無人機傾斜攝影技術在海岸線修測中的應用

魏智東 黃 興 林 瑞 陳戈敦

(廣東省國土資源測繪院, 廣東 廣州 510500)

0 引言

海岸線是多年平均大潮高潮線,是多年海陸分界的痕跡線[1]。海岸線作為陸域與海域的分界線,本身蘊含著重要的社會經濟資源和生態價值。明確海岸線,是適應海域管理需求的重要基礎工作[2];加強海岸線保護與利用管理,是促進海洋資源可持續利用的重要舉措[3-4],不僅有利于各涉海部門分清管理范圍和責任,促進《海域使用管理法》和相關涉海法律的有效實施,更有利于海洋資源、土地資源以及水資源的保護和可持續利用。

立足于自然資源管理的視角,開展海岸線修測是貫徹“陸海統籌”戰略,有利于推進自然資源海洋生態文明建設,關系到國家海洋生態安全、海洋經濟高質量發展和沿海地區民生福祉[5]。國內外專家學者針對海岸線實施工作展開了很多深入的研究,并得到了很多科學分析結果。海岸線界定與修測工作,各專家學者從多個方向進行了研究論述。①利用全球導航衛星系統(global navigation satellite system,GNSS)進行海岸線獲取方面,劉文勇、周巨鎖利用廣東省連續運行衛星定位服務系統(Guangdong continuously operating reference stations,GDCORS)技術在海岸線修測中的實際應用,展示了結合GNSS測量技術在海岸線修測中相對于傳統測量技術不可比擬的優勢,通過GNSS測量技術確定海岸線測量的精度,采用外業定位,內業定性的作業方式,在未來海岸線修測工作中,多采用這種作業方式進行海岸線修測工作[6]。②采用遙感影像進行海岸線獲取方面,吳一全、劉忠林展示了目前國內外利用遙感影像自動提取海岸線的研究進展,展示了根據遙感影像提取海岸線的不同方法的優劣,闡述了海岸線校正原理及精度評價方式,為基于遙感影像提取海岸線提供了參考[7];蔣科迪等人在《基于遙感影像的陵水海岸帶調查研究》一文中提及通過研究基于多年遙感影像海岸線的時空演變分布特征,確定海岸帶環境變化影響因子,進而影響海岸線的時空分布演變[8];麻德明等人展示了面向對象的無人機遙感影像海岸線提取方法,通過分析提取出人工海岸線與沙質海岸線精度較好[9]。上述提及的海岸線獲取方法,采用GDCORS技術進行外業定位,但內業定性工作取決于測量人員判定,受人員影響較大,導致無法提供有利的定性依據,不利于后期的工作開展;而采用遙感影像方式提取海岸線,提取精度受遙感影像精度影響較大,在實際的作業中,難以獲取厘米級精度要求。

結合上述實踐經驗與理論方法研究,本文以2019年廣東省海岸線修測工作為例,結合GDCORS技術與無人機傾斜攝影技術高質量完成2019年廣東省海岸線修測工作,提出了根據無人機傾斜照片獲取傾斜照片獲取其可視域的方法。通過岸段分類情況自動匹配無人機傾斜照片可視域,為海岸線定性工作提供便利,可以高效完成傾斜照片篩選工作;同時,通過該方法可以作為海岸線內業定性工作的依據,做到海岸線定性有跡可循;無人機傾斜照片還可為海岸線綜合治理與防災減災工作提供支持。

