無人機航測技術(shù)在水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測中的應用

張艷婷

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

無人機傾斜攝影技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的新型測繪技術(shù)，可以適應大范圍、高效率的測繪要求，對于人力難以抵達的高山峽谷、河流湖泊等都具有良好的適應性，因此廣泛應用于土地測量、規(guī)劃設(shè)計、產(chǎn)權(quán)確認、地形測繪和河道治理中[1]。在河道治理中，泥沙沉積量是最為重要的評價指標，在傳統(tǒng)的測繪方法中往往依賴于人力，并借助船舶等承載介質(zhì)進行點狀或線狀測量，測試效率低下，測試精度難以保證，需要耗費大量的人力物力，無法滿足河道整治對泥沙沉積量的大面積、長距離的測繪要求。無人機傾斜攝影技術(shù)則通過搭載光學攝影機從空中獲取地表的影像信息，借助專用的測繪軟件形成三維實景圖像，生成數(shù)值高程模型等，可以快速解譯河道的泥沙沉積量，實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，因此將其應用于水利工程河道泥沙沉積量的監(jiān)測具有廣闊的前景，受到國內(nèi)外諸多研究學者的關(guān)注[2-5]。本文以某河道為研究對象，采用無人機應用于該河道，提出無人機低空攝影測量系統(tǒng)，進行河道泥沙沉積量監(jiān)測，并分析其勘測精度。

1 工程概況

某河道屬于長江的一級支流，全長1345km，流域面積為16萬km2，流域地形呈鍋形，四周為丘陵山區(qū)，占80%；中間腹部為低洼圩區(qū)和河湖水面，占20%。地勢從南向北傾斜，上游坡度和扇面大，中下游坡度緩，共有大小16條支河匯入，是一個典型的一干多支樹狀型河道，該流域大多為山丘河道，具有源短、坡陡、流急、匯流快的特點。本研究選取瑞士無人機EBEEPLUS作為監(jiān)測工具對河道泥沙沉積量進行監(jiān)測，無人機的相關(guān)技術(shù)性能指標見表1。

2 基于無人機傾斜攝影的傾角數(shù)學模型的推導

為了獲取不同影像角度、影像覆蓋范圍和影像分辨率的圖像，無人機傾斜攝影在采集影像圖片時，需要將航攝儀設(shè)置一定的鏡頭傾斜角和巡航高度，如徠卡RCD30航攝儀，其巡航時鏡頭傾斜角為35°[6]。無人機傾斜攝影儀鏡頭的角度變化對于構(gòu)建三維實景圖像模型產(chǎn)生一定的影響，表現(xiàn)為攝影成果圖像特征提取、模型紋理清晰度和模型匹配精度等。在三維消防實景圖像模型構(gòu)建中，需要利用無人機傾斜攝影獲得的2種影像數(shù)據(jù)，分別是下視影像和傾斜影像。前者主要是獲得地形地物的表面影像信息，其分辨率為傳統(tǒng)意義上的分辨率，而后者主要獲得地形地物的側(cè)面影像數(shù)據(jù)，其分辨率為傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率[7]。

為了使得影像數(shù)據(jù)與實際模型更好地匹配，在無人機傾斜攝影中應保證一定程度的影像重疊，提高影像分辨率，同時影像的最大分辨率和最小分辨率的比值應小于2.0。無人機傾斜攝影的下視分辨率可以按公式(1)進行計算[8]：

(1)

式中，GSD—無人機傾斜攝影的下視分辨率；H—無人機相機鏡頭巡航高度；f—相機鏡頭的焦距；a—相機鏡頭視場角的一半。

傾斜影像分辨率的求解數(shù)學模型如圖1所示，圖中of為相機的主光軸，be為像元，EF為像物，K為相機主光軸和和像物EF延長線的角點，航攝儀傾角為θ。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系以及中心投影原理，可以推導hA長度和hB長度如式(2)—(5)所示[9-10]。

