無人機航測技術在河道泥沙沉積量監測的改進研究

劉曉哲

(遼寧河庫管服務中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

隨著無人機測量技術的快速發展，無人機航測技術在水利工程測量中得到逐步應用和推廣，已成為河道治理、規劃設計中地形測量的一種重要方式[1]。泥沙沉積量是河道治理、采砂規劃的重要基礎，傳統方法大都采用人工地形測量的方式進行監測，這種方式監測的精度較高，但需要耗費大量的人力和物力，且很難實現連續河段泥沙沉積量的監測。近些年來，衛星遙感影像解譯技術在河道泥沙沉積量監測中得到應用[2- 9]，但是受衛星遙感影像采集時間影響，其泥沙沉積量監測的精度較低，很難得到推廣和應用。隨著無人機航測在河道地形勘測中的逐步應用，其在泥沙沉積量監測中也得到不同程度的應用[10- 15]，通過在無人機底部安裝多譜儀，通過發射電磁波對泥沙沉積量進行監測，這種方式的優點在于可以實現連續河段泥沙沉積量的監測，但由于河道地形起伏較大，在實際監測時無人機航高和航線參數設置合理度低，往往使得泥沙沉積量監測的精度較低，導致無人機航測技術在泥沙沉積量監測中的應用效果較低。為此文章結合區域DEM數據確定區域平均高程，對無人機的航高和航線參數進行合理設定，解決傳統無人機航測受河道地面高度起伏變化、航高和航線參數設置過高或過低的問題。以遼干河流為研究實例，結合河段泥沙沉積量實測值，對比改進后的和傳統無人機航測方式下的泥沙沉積量監測精度。研究成果將為無人機航測在河道泥沙沉積量監測進一步推廣和應用提供參考價值。

1 河道泥沙沉積量的無人機航測技術

1.1 航高確定方式的改進

在采用無人機航測時采用儀器自身攜帶的軟件對其航高和航線進行設定，在實際航測過程中，由于河道地形起伏較為復雜，航測起點和終點均不在同一條水平線上，使得航高、航線以及控制點等參數難以準確確定，降低無人機航測的泥沙沉積量監測精度，因此以平均分辨率作為無人機航測監測的基礎條件，對無人機航測高度的確定方式進行改進。首先通過獲取航測區域的DEM數據后，采用專業軟件對區域DEM數據包進行裁剪得到航測河段的平均高程，結合無人機航測規范對其航高進行確定：

(1)

式中，j—航拍相機鏡頭焦點距離，mm；o—衛星影像地面分辨率；θ—DEM數據的像元大小。

在無人機航測高度確定的基礎上，結合衛星影像地面分辨率與其航測條件進行對比，當o≤5時，其衛星地圖比例尺為1∶500；當8≤o≤10時，其比例尺為1∶1000；當15≤o≤20時，其比例尺為1∶10000。河段泥沙沉積量監測點通過人工現場檢驗的方式進行確定，無人機監測的航高將方程(1)計算的高度減去該點高程得到。

1.2 航線布設方式的優選

通過降低監測區域影響重疊率來確定航測的最優線路，對監測區域編輯線在航線優選時進行局部外延處理，將數據傳輸到遙控器內，河道泥沙傳輸過程通過攝像測量模塊進行掃描，從而確定航測的最優線路。相鄰兩像片按照航測規范要求需在相同航線上，并且圖像不出現重疊。航向最低重疊度對于無人機航測的要求是不小于55%；重疊度應足夠滿足相鄰航線要求。最低旁向重疊度對于無人機航測的要求是不小于10%。分別采用以下方程并結合測量地點和終點位置、航線方向和距離對其基線和航線寬度進行計算。航線參數可通過地面監控站進行設置。

(2)

(3)

(4)

式中，l—成像尺寸，m；p%、q%—航向與像片在不同航向上的重疊度；m—攝影比例尺分母；H—攝影航高，m；f—攝影機主距，m；B—攝影基線，m；D—航線間隔寬度，m。

1.3 泥沙沉積量計算

在確定無人機航高和航線后，對其河段泥沙沉積量進行無人機航測，自動生成監測數據表。河道四周坡度、地表與河道間距通過無人機航測獲取后，沉積層寬度利用三角函數計算原理獲得，垂直方向上泥沙沉積層面積計算方程為：

(5)

式中，x、y—泥沙沉積層上下層的坡間距，m；R—上下泥沙沉積層的間距m。

根據方程(5)生成沉積層剖面圖，分別用I和I′表示上下層剖面面積，則其三維剖面影響體積計算方程為：

(6)

河道內泥沙沉積旋回層會在水流初次攜沙傳輸時產生，河流不同攜沙能力的泥沙沉積量計算方程為：

(7)

式中，n—水流在固定時段內攜沙次數；Zi—泥沙在節點i處的泥沙沉積體積，L。在進行河道泥沙沉積量監測時，當河道攜沙能力超過限定值后，泥沙沉積量通過方程(7)進行估算，為了得到較為精確的監測結果，每隔一段時間在無人機航測時采用方程(7)進行一次泥沙沉積量的實時估算，以自動生成數據表的形式反饋到監測終端，最終實現河道泥沙沉積量的無人機航測下的實時連續監測。