1 基于無人機傾斜照片可視域分析方法

隨著科技水平的不斷發展,無人機技術與攝影測量技術相結合,測繪技術在傾斜攝影測量、三維建模、應急測繪、環境監測等方面取得空前的發展[10],無人機航攝技術以其數據獲取快速化、實時化、輕便化以及費用較低等特點迅速在測繪行業興起,革新了測量數據的獲取方式。常規的傾斜攝影測量技術,需兩景照片以上構建立體像對,且具備一定的重疊度的方式才能進行，通過重疊區域獲取同名點、構建共線方程、計算獲取同名點的三維坐標[11],該方法精度較高,但在海岸線修測工作中,若采用常規傾斜攝影測量技術,工作量較大且耗時長。本文基于無人機傾斜攝影測量獲取地面傾斜照片,通過傾斜照片在海岸線修測工作的應用方向進行研究,分析無人機傾斜照片可視域獲取方法,結合可視域與海岸線進行空間分析,建立海岸線與無人機傾斜照片可視域的空間關系,便于海岸線修測定性工作,為海岸線綜合治理與防災減災工作提供傾斜照片支持。無人機傾斜照片可視域分析方法流程見圖1。

圖1 無人機傾斜照片可視域分析流程圖

1.1 無人機傾斜攝影測量技術

無人機傾斜攝影測量技術,通過飛行平臺搭載多角度傳感器,可以獲取到地物傾斜影像、拍攝時飛行平臺的姿態參數、傾斜方向的真實紋理,從而獲得立體的地理環境信息[12]。無人機傾斜攝影測量技術為獲取高精度的傾斜攝影影像成果,需在研究區域布設像控點,用于控制傾斜攝影測量精度,同時要求無人機傾斜攝影拍攝的傾斜影像航向與旁向需保證一定的重疊度[13]。在無人機傾斜攝影測量精度研究方面,王柳等人展示了消費級無人機進行傾斜攝影采集的方法及其所達到的精度指標,展示了消費級無人機在傾斜攝影測量技術的可行性分析[14]。通過無人機傾斜攝影測量技術,可以快速獲取地物實地特征,無人機傾斜攝影測量技術廣泛地應用于防災減災、農業監測、自然資源管理等方方面面,隨著科技水平的發展,無人機傾斜攝影技術將應用到群眾生活的方方面面,本研究僅考慮單張傾斜攝影照片進行分析,確定單張傾斜攝影照片在海岸線修測中的應用。

1.2 無人機拍攝傾斜照片可利用性分析

無人機搭載航攝儀,內含定位定姿系統(position and orientation system,POS)。航攝儀是獲取傾斜照片的重要設備,拍攝傾斜照片時的焦距與水平視角、垂直視角的對應關系參見表1。

表1 焦距與水平視角、垂直視角對照表

POS系統由慣性測量裝置(inertial measurement unit,IMU)和全球定位系統(global positioning system,GPS)組成,通過IMU測定姿態,以俯仰角、航向角、翻滾角表示無人機飛行姿態,GPS測定位置[15]。海岸線修測工作中,要求拍攝的傾斜照片能看清海岸線修測對象即可,對無人機拍攝的傾斜照片沒有其他特殊要求,因此拍攝照片具有隨機性,參考圖2,無人機拍攝傾斜照片實景模擬圖,對焦視線為攝影設備拍攝照片時的攝影光束,在其豎直方向上為垂直視角,水平方向上為水平視角。

圖2 無人機拍攝傾斜照片實景模擬圖

為了更好地模擬攝影設備拍攝照片時的姿態,圖2模擬水平視角投影至地面,垂直投影高度為h。無人機拍攝傾斜照片的瞬間,由無人機POS系統記錄無人機位置及姿勢,根據POS系統記錄的俯仰角結合焦距對應的垂直視角判定傾斜照片是非對天拍攝,判定依據如下：俯仰角是無人機航飛時機體與水平視線的夾角,當無人機機體與水平方向平行時,俯仰角為0°;俯仰角不為0時,其正負號僅代表拍攝方向,向上為正,向下為負,數值是角度大小。隨著無人機飛行姿態的變化,其俯仰角大小也隨之變化：若俯仰角符號為負,判斷傾斜照片非對天拍攝;若俯仰角符號為正,且俯仰角小于1/2垂直視角,則傾斜照片非對天拍攝;如果俯仰角大于1/2垂直視角,則傾斜照片對天拍攝,無法直接拍攝到地面,傾斜照片無法獲取地面視域,剔除傾斜照片。