圖1 無人機傾斜攝影傾斜水平分辨率和傾斜垂直分辨率的計算原理

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，c1—面板的長；c2—相機面板的寬。

將式(4)與式(2)、式(5)與式(3)左右兩邊相減可以得到無人機傾斜攝影的傾斜水平分辨率AB，如式(6)、式(7)所示[11]。

(6)

(7)

同樣地，可對無人機傾斜攝影的傾斜垂直分辨率進行計算，結(jié)果如式(8)—(9)所示[12]。

(8)

(9)

3 基于無人航測技術(shù)的水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測方法

本研究采用無人機傾斜攝影對河道泥沙沉積量進行測繪，無人機巡航飛行參數(shù)及測試參數(shù)見表2，數(shù)據(jù)采集后分析其測繪精度，在拍攝前，對相機進行畸變差檢校，拍攝結(jié)束后，對其進行畸變差處理，以提高其測繪的準確性，測繪所采用的相機檢校結(jié)果見表3。采用SIFT算子和Harris算子結(jié)合進行影像匹配，首先提取SIFT特征點、Harris點，對其進行相對定向，得出內(nèi)集點A、B，刪除重復點，并合并內(nèi)集點A、B，得出內(nèi)集點C，刪除內(nèi)集點C中的錯誤匹配點，得出內(nèi)集點D，然后構(gòu)件同名三角形，或許新角點，通過相對定向得到內(nèi)集點E，合并內(nèi)集點D、E后，判斷點數(shù)是否滿足要求，如滿足要求，即匹配結(jié)束。對無人機得到的航拍數(shù)據(jù)進行處理，首先導入無人機的航拍照片、控制點文件，加載POS數(shù)據(jù)，然后設(shè)置工程相關(guān)參數(shù)，進行空三加密處理，最后生成數(shù)字高程模型(DEM)、正射影像圖(DOM)，進行成果輸出[13]。在得出DOM模型后，計算出泥沙沉積高程數(shù)據(jù)，最后完成泥沙沉積量的計算。無人機攝影技術(shù)在水利工程河道泥沙沉積量中的數(shù)據(jù)解譯過程如圖2所示。

圖2 無人機攝影技術(shù)在水利工程河道泥沙沉積量中的數(shù)據(jù)解譯過程

表2 無人機巡航飛行參數(shù)及測試參數(shù)

表3 無人機相機(Canon Eos 5D Mark3)檢校結(jié)果

表4 水利工程河道泥沙沉淀量不同監(jiān)測方法結(jié)果對比 單位：kg/m3

4 基于無人航測技術(shù)的水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測結(jié)果分析

在采用無人機航測技術(shù)監(jiān)測河道泥沙沉積量前，運用地表人工實測的方法對河道進行了2次真實泥沙量的平行監(jiān)測，監(jiān)測時間為2022年3月3日—2022年3月22日，結(jié)果如圖3所示。從圖1中可以看出，采用2次平行的地表人工實測泥沙沉積量曲線變化一致，其誤差范圍為-4.02%～-4.93%，最大誤差小于5%，表明采用地表人工實測泥沙沉積量可以作為無人機傾斜攝影技術(shù)以及其他傳統(tǒng)測繪方法獲取泥沙沉積量的參考。為了驗證無人機傾斜攝影技術(shù)在水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測中的可行性以及測繪精度，選取河道不同河段處進行為期20天的人工實測泥沙沉積量連續(xù)監(jiān)測，并采用3種不同的傳統(tǒng)監(jiān)測方法作為對照，對照組編號為對照組A、對照B和對照C，監(jiān)測結(jié)果如圖4—7所示。

