 模型，實現(xiàn)高質(zhì)量的正射影像生成及三維模型重建。此次實驗采用Agisoft PhotoScan 軟件來進(jìn)行無人機(jī)攝影測量內(nèi)業(yè)處理。首先通過相機(jī)標(biāo)定和圖像匹配，構(gòu)建密集點云和三維場景，如圖3 和圖4 所示。

圖3 密集點云

圖4 三維場景

對密集點云進(jìn)行編輯，并將其分為地面點和非地面點?；诘孛纥c密集點云進(jìn)行計算，最終生成DEM和DOM 數(shù)據(jù)，如圖5、圖6 所示。

圖5 生成的DEM 模型

圖6 生成的DOM 模型

生成河流研究區(qū)域的DEM 數(shù)據(jù)后，用戶可以手工選擇剖面切割線，根據(jù)選定的剖面切割線即可自動繪制出對應(yīng)的河道斷面圖，直觀地反映出河流地形，如圖7 所示。

圖7 剖面切割線及其對應(yīng)的河道斷面圖

為了驗證河道斷面三維模型的精度，從20 個已量測的控制點中隨機(jī)選擇12 個控制點，利用這12 個控制點建立三維模型。將剩下的8 個點作為檢核點，將檢核點的三維坐標(biāo)與對應(yīng)模型點的三維坐標(biāo)作比較，X、Y、Z 方向的中誤差分別是0.054 m、0.044 m 和0.098 m，見表1。該精度可基本滿足河道斷面三維模型的精度要求。今后可通過相機(jī)檢校等方式進(jìn)一步提高三維建模的精度。

表1 檢核點精度表

3 結(jié)語

該研究將無人機(jī)與GPS-RTK 引入河道斷面測量，使用無人機(jī)拍攝河道研究區(qū)域的影像，利用GPSRTK 技術(shù)測量控制點坐標(biāo)及河流深度，基于無人機(jī)數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)構(gòu)建河流DEM 模型，最終實現(xiàn)河道斷面圖的自動繪制。與傳統(tǒng)方法相比，文中方法操作簡單、工作量小、作業(yè)效率高，可快速實現(xiàn)對河道斷面的測量。為摸清河道現(xiàn)狀、維護(hù)河道健康提供基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)。