1.3 無人機拍攝傾斜照片可視域分析

1.3.1垂直視角及視距分析

根據1.2節剔除對天拍攝的傾斜照片、對其他可用的無人機傾斜照片進行可視域分析時,首先需要明確的是拍攝實體最近的距離L1與最遠的距離L2,參考圖2。決定性參數包括拍攝高度h、垂直視角大小、俯仰角。拍攝高度h是無人機拍攝傾斜照片時,無人機沿垂直方向到地面的距離;垂直視角可有無人機拍攝照片的時的焦距根據表1的對應關系表中獲取;俯仰角是移動調查設備拍攝的對焦視線與水平視線的夾角,其正負號僅代表拍攝方向,向上為正,向下為負,數值是其大小。隨著移動調查設備拍攝方向的變化,其俯仰角也隨之變化,進而導致移動調查設備在其上下垂直視角拍攝的角度也隨之改變,當俯仰角為正時,表示拍攝方向位于水平視線之上,俯仰角不能大于1/2垂直視角,若俯仰角大于1/2垂直視角,則表示儀器設備無法獲取地面影像信息,根據上述理論可以根據垂直視角分析進而推算儀器設備拍攝的視距與垂直視角、俯仰角的對應關系,根據對應的關系計算儀器設備拍攝照片時最近視距L1與最遠視距L2,參考式(1)。

(1)

式中,L1、L2分別代表最近視距和最遠視距;α上代表垂直上視角;α下代表垂直下視角;α代表由焦距獲取的垂直視角;θ代表俯仰角大小,計算時需去除其正負號,公式中俯仰角為負時,α上作減,α下作加;俯仰角為正時,符號相反,若俯仰角為0°時,θ為0。

1.3.2可視域分析

參考圖3，把垂直方向上的拍攝行為投影至地面,在水平平面上,方位角是點從北方向起算,順時針方向到目標方向線之間的水平夾角,值大小為0°～360°。根據旋轉規律,分為第一象限至第四象限,方位角為移動調查設備在水平平面的投影點指北方向順時針旋轉到水平視線的夾角,并以該點為原點中心,由于在不同的象限,其坐標增量ΔX、ΔY有所不同,將平面分為第一象限至第四象限。

圖3 傾斜照片地面位置視域坐標系示意圖

水平面上,移動調查設備能拍攝到的最大視域其最鄰近處(x1,y1)與最遠處(x9,y9)方位角都是一致的,因此,地面視域邊緣處方位角相同。為了更準確地模擬出移動調查設備獲取地面視域的準確性,在能拍攝的最遠距離將水平視角拆分為6等份,結合公式一計算的L1、L2,計算移動調查設備拍攝實景照片地面視域輪廓點(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)、(X4,Y4)、(X5,Y5)、(X6,Y6)、(X7,Y7)、(X8,Y8)、(X9,Y9),將各輪廓點連成面要素即為無人機傾斜攝影測量的可視域面要素,具體計算參考列式(2)。

式中,β代表移動調查設備水平視角;ε代表移動調查設備拍攝視線方位角;ε等份代表將移動調查設備的水平視角拆分為6等份;εn代表地面視域第n輪廓點的方位角,n為1～7;L代表輪廓點到移動調查設備投影點的距離,取值為最近距離L1,最遠距離L2;(Xn,Yn)代表輪廓點坐標值。

