海岸帶地質環境調查的無人機航測精度

秦 菡 曾維特 李華彥 楊新發 張同同 鄭建宜 沈愛斯

(1. 海南省海洋地質資源與環境重點實驗室, 海南 海口 570206;2. 海南省海洋地質調查研究院, 海南 海口 570206)

0 引言

海岸帶是海陸相互作用的交集地帶,也是生態脆弱災害多發的敏感區域[1],海岸帶環境的演化直接影響了人類的生活質量和生存發展,科學認識海岸帶地質環境的形成和演化規律及其人類活動對海岸帶的影響,是實現人地協調、可持續發展的基礎和前提。目前,海南島砂質岸線的主要地質環境問題為:岸坡變陡、岸灘變窄,岸灘砂質細化、黑化,岸線侵蝕后退等。為了進一步做好海岸線地質資源開發利用與保護、海岸帶生態環境保護與修復、近岸重大工程基礎設施地質安全和海岸帶地質災害防治等工作,需要準確及時的空間地理信息作為支持。

與傳統的依靠全站儀、水準儀、全球定位系統(global positioning system,GPS)等測量工具的全野外大比例尺地形圖測圖方式相比,無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)攝影測量[2-3]作為載人遙感和衛星遙感的補充手段,具有周期短、效率高、成本低、操控簡單、受地面狀況和天氣情況影響較小、數據更新較為靈活簡便等特點,同時配合全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)、慣性測量單元(inertial measurement unit,IMU)等技術來獲取測區影像數據,經一系列內業處理工作[3]后,獲取地物的空間地理信息數據,從而廣泛應用于小范圍大比例尺地形圖測量[4],在海岸帶測量中成為不可或缺的技術手段[5]。

1 實驗區概況與作業內容

1.1 實驗區概況

受到豐富的地表水和強烈的化學風化作用,海南島的海岸線每年均會受到不同程度的侵襲,而海口市西海岸處于海口市規劃的濱海旅游發展軸線和城市發展軸線之間,區域資源和區域位置突出。因此本文將位于海口西海岸的國際會展中心(110°11′21″E、20°3′41″N附近)周邊區域作為實驗區,重點關注沙灘被侵蝕的動態變化,為西海岸岸線治理等工程提供數據指導。

1.2 技術路線

無人機攝影測量以無人機為飛行平臺,搭載數碼相機等傳感器設備,在目標區域進行航攝飛行,獲取測區內影像數據及每張相片對應的定位定姿系統(position and orientation system, POS)點數據,再對數據進行空中三角測量等內業處理,從而獲得數字表面模型(digital surface model,DSM)、數字正射影像(digital orthophoto map,DOM)、數字線劃圖(digital line graphic,DLG)等基礎測繪產品,為海岸帶地質環境調查提供基礎地理資料[6]。技術路線見圖1。

圖1 海岸帶地質環境調查航測技術路線

1.3 野外作業內容

本文所涉及的岸段測量范圍僅為作業期間海岸帶地區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實時動態載波相位差分技術(real time kinematic,RTK)多旋翼無人機配合單鏡頭相機及中海達全球導航衛星系統接收機(Ubase)硬件進行航攝。

重點岸段附近的地形復雜多變,水域面積較大,岸線彎曲程度不同且現有的地物特征較少,故需制定針對性的作業流程[7]。

在正式飛行前,需充分整理測區相關航攝資料、已知控制點點之記、地形圖等資料,根據測區地形地貌、測圖比例尺等進行航攝分區、飛行架次、相控布設點、航向重疊和旁向重疊以及曝光間隔、航線間隔的設定。

1.3.1布設控制點

控制點布設可采用區域網五點法布設控制點[8],即測區四角4個控制點,中心1個控制點,其中四角控制點處于兩個航測相鄰區域時,像控點盡量布設在航線重疊結合處,鄰區盡量公用。

根據實際測量過程中存在位置難以到達、像主點落水等問題,在滿足空中三角測量以及立體測圖的要求下,根據岸段形狀、植被分布等情況進行控制點布設,對于經濟發達的海岸帶地區,選取相對固定且易于準確量測和定位的地方或較易布設與容易到達的地方均勻布設像控點;對于較難到達或測區內部分區域難以到達以及周圍地物不能明顯區分的海岸帶地區,特征點較少,使用半徑0.15 m的圓形像控布全野外布點測量,像控點位置應做到大小適宜、易于辨認、不易遮擋,并位于高潮線以上;同時能最大限度均勻控制測繪面積,本文共布設5個控制點及11個檢查點,如圖2所示。

圖2 控制點與檢查點示意圖

1.3.2無人機數據采集

按規定,無人機飛行需進行空域申請[9],但本次工作飛行高度為100 m,滿足“120 m以下非機場軍方、政府、監獄等禁飛區不用申請空域”的條件,因此無須做空域協調。現場作業前,對飛行平臺、航攝儀、飛控系統等進行檢查和維護;在適宜位置架設Ubase接收機測站采集靜態數據;采用垂直起降方式起飛,按預設航線飛行過程中時刻監視飛行高度、速度、飛行姿態等;起飛點與降落點在同一位置,起降點附近無遮擋,平整開闊,GNSS衛星信號好。

為控制數據采集速度,同時兼顧無人機航拍的承載能力,航線設置為航向重疊率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。

為控制實驗區內的相片質量,航線邊距在測區邊線的基礎上外擴50 m;采用定距模式拍照,照片比例為4∶3,云臺角度為-90°;采用中央平均的測光模式,防止過曝或者欠曝。