2 實例應用分析

2.1 設備選取

選取傾斜無人機飛鷺UV- 10作為監測工具，其主要性能參數見表1。連接五通道多光譜相機和設備，對不同河段下的河道泥沙沉積量進行監測。

表1 傾斜無人機(飛鷺UV- 10)主要性能參數

2.2 監測試驗方法

選取遼河干流鐵嶺水文站以上河段10km范圍作為監測河段，采用無人機航測進行連續10天的監測，監測前對多光譜相機的傳感器進行校正，獲取監測斷波段發射數據。按照前述航高和航線確定方法，結合對應的參數(表2、表3)，對其航高和航線進行確定，航線設置如圖1所示。

圖1 監測河段航線設置

表2 航高設置參數

表3 航線設置參數

2.3 監測數據精度分析

分別利用3組傳統監測方式、1組人工測量監測方式以及文章改進的監測方式對選取的河段泥沙進行連續監測，將不同監測方式下的值和人工測量監測方式下的泥沙沉積量進行誤差對比，誤差對比方程為：

(8)

式中，λ—相對誤差均值，%；M—監測數據總量；S1—傳統監測方法下的泥沙沉積量，t；S2—人工測量方式下的泥沙沉積量，t。對不同方式下的泥沙沉積量誤差進行計算統計，并統計各監測方法和人工測量方法下的相關系數，結果見表4和表5。

表4 不同監測方法下泥沙沉積量平均誤差統計

表5 不同監測方法下泥沙沉積量相關系數統計

對照A組、B組、C組分別為三種采用傳統監測方法下的泥沙沉積量監測誤差，從平均誤差對比結果可以看出，文章改進的監測方法下和人工測量相比，其平均誤差均低于30%，而其他三種方法下的誤差高于30%，相比三種傳統監測方法，改進的監測方法由于合理設定無人機航測的高度和航線，泥沙沉積量監測誤差平均可下降10%。此外通過連續10天的觀測，由取得的監測數據系列和人工監測數據系列的相關系數對比結果可看出，相比于其他三種傳統監測方法，文章改進的監測方法下的相關系數有所提高，相關系數平均可提高0.2。

3 監測質量控制措施

3.1 無人機影像質量控制

按照標準規范對無人機航測數據進行影像質量控制。其中飛行和影像質量控制措施主要為：

(1)飛行質量控制措施：按照CH/Z 3005—2010《低空數字航空攝影規范》要求對獲取的航拍影像質量進行控制，是否覆蓋航測的邊界范圍，航拍圖像是否滿足任務要求。

(2)影像質量控制措施：對地表細小地物的清晰度進行質量控制，是否存在明顯的圖像空白缺陷，是否出現重疊影像，像片曝光受無人機航測影響是否滿足點位移動規范要求。以上質量控制指標不滿足CH/Z 3005—2010航測規范要求時，需要再次進行航測，航測基本條件要和前面測次具有一致性。

3.2 像片重疊度質量控制

主要對其航向和旁向重疊度進行質量控制。兩張相鄰像片在相同航線上的重疊度需要滿足以下質量控制措施要求：在同一航線上最低航向重疊度應高于55%，最低旁向重疊度應高于10%。

3.3 像片傾斜角與旋偏角檢查

當無人機進行航測時，需要對其航偏角和俯仰角度進行不斷優化調整，從而降低無人機航測時由于航帶轉換時間較短而使得像片傾角過大造成數據質量誤差，無人機航測開始時，其航偏角一般誤差較大，航向改變處為像片傾斜角點位最大所處區域，因此通常情況下在航向改變處不會對其圖像進行采集，從而提高圖像采集獲取的數據精度。因此在進行質量控制時傾角最高度數要低于3°。無人機航測旋偏角是由相機旋轉不確定所產生的，其旋偏角要控制在6°～8°，三個連續圖像采集過程中的旋偏角均不能高于6°。

在軟件中自動篩選照片，對橫滾角≤15°、俯仰角≤30°的照片進行篩選，剩余照片基本滿足低空攝影測量對傾斜角和旋偏角的要求。

3.4 航帶內最大高差檢查

由于外業天氣環境影響在航測過程中無人機預先設定的航高會有所偏離，使得不同像片具有差異較大的航高，從而影響數據采集的精度。因此需要對航測高度進行質量控制，在同一航線上進行圖像數據采集的過程中兩個相鄰圖像之間航高間距要低于10m，航高最大和最小值之間的差值要低于5m，預選和實際航高之間的差值也要小于5m。無人機在飛行作業過程中可以通過自控系統對高程進行適度調整，低空測量區域內的高差要滿足航測規范要求。

4 主要結論

(1)在相同航線上無人機最低航向和旁向重疊度分別應不低于55%和10%，這樣才能保證航測過程中相鄰像片之間不會出現重疊現象，從而提高河道泥沙沉積量數據采集精度。

(2)無人機在轉換航帶時時間較短使得像片產生較大傾角，降低數據采集精度，而航向改變處通常為像片傾斜角最大的點位，因此在飛行作業過程中不可在航向改變處進行拍攝。

(3)利用無人機航測泥沙沉積量的監測方式在大風、雷暴等天氣條件下的應用效果還有待驗證。