海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的無(wú)人機(jī)航測(cè)精度

秦 菡 曾維特 李華彥 楊新發(fā) 張同同 鄭建宜 沈愛(ài)斯

(1. 海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 海南 ?？?570206;2. 海南省海洋地質(zhì)調(diào)查研究院, 海南 海口 570206)

0 引言

海岸帶是海陸相互作用的交集地帶,也是生態(tài)脆弱災(zāi)害多發(fā)的敏感區(qū)域[1],海岸帶環(huán)境的演化直接影響了人類的生活質(zhì)量和生存發(fā)展,科學(xué)認(rèn)識(shí)海岸帶地質(zhì)環(huán)境的形成和演化規(guī)律及其人類活動(dòng)對(duì)海岸帶的影響,是實(shí)現(xiàn)人地協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。目前,海南島砂質(zhì)岸線的主要地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題為:岸坡變陡、岸灘變窄,岸灘砂質(zhì)細(xì)化、黑化,岸線侵蝕后退等。為了進(jìn)一步做好海岸線地質(zhì)資源開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)、海岸帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)、近岸重大工程基礎(chǔ)設(shè)施地質(zhì)安全和海岸帶地質(zhì)災(zāi)害防治等工作,需要準(zhǔn)確及時(shí)的空間地理信息作為支持。

與傳統(tǒng)的依靠全站儀、水準(zhǔn)儀、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)等測(cè)量工具的全野外大比例尺地形圖測(cè)圖方式相比,無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)攝影測(cè)量[2-3]作為載人遙感和衛(wèi)星遙感的補(bǔ)充手段,具有周期短、效率高、成本低、操控簡(jiǎn)單、受地面狀況和天氣情況影響較小、數(shù)據(jù)更新較為靈活簡(jiǎn)便等特點(diǎn),同時(shí)配合全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)、慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit,IMU)等技術(shù)來(lái)獲取測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù),經(jīng)一系列內(nèi)業(yè)處理工作[3]后,獲取地物的空間地理信息數(shù)據(jù),從而廣泛應(yīng)用于小范圍大比例尺地形圖測(cè)量[4],在海岸帶測(cè)量中成為不可或缺的技術(shù)手段[5]。

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況與作業(yè)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

受到豐富的地表水和強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用,海南島的海岸線每年均會(huì)受到不同程度的侵襲,而海口市西海岸處于?？谑幸?guī)劃的濱海旅游發(fā)展軸線和城市發(fā)展軸線之間,區(qū)域資源和區(qū)域位置突出。因此本文將位于?？谖骱０兜膰?guó)際會(huì)展中心(110°11′21″E、20°3′41″N附近)周邊區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū),重點(diǎn)關(guān)注沙灘被侵蝕的動(dòng)態(tài)變化,為西海岸岸線治理等工程提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

1.2 技術(shù)路線

無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量以無(wú)人機(jī)為飛行平臺(tái),搭載數(shù)碼相機(jī)等傳感器設(shè)備,在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行航攝飛行,獲取測(cè)區(qū)內(nèi)影像數(shù)據(jù)及每張相片對(duì)應(yīng)的定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system, POS)點(diǎn)數(shù)據(jù),再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空中三角測(cè)量等內(nèi)業(yè)處理,從而獲得數(shù)字表面模型(digital surface model,DSM)、數(shù)字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、數(shù)字線劃圖(digital line graphic,DLG)等基礎(chǔ)測(cè)繪產(chǎn)品,為海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查提供基礎(chǔ)地理資料[6]。技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查航測(cè)技術(shù)路線

1.3 野外作業(yè)內(nèi)容

本文所涉及的岸段測(cè)量范圍僅為作業(yè)期間海岸帶地區(qū)露出水面的陸地部分,即岸線向陸地延伸200 m的陸地部分;使用大疆Phantom 4實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分技術(shù)(real time kinematic,RTK)多旋翼無(wú)人機(jī)配合單鏡頭相機(jī)及中海達(dá)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)(Ubase)硬件進(jìn)行航攝。

重點(diǎn)岸段附近的地形復(fù)雜多變,水域面積較大,岸線彎曲程度不同且現(xiàn)有的地物特征較少,故需制定針對(duì)性的作業(yè)流程[7]。