無人機降落后,要及時導出無人機數據(影像數據、機載端數據、拍照點時刻文件)及基站數據(基站靜態文件、基站對應的基站坐標)并檢查,若有不合格數據,應依據補飛方案進行補飛。

1.4 數據處理內容

1.4.1后差分處理

在后差分處理(post processed kinematic,PPK)軟件中導入無人機及基站數據,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,獲取目標橢球BLH及ENZ坐標格式的POS信息,使曝光瞬間的位置更可靠。

1.4.2空中三角測量

光線束法區域網空中三角測量是以投影中心點、像點以及對應的地面點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把所有相片的光束連成一個區域進行整體平差,解算相片中各點的三維坐標[10]。結合解算后的POS文件、控制點文件,經過影像特征點提取、同名點匹配等步驟實現自由網空三測量。由于自由網空三測量后需要人機交互進行控制點配準工作,所以需要進行二次甚至多次全自動空三加密優化[11-12],直至空三測量的精度滿足要求。

1.4.3立體模型建立

根據空三加密測量成果進行模型分塊,并在此基礎上,全自動提取測區密集點云,以便進行點云分類、影像圖制作、可視化及分析等;生成不規則三角網,同時利用鏡頭獲取的紋理信息,自動貼圖,得到測區三維網格模型。

1.4.4數字成果生成

采用立體測圖生產數字成果可免去大量的外業實測及調繪工作,大大提高了生產的工作效率。本文實驗在完成立體建模后,自動生成實驗區可互操作的光柵圖層—正射影像DOM及數字表面模型DSM[13]。

DLG數字成果借助于立體測圖軟件中的三維模塊,將osgb格式的三維網格模型轉換成DSM表面模型,借助模型的空間尺寸信息,利用三維實景模型的空間量測功能,直接進行地形、地物的量算及采集工作。

2 精度評價

2.1 空三精度評價

P01、P02、P03點為沙灘控制點,P04、P05點為水泥路控制點,各點的中誤差見表1。

表1 控制點的平面位置與高程中誤差 單位:m

5個控制點中,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個檢查點的位置,其中6個點在實驗區域內,4個點在實驗區邊界線外擴50 m范圍內,1個點位于實驗區擴充區域外,各點的中誤差見表2。

表2 檢查點的平面位置與高程中誤差 單位:m

如表2所示,11個檢查點中,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。根據控制點及檢查點中誤差可知,空三精度較高,滿足《數字航空攝影測量空中三角測量規范》的1∶1 000地形圖測圖要求。

2.2 影像精度評價

使用RTK實測地物特征點與影像圖上的同名像點進行對比分析來檢查影像的平面位置及高程精度,如表3所示。

表3 影像精度分析驗證 單位:m

通過16個均勻布設的RTK實測點與DOM、DSM中同名像點做對比,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,滿足規范要求。

2.3 數字線劃圖精度評價

使用RTK實測地物特征點與1∶1 000地形圖上的同名點進行對比分析來檢查影像的平面位置及高程精度(地形圖上同名點的高程可通過三維模型直接量取),如表4所示。

表4 DLG精度分析驗證 單位:m

通過計算得到平面位置中誤差為0.041 m,高程中誤差為0.034 m,查找規范可知1∶1 000比例尺平面、丘陵地的點位中誤差為0.6 m,平地的高程中誤差為0.2 m,對比得到0.041<0.6,0.034<0.2,因此滿足規范要求。

3 數字成果精度分析

將影像和數字線劃圖的平面位置中誤差及高程中誤差作為精度評定指標,可發現數字成果均能夠滿足規范及作業要求。

使用影像和數字線劃圖的點位誤差及高程誤差進行精度分析,以此來確定最優控制點及檢查點的布設方式及位置,為大面積海岸帶地質環境調查提供理論依據,如圖3所示。

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

(a)影像平面位置精度統計折線圖

(b)影像高程精度統計折線圖

(c)DLG點位精度統計折線圖

(d)DLG高程精度統計折線圖

根據實際測量環境分析,檢查點C01布設在水泥路上的雨水篦子邊角處,控制點與周邊地物顏色變化不明顯,導致人機交互誤差較大,因此該點處平面精度誤差較大,且該點處位于水泥路上面,因此高程精度影響不大;而檢查點C11點位于會展中心高層建筑物的中心位置,周邊區域有一個高程垂直變化的現象,對該點位高程精度有較大影響。

實驗區外擴區域內外的4個檢查點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,在規劃測區以外但無人機可以拍攝到的區域,數字成果的精度均滿足規范要求。

由此可驗證,布設像控點時要避免有高層建筑,且要與周邊地物明顯區分;若布設的像控點得當合理,航攝范圍線外擴50 m范圍內的數字成果亦可滿足精度要求,在數字成果分幅、裁切時可保留。

4 結束語

實驗將影像同名像點、DLG同名點與實測RTK測量點做對比,雖個別結果受周邊地形與人機交互的影響,點位誤差相差較大,但仍在規范范圍內,點位精度和高程精度均滿足生產測量要求,因此無人機低空遙感技術能夠完全滿足海岸帶地質環境調查的需要,所獲數據形式多元化,可用于測區的全方位分析,并且能夠大幅度減少外業工作量,提高工作效率。

本文在數據處理過程中發現,點云數據未做到精細分類,房屋、樹木等對DEM制作影響較大,影像反映的是地表高程數據,而并未最真實地進行地面地形數字化模擬,因此無人機航測技術在海岸帶地質環境調查過程中如何實現點云分類,將是下一步工作的重點。