無人機航測技術(shù)在海岸地形測量中的應用研究

崔坤生

（福建省港航勘察科技有限公司，福建 福州 35009）

0.引言

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。

1.無人機航測系統(tǒng)構(gòu)成及生產(chǎn)流程

1.1 無人機航測系統(tǒng)組成

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]。

1.2 無人機航測生產(chǎn)流程

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

2.無人機航測關(guān)鍵技術(shù)分析

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。

2.1 獲取高精度POS數(shù)據(jù)

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。

2.2 準確獲取相機鏡頭畸變

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。

2.3 提高地面分辨率和影像質(zhì)量

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。

2.4 其他影響因素

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。

3.工程實例

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 航攝設計與實施

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

3.2 數(shù)據(jù)后處理

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

3.3 成果精度檢驗及分析

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。

4.結(jié)論

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。