在正式飛行前,需充分整理測(cè)區(qū)相關(guān)航攝資料、已知控制點(diǎn)點(diǎn)之記、地形圖等資料,根據(jù)測(cè)區(qū)地形地貌、測(cè)圖比例尺等進(jìn)行航攝分區(qū)、飛行架次、相控布設(shè)點(diǎn)、航向重疊和旁向重疊以及曝光間隔、航線間隔的設(shè)定。

1.3.1布設(shè)控制點(diǎn)

控制點(diǎn)布設(shè)可采用區(qū)域網(wǎng)五點(diǎn)法布設(shè)控制點(diǎn)[8],即測(cè)區(qū)四角4個(gè)控制點(diǎn),中心1個(gè)控制點(diǎn),其中四角控制點(diǎn)處于兩個(gè)航測(cè)相鄰區(qū)域時(shí),像控點(diǎn)盡量布設(shè)在航線重疊結(jié)合處,鄰區(qū)盡量公用。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量過(guò)程中存在位置難以到達(dá)、像主點(diǎn)落水等問(wèn)題,在滿足空中三角測(cè)量以及立體測(cè)圖的要求下,根據(jù)岸段形狀、植被分布等情況進(jìn)行控制點(diǎn)布設(shè),對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的海岸帶地區(qū),選取相對(duì)固定且易于準(zhǔn)確量測(cè)和定位的地方或較易布設(shè)與容易到達(dá)的地方均勻布設(shè)像控點(diǎn);對(duì)于較難到達(dá)或測(cè)區(qū)內(nèi)部分區(qū)域難以到達(dá)以及周圍地物不能明顯區(qū)分的海岸帶地區(qū),特征點(diǎn)較少,使用半徑0.15 m的圓形像控布全野外布點(diǎn)測(cè)量,像控點(diǎn)位置應(yīng)做到大小適宜、易于辨認(rèn)、不易遮擋,并位于高潮線以上;同時(shí)能最大限度均勻控制測(cè)繪面積,本文共布設(shè)5個(gè)控制點(diǎn)及11個(gè)檢查點(diǎn),如圖2所示。

圖2 控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)示意圖

1.3.2無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集

按規(guī)定,無(wú)人機(jī)飛行需進(jìn)行空域申請(qǐng)[9],但本次工作飛行高度為100 m,滿足“120 m以下非機(jī)場(chǎng)軍方、政府、監(jiān)獄等禁飛區(qū)不用申請(qǐng)空域”的條件,因此無(wú)須做空域協(xié)調(diào)?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)前,對(duì)飛行平臺(tái)、航攝儀、飛控系統(tǒng)等進(jìn)行檢查和維護(hù);在適宜位置架設(shè)Ubase接收機(jī)測(cè)站采集靜態(tài)數(shù)據(jù);采用垂直起降方式起飛,按預(yù)設(shè)航線飛行過(guò)程中時(shí)刻監(jiān)視飛行高度、速度、飛行姿態(tài)等;起飛點(diǎn)與降落點(diǎn)在同一位置,起降點(diǎn)附近無(wú)遮擋,平整開(kāi)闊,GNSS衛(wèi)星信號(hào)好。

為控制數(shù)據(jù)采集速度,同時(shí)兼顧無(wú)人機(jī)航拍的承載能力,航線設(shè)置為航向重疊率80%,旁向重疊率70%,飛行高度為100 m,飛行速度為7.5 m/s,距地面最大安全高度為120 m。

為控制實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)的相片質(zhì)量,航線邊距在測(cè)區(qū)邊線的基礎(chǔ)上外擴(kuò)50 m;采用定距模式拍照,照片比例為4∶3,云臺(tái)角度為-90°;采用中央平均的測(cè)光模式,防止過(guò)曝或者欠曝。

無(wú)人機(jī)降落后,要及時(shí)導(dǎo)出無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)(影像數(shù)據(jù)、機(jī)載端數(shù)據(jù)、拍照點(diǎn)時(shí)刻文件)及基站數(shù)據(jù)(基站靜態(tài)文件、基站對(duì)應(yīng)的基站坐標(biāo))并檢查,若有不合格數(shù)據(jù),應(yīng)依據(jù)補(bǔ)飛方案進(jìn)行補(bǔ)飛。