圖3 水利工程河道泥沙沉淀量地表人工實測

圖4 水利工程河道泥沙沉淀量無人機傾斜攝影監(jiān)測值與實測值對比

從圖4中可以看出，基于無人機傾斜攝影技術(shù)的水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測值與地表人工實測值具有較好的一致性，其誤差范圍為3.13%～6.28%，由此表明基于無人機傾斜攝影技術(shù)具有較高的測試精度，應用于河道泥沙沉積量具有良好的可行性。從圖5中可以看出，基于傳統(tǒng)測繪技術(shù)的對照組A獲得的水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測值與地表人工實測值存在不同程度的偏差，其誤差范圍為-68.62%～494.07%，誤差最大的出現(xiàn)在監(jiān)測的第2天；從圖6中可以看出，基于傳統(tǒng)測繪技術(shù)的對照組B獲得的水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測值與地表人工實測值存在不同程度的偏差，但相對于對照組A其誤差范圍相對縮小，其誤差范圍為-78.74%～77.68%；從圖7中可以看出，基于傳統(tǒng)測繪技術(shù)的對照組C獲得的水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測值與地表人工實測值存在不同程度的偏差，其誤差范圍與對照B的誤差較為相近，其誤差范圍為-69.37%～76.02%。綜合以上分析表明，相對于傳統(tǒng)的測繪技術(shù)，采用無人機傾斜攝影技術(shù)在水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測中具有明顯的可靠性。

圖5 水利工程河道泥沙沉淀量對照組A監(jiān)測值與實測值對比

圖6 水利工程河道泥沙沉淀量對照組B監(jiān)測值與實測值對比

圖7 水利工程河道泥沙沉淀量對照組C監(jiān)測值與實測值對比

為了進一步說明各種方法在水利工程河道泥沙沉降量監(jiān)測中的誤差差異性，采用平均中誤差指標進行衡量，計算各傳統(tǒng)測繪手段和無人機傾斜攝影技術(shù)得到的監(jiān)測值與實際值之間的平均中誤差如式(8)所示。

(8)

式中，δ—監(jiān)測值與實際值之間的平均相對誤差；m—數(shù)據(jù)樣本的總數(shù)；q1—各傳統(tǒng)測繪手段和無人機傾斜攝影技術(shù)得到的監(jiān)測值；q2—地表人工實測值。

各傳統(tǒng)測繪手段和無人機傾斜攝影技術(shù)得到的監(jiān)測值與實際值之間的平均中誤差計算結(jié)果如表5和圖8所示。從圖8中可以看出，各個監(jiān)測手段的平均中誤差曲線均呈現(xiàn)出不同程度的波動，其中對照組A的平均中誤差變化最為劇烈，對照組B和對照組C的平均中誤差曲線相對較小，無人機傾斜攝影獲得的監(jiān)測值平均中誤差最小，變化幅度最平穩(wěn)。由此表明，采用無人機傾斜攝影技術(shù)對該河道泥沙沉積量進行勘測的準確性較高，在實際工程，采用無人機傾斜攝影技術(shù)對該河道泥沙沉積量進行勘測的可行性良好。

圖8 各監(jiān)測手段的平均中誤差曲線

表5 水利工程河道泥沙沉淀量不同監(jiān)測方法結(jié)果對比 單位：%

5 結(jié)語

本文以某河道為研究對象，采用無人機傾斜攝影技術(shù)布置監(jiān)測航線和航高獲取河流光學影像，通過解譯對河道泥沙沉積量進行監(jiān)測，并與傳統(tǒng)的勘測技術(shù)進行對比。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)測繪技術(shù)獲得的水利工程河道泥沙沉積量監(jiān)測值、地表人工實測值相比，無人機傾斜攝影技術(shù)得到監(jiān)測值誤差范圍最小，監(jiān)測值平均中誤差最小，變化幅度最平穩(wěn)。能夠真實反映水利工程河道泥沙沉積量，應用于水利工程河道、水系的大面積、長距離快速監(jiān)測具有明顯優(yōu)勢。但由于無人機技術(shù)在應用中受氣候條件等因素影響較大，因此在檢測過程中，應同時輔助其他監(jiān)測技術(shù)進行綜合應用。