2 2019年廣東省海岸線修測工作應用實例

廣東省海岸線總長度約4 100 km,是全國各省之最,是我國海洋強國重要的環節之一。2019年開展的廣東省海岸線修測工作存在修測困難、岸線定性困難、核實困難等多種難題。采用無人機傾斜攝影測量技術,對廣東省全域沿海岸線方向獲取全域的無人機傾斜照片數據,在室內即可實時獲得岸線實地情況,為岸線的界定工作與定性工作提供依據,同時也是岸線審核的重要依據。但在實際的操作過程中,使用無人機傾斜照片的方式存在以下問題：①無法明確無人機傾斜照片的可視覆蓋范圍,傾斜照片應用具有盲目性;②常規的使用方式需由工作人員一一挑選,挑選精度具有不確定性,挑選正確率無法保障,耗時耗力,增加工作成本;③無人機傾斜照片利用率低,可能存在遺漏,導致岸線定位與定性工作失真的情況。為解決上述問題,通過編寫程序實現無人機傾斜照片POS數據自動獲取無人機可視域,可自動篩查可用無人機傾斜照片,并分析、計算無人機傾斜照片的可視域,與海岸線要素進行空間疊加分析,供調查人員快速讀取岸線所涉及的無人機傾斜照片,更好地服務于廣東省海岸線修測工作,也可為后期復查提供一件事提取岸線無人機傾斜照片,做到有目的性地提取重要信息,保質保量完成復查工作,做到可追溯的復查行為。

2.1 廣東省海岸線修測無人機傾斜照片可視域分析

廣東省海岸線修測采用大疆系列無人機進行沿岸無人機傾斜照片獲取工作,獲取無人機傾斜照片POS點位數據,經度、緯度用于確定無人機傾斜照片拍攝時機體的位置;拍攝高度h是無人機拍攝傾斜照片時,無人機沿垂直方向到地面的距離;航向角是無人機拍攝傾斜照片時的機體方向與標準北方向間的夾角,用于定向;攝影設備水平視角結合獲取水平方向上的可視距離。根據廣東省海岸線修測采用大疆系列無人機POS點位數據自動獲取每張傾斜照片的可視域面要素,無人機傾斜照片可視域分析結果詳見圖4。

圖4 無人機傾斜照片可視域分析結果

2.2 無人機傾斜照片可視域在廣東省海岸線修測工作的應用分析

根據無人機傾斜照片可視域,即可直觀地顯示各無人機傾斜照片可視覆蓋范圍,一方面調查人員即可實時查看每張無人機傾斜照片可視域覆蓋范圍,便于無人機傾斜照片的選用;另一方面可將無人機傾斜照片可視域與海岸線要素進行空間疊加分析,快速獲取岸線涉及無人機傾斜照片,將可視域掛接至海岸線屬性數據中,以供后期的查看與修改,做到一次掛接,多次應用的無人機傾斜照片工作實施方案,做到即開即用,用則正確的無人機傾斜照片使用管理方式,調查人員可直接通過海岸線屬性即可查看所有涉及的無人機傾斜照片,避免了過去人工盲目選擇無人機傾斜照片的困擾,提高了工作效率,并為岸線的定位定性工作提供更全面的傾斜照片支持,最大限度地避免了以偏概全的情況,同時做到復查工作可追溯行為,為后期的海岸線管理工作提供了幫忙。

3 結束語

本文基于無人機傾斜照片POS自動獲取可視域,通過空間疊加分析方法服務于2019年廣東省海岸線修測工作,做到一鍵式的分析與查看功能,大大提高了海岸線修測的工作效率。總之,本文研究總結如下：

(1)基于無人機傾斜照片可視域分析可一鍵式獲取傾斜照片的可視域范圍,避免人工判斷遺漏,節省人力物力。

(2)通過編寫無人機傾斜照片可視域分析軟件,在分析過程中做到不缺不漏,提高海岸線定位、定性工作的準確率,為海岸線保護與治理提供數據保障與支持。

(3)本文研究過程中,將地面模擬為水平面進行討論,沒有將地形高低起伏和地球曲率一并考慮進去,獲取的無人機可視域范圍有一定的誤差,后期繼續研究將地形高低起伏和地球曲率一同考量,爭取獲得更加精確的無人機傾斜照片可視域范圍,更好地向服務于自然資源管理工作延伸。