1.4 數(shù)據(jù)處理內(nèi)容

1.4.1后差分處理

在后差分處理(post processed kinematic,PPK)軟件中導(dǎo)入無(wú)人機(jī)及基站數(shù)據(jù),采用自主高精度的PPK算法向前和向后解算,采用高精度的插值算法,獲取目標(biāo)橢球BLH及ENZ坐標(biāo)格式的POS信息,使曝光瞬間的位置更可靠。

1.4.2空中三角測(cè)量

光線束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量是以投影中心點(diǎn)、像點(diǎn)以及對(duì)應(yīng)的地面點(diǎn)為一條直線成立的共線方程,該方法以單張相片為解算單元,借助相片之間的重疊部分和控制點(diǎn)把所有相片的光束連成一個(gè)區(qū)域進(jìn)行整體平差,解算相片中各點(diǎn)的三維坐標(biāo)[10]。結(jié)合解算后的POS文件、控制點(diǎn)文件,經(jīng)過(guò)影像特征點(diǎn)提取、同名點(diǎn)匹配等步驟實(shí)現(xiàn)自由網(wǎng)空三測(cè)量。由于自由網(wǎng)空三測(cè)量后需要人機(jī)交互進(jìn)行控制點(diǎn)配準(zhǔn)工作,所以需要進(jìn)行二次甚至多次全自動(dòng)空三加密優(yōu)化[11-12],直至空三測(cè)量的精度滿足要求。

1.4.3立體模型建立

根據(jù)空三加密測(cè)量成果進(jìn)行模型分塊,并在此基礎(chǔ)上,全自動(dòng)提取測(cè)區(qū)密集點(diǎn)云,以便進(jìn)行點(diǎn)云分類、影像圖制作、可視化及分析等;生成不規(guī)則三角網(wǎng),同時(shí)利用鏡頭獲取的紋理信息,自動(dòng)貼圖,得到測(cè)區(qū)三維網(wǎng)格模型。

1.4.4數(shù)字成果生成

采用立體測(cè)圖生產(chǎn)數(shù)字成果可免去大量的外業(yè)實(shí)測(cè)及調(diào)繪工作,大大提高了生產(chǎn)的工作效率。本文實(shí)驗(yàn)在完成立體建模后,自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)區(qū)可互操作的光柵圖層—正射影像DOM及數(shù)字表面模型DSM[13]。

DLG數(shù)字成果借助于立體測(cè)圖軟件中的三維模塊,將osgb格式的三維網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)換成DSM表面模型,借助模型的空間尺寸信息,利用三維實(shí)景模型的空間量測(cè)功能,直接進(jìn)行地形、地物的量算及采集工作。

2 精度評(píng)價(jià)

2.1 空三精度評(píng)價(jià)

P01、P02、P03點(diǎn)為沙灘控制點(diǎn),P04、P05點(diǎn)為水泥路控制點(diǎn),各點(diǎn)的中誤差見(jiàn)表1。

表1 控制點(diǎn)的平面位置與高程中誤差 單位:m

5個(gè)控制點(diǎn)中,平面位置中誤差最高為0.029 m,高程中誤差最高為0.045 m;整體平面位置中誤差為0.021 m,高程中誤差為0.024 m。

看出11個(gè)檢查點(diǎn)的位置,其中6個(gè)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi),4個(gè)點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)區(qū)邊界線外擴(kuò)50 m范圍內(nèi),1個(gè)點(diǎn)位于實(shí)驗(yàn)區(qū)擴(kuò)充區(qū)域外,各點(diǎn)的中誤差見(jiàn)表2。

表2 檢查點(diǎn)的平面位置與高程中誤差 單位:m

如表2所示,11個(gè)檢查點(diǎn)中,平面位置中誤差最高為0.059 m,高程中誤差最高為0.149 m;整體平面位置中誤差為0.031 m,高程中誤差為0.065 m。根據(jù)控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)中誤差可知,空三精度較高,滿足《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》的1∶1 000地形圖測(cè)圖要求。

2.2 影像精度評(píng)價(jià)

使用RTK實(shí)測(cè)地物特征點(diǎn)與影像圖上的同名像點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)檢查影像的平面位置及高程精度,如表3所示。

表3 影像精度分析驗(yàn)證 單位:m

通過(guò)16個(gè)均勻布設(shè)的RTK實(shí)測(cè)點(diǎn)與DOM、DSM中同名像點(diǎn)做對(duì)比,由上表可以看出,平面位置中誤差為0.044 m,高程中誤差為0.048 m,滿足規(guī)范要求。

