基于無人機遙感技術的潮間帶高程測量方法

唐遠彬，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(理論深度基準面)0 m線之間的區域［1］。傳統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)和最低低潮線等數據進行。目前，根據海灘性質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:在深水區域采用DGPS(difference global positioning system)結合單波束回聲測深儀進行水下地形測量;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)技術直接上灘測量。

浙江省沿海地形地貌復雜，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據;高灘面積較大的區域采用人工上灘測量工作量大且工期長。為此，本文進行了基于無人機遙感技術結合潮位觀測實現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據，根據已經測量的各種數據確定航攝區域范圍;然后，采用無人機低空數碼遙感系統快速獲取大比例尺真彩色航空影像，經過內業處理生產制作出正射影像;最后，配以無人機航攝時同步觀測的潮位數據，繪制出高精度的水陸交界線，從而達到測量潮間帶高程的目的。

1 無人機遙感技術

無人機遙感技術具有系統結構簡單、飛行成本低、反應速度快及飛機易于轉場等優勢，已廣泛應用于高危區域災害調查和災后應急搶險［2－4］調查與分析工作中。在國內無人機民用遙感領域，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域的航空影像獲取，與機載GPS，POS等輔助設備相結合，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等輔助設備，同時包含地面監控系統，用于設計、規劃航線，實時監測無人機飛行航線，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的單反數碼相機，在與無人機安裝時增加穩定相機的裝置，盡可能地把相機姿態固定。由于數碼照片的數據量較大，目前還無法達到實時傳輸的能力，因此需把拍攝的影像數據保存在大容量存儲卡中，待飛機降落時回收［6］。

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

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

1．2 航攝與影像處理

無人機航攝作業流程主要包括航攝設計、航攝飛行和影像處理3個步驟。本次航攝設計地面分辨率為0．2 m，航高為750 m。為保證大風天氣下不出現航攝漏洞，將航向重疊度設計為75%，旁向重疊度設計為50%。航攝飛行根據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進行，以保證影像質量。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容，詳細技術流程如圖2所示。文獻［6－10］對無人機遙感影像獲取、數據處理、質量評定以及地圖制作進行了較為深入研究，在此不再贅述。

在空三加密過程中，在每個加密區四周和內布設一定量的平高控制點。人能到達區域的像控點采用GPS－RTK(real－time kinematic)實地測量，對于不能到達的區域利用1∶1萬比例尺立體像對在JX－4立體模型上采集。空三加密將根據每個航攝區塊進行分區。

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

應用本文方法實現潮間帶高程測量的依據是“潮汐性質基本相同”原理。測區范圍內的潮位必須滿足“最大潮高差≤1 m，最大潮時差≤2 h”［1］。當滿足這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，就能得到潮間帶區域高程信息。

2．1潮位觀測

在對潮間帶區域進行航攝時同步觀測潮位。觀測位置盡量接近攝影區域，以便能更準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個以上攝影區作業時，要確保有一定密度的潮位觀測站，以控制航攝區域內的潮汐變化特征。無人機航攝作業前需對照攝影區附近的驗潮站高低潮時間，合理安排航攝作業時間，確保采集數據的時段在半潮時內。

潮位觀測時，利用網絡RTK結合全站儀方法采集水面瞬時WGS84高程(網絡RTK固定解)，內業處理時用WGS84高程減去該區域高程異常值便得到水面1985高程。在作業區域條件允許時，直接用網絡RTK采集水面WGS84高程;否則需在觀測水位區域附近用網絡RTK做水準點并采集其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塊名稱、作業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為無人機作業潮位觀測記錄表，表中潮位站地理位置經緯度數據已進行了模糊處理。

表2 無人機作業水位觀測記錄表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地形圖數據與無人機正射影像數據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。考慮到測區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種方法進行。

單站改正法主要針對有效控制范圍內的水位觀測，采用線性插值方法對水位觀測時間進行內插，得到潮水瞬時高度。假設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。

雙站改正法是指當測區位于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，在其連線上根據距離加權的原理線性內插出若干個區域的水位高程值。通過無人機遙感影像對每個區域繪制出水陸邊界線，使用內插得到的水位高程值進行更新。假設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快速和成本低廉等優點，對重要的潮間帶區域可以進行加密航攝，以獲取足夠的高程實測信息，為更好地進行灘涂資源規劃、利用和保護提供了豐富數據。

3 應用實例

在浙江省2012年灘涂資源調查中，利用無人機遙感技術結合潮位觀測進行了潮間帶高程測量。調查范圍覆蓋浙江沿海地區各種地形的灘涂區域。32個航攝區塊分布在象山、三門、溫嶺、玉環及洞頭5個縣市。航攝面積共計130 km2;航攝作業時平均風力在5～7級以上。

本次無人機航攝獲取的潮間帶影像數據經過空三加密處理后，成果數據內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計書要求。經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、質量較好，能比較準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據和無人機正射影像數據，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據相結合，計算瞬時潮位高程，實現潮間帶高程賦值。與自然海岸線、水下等高線數據的比較驗證表明，潮間帶高程分布合理且符合自然規律。

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

4 結論

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，依靠傳統測量方式不能得到有效解決。隨著無人機遙感技術的快速發展，其獲取影像數據經濟、快速、受時間限制小等優點已在高危地區調查和應急響應中得到了很好的體現。本文對利用無人機遙感技術結合潮位觀測實現潮間帶高程測量的技術進行了研究，重點介紹了無人機遙感平臺及其影像數據處理流程，對潮位觀測外業實施和潮間帶水陸邊線處理進行了技術探索和實踐。2012年浙江省灘涂資源調查中使用了無人機測量潮間帶高程的實踐證明，無人機遙感技術結合潮位觀測能夠快速實現潮間帶高程測量，解決傳統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。

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