2.3 數(shù)字線劃圖精度評(píng)價(jià)

使用RTK實(shí)測(cè)地物特征點(diǎn)與1∶1 000地形圖上的同名點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)檢查影像的平面位置及高程精度(地形圖上同名點(diǎn)的高程可通過(guò)三維模型直接量取),如表4所示。

表4 DLG精度分析驗(yàn)證 單位:m

通過(guò)計(jì)算得到平面位置中誤差為0.041 m,高程中誤差為0.034 m,查找規(guī)范可知1∶1 000比例尺平面、丘陵地的點(diǎn)位中誤差為0.6 m,平地的高程中誤差為0.2 m,對(duì)比得到0.041<0.6,0.034<0.2,因此滿足規(guī)范要求。

3 數(shù)字成果精度分析

將影像和數(shù)字線劃圖的平面位置中誤差及高程中誤差作為精度評(píng)定指標(biāo),可發(fā)現(xiàn)數(shù)字成果均能夠滿足規(guī)范及作業(yè)要求。

使用影像和數(shù)字線劃圖的點(diǎn)位誤差及高程誤差進(jìn)行精度分析,以此來(lái)確定最優(yōu)控制點(diǎn)及檢查點(diǎn)的布設(shè)方式及位置,為大面積海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查提供理論依據(jù),如圖3所示。

由圖3可知,C01RTK點(diǎn)的平面位置誤差均大于0.12 m;C11號(hào)RTK點(diǎn)的高程誤差變化在0.07～0.11 m之間。

(a)影像平面位置精度統(tǒng)計(jì)折線圖

(b)影像高程精度統(tǒng)計(jì)折線圖

(c)DLG點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)折線圖

(d)DLG高程精度統(tǒng)計(jì)折線圖

根據(jù)實(shí)際測(cè)量環(huán)境分析,檢查點(diǎn)C01布設(shè)在水泥路上的雨水篦子邊角處,控制點(diǎn)與周邊地物顏色變化不明顯,導(dǎo)致人機(jī)交互誤差較大,因此該點(diǎn)處平面精度誤差較大,且該點(diǎn)處位于水泥路上面,因此高程精度影響不大;而檢查點(diǎn)C11點(diǎn)位于會(huì)展中心高層建筑物的中心位置,周邊區(qū)域有一個(gè)高程垂直變化的現(xiàn)象,對(duì)該點(diǎn)位高程精度有較大影響。

實(shí)驗(yàn)區(qū)外擴(kuò)區(qū)域內(nèi)外的4個(gè)檢查點(diǎn)C02、C03、C04、C09的影像平面位置中誤差為0.039 m,高程中誤差為0.044 m;DLG平面位置中誤差為0.032 m,高程中誤差為0.017 m,在規(guī)劃測(cè)區(qū)以外但無(wú)人機(jī)可以拍攝到的區(qū)域,數(shù)字成果的精度均滿足規(guī)范要求。

由此可驗(yàn)證,布設(shè)像控點(diǎn)時(shí)要避免有高層建筑,且要與周邊地物明顯區(qū)分;若布設(shè)的像控點(diǎn)得當(dāng)合理,航攝范圍線外擴(kuò)50 m范圍內(nèi)的數(shù)字成果亦可滿足精度要求,在數(shù)字成果分幅、裁切時(shí)可保留。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)將影像同名像點(diǎn)、DLG同名點(diǎn)與實(shí)測(cè)RTK測(cè)量點(diǎn)做對(duì)比,雖個(gè)別結(jié)果受周邊地形與人機(jī)交互的影響,點(diǎn)位誤差相差較大,但仍在規(guī)范范圍內(nèi),點(diǎn)位精度和高程精度均滿足生產(chǎn)測(cè)量要求,因此無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)能夠完全滿足海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的需要,所獲數(shù)據(jù)形式多元化,可用于測(cè)區(qū)的全方位分析,并且能夠大幅度減少外業(yè)工作量,提高工作效率。

本文在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn),點(diǎn)云數(shù)據(jù)未做到精細(xì)分類,房屋、樹(shù)木等對(duì)DEM制作影響較大,影像反映的是地表高程數(shù)據(jù),而并未最真實(shí)地進(jìn)行地面地形數(shù)字化模擬,因此無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云分類,將是下一步工作的重點(diǎn)。