基于無人機(jī)技術(shù)的河道劃界及精度分析

吳海波

(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局325地質(zhì)隊(duì),安徽 淮北 235000)

0 引言

在測繪工程中,由于專業(yè)相機(jī)價(jià)格昂貴,實(shí)際工程中常采用普通相機(jī)對(duì)其進(jìn)行替代,但由于普通相機(jī)存在光學(xué)畸變現(xiàn)象,會(huì)影響測繪的拍攝精度,為提高無人機(jī)測繪的準(zhǔn)確性,需對(duì)其測量誤差進(jìn)行分析,近年來,許多專家學(xué)者針對(duì)無人機(jī)攝影技術(shù)及其勘探誤差開展相關(guān)研究。

王晶等人[1]采用無人機(jī)攝影技術(shù),對(duì)某地區(qū)進(jìn)行攝影測量,并分析不同因素對(duì)其測量精度的影響,結(jié)果表明,采用PPK技術(shù)對(duì)無人機(jī)拍攝數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,可有效提高其攝影測量精度。宋倩等人[2]以某地區(qū)為研究對(duì)象,采用無人機(jī)對(duì)該地區(qū)進(jìn)行勘探,并建立其三維模型,分析該技術(shù)的測量誤差,結(jié)果表明,采用無人機(jī)勘測的誤差小于規(guī)范所規(guī)定的的限值,其可行性較高。侯樹宏等人[3]以某邊坡為研究對(duì)象,提出無人機(jī)攝影測量方法,對(duì)該邊坡進(jìn)行測繪,并分析測繪地形對(duì)其測繪精度的影響,結(jié)果表明,坡度與分辨率會(huì)顯著影響其勘測精度,且與其勘測精度呈線性相關(guān)關(guān)系。張波等人[4]以某山區(qū)為研究對(duì)象,基于無人機(jī)攝影測量技術(shù),對(duì)該地區(qū)進(jìn)行勘探,并對(duì)該技術(shù)的精度進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明,無人機(jī)攝影測量的精度主要受圖像校正影響,當(dāng)測量區(qū)域?yàn)榈灼鸱鼌^(qū)時(shí),其測量準(zhǔn)確性較高。王成等人[5]以某露天礦山為研究地下,采用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù),建立其三維模型,并分析該技術(shù)的準(zhǔn)確性,結(jié)果表明,該技術(shù)的成本低、效率高,且精度可達(dá)到規(guī)范限值,該方案的可行性良好。

本研究以某河道為研究對(duì)象,采用無人機(jī)航攝技術(shù),提出無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng),對(duì)其進(jìn)行河道劃界,并分析其勘測精度,進(jìn)行畸變差檢校,以提高其測繪的準(zhǔn)確性。

1 無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)

本研究采用無人機(jī)攝影對(duì)河道進(jìn)行劃分,并分析其測繪精度,在拍攝前,對(duì)相機(jī)進(jìn)行畸變差檢校,拍攝結(jié)束后,對(duì)其進(jìn)行畸變差處理,以提高其測繪的準(zhǔn)確性,測繪所采用的的相機(jī)檢校結(jié)果如表1所示。采用SIFT算子和Harris算子結(jié)合進(jìn)行影像匹配,首先提取SIFT特征點(diǎn)、Harris點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行相對(duì)定向,得出內(nèi)集點(diǎn)A、B,刪除重復(fù)點(diǎn),并合并內(nèi)集點(diǎn)A、B,得出內(nèi)集點(diǎn)C,刪除內(nèi)集點(diǎn)C中的錯(cuò)誤匹配點(diǎn),得出內(nèi)集點(diǎn)D,然后構(gòu)件同名三角形,或許新角點(diǎn),通過相對(duì)定向得到內(nèi)集點(diǎn)E,合并內(nèi)集點(diǎn)D、E后,判斷點(diǎn)數(shù)是否滿足要求,如滿足要求,即匹配結(jié)束,如圖1所示。本研究采用PIX4D對(duì)無人機(jī)得到的航拍數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,首先導(dǎo)入無人機(jī)的航拍照片、控制點(diǎn)文件,加載POS數(shù)據(jù),然后設(shè)置工程相關(guān)參數(shù),進(jìn)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(jìn)行成果輸出。在得出DOM模型后,計(jì)算出設(shè)計(jì)洪水位線數(shù)據(jù),最后在ArcGis軟件中完成河道劃界。

圖1 Harris算子和SIFT特征的影像匹配流程圖

表1 相機(jī)檢校結(jié)果

為分析無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)的測繪精度,需建立其精度分析指標(biāo),根據(jù)《低空數(shù)字航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》[6]得出高程模型精度指標(biāo)如表2所示、平面位置精度中誤差指標(biāo)如表3所示、高程精度中誤差指標(biāo)如表4所示。

表2 高程模型精度指標(biāo)

表3 平面位置精度中誤差指標(biāo)

表4 高程精度中誤差指標(biāo)

2 工程概況

本研究以某河道為研究對(duì)象,該河道屬于長江的一級(jí)支流,全長1 345 km,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,共有大小十六條支河匯入,是一個(gè)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(diǎn)。本研究采用無人機(jī)航攝技術(shù)應(yīng)用于該河道,對(duì)其進(jìn)行河道劃界,該無人機(jī)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表5 無人機(jī)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

像控點(diǎn)的布設(shè)是參考像控點(diǎn)的布設(shè)原則去進(jìn)行點(diǎn)位選取和測量的,在此次航飛任務(wù)中共布設(shè)181個(gè)像控點(diǎn),點(diǎn)位平均分在測區(qū)范圍內(nèi),平均500 m一個(gè)點(diǎn)。

3 無人機(jī)攝影測量誤差分析

在測繪工程中,由于專業(yè)相機(jī)價(jià)格昂貴,實(shí)際工程中常采用普通相機(jī)對(duì)其進(jìn)行替代,但由于普通相機(jī)存在光學(xué)畸變現(xiàn)象,會(huì)影響測繪的拍攝精度,為提高無人機(jī)測繪的準(zhǔn)確性,需對(duì)其測量誤差進(jìn)行分析。點(diǎn)位中誤差(M)計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中:i=1,2,3,4……n;n為檢測點(diǎn)個(gè)數(shù)。

由于本研究所采用的無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)會(huì)輸出生成數(shù)字高程模型(DEM)、正射影像圖(DOM)作為勘測結(jié)果,故需要對(duì)DEM(數(shù)字表面模型)、DOM(數(shù)字正射影像圖)的精度及誤差進(jìn)行分析。本研究選取50個(gè)檢測點(diǎn)進(jìn)行DEM精度檢測,其高程檢查點(diǎn)精度表如表6所示。

表6 高程檢查點(diǎn)精度表

選取100個(gè)檢測點(diǎn)進(jìn)行DOM精度檢測,其平面檢測點(diǎn)精度表如表7所示。

表7 平面檢測點(diǎn)精度表

4 結(jié)語

本研究以某河道為研究對(duì)象,采用無人機(jī)應(yīng)用于該河道,提出無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng),對(duì)其進(jìn)行河道劃界,并分析其勘測精度,得出以下結(jié)論:

(1)同監(jiān)測點(diǎn)的高程精度具有一定的差異性,對(duì)比圖上高程與量測高程可得,監(jiān)測點(diǎn)12的誤差最大,二者間的差值為-0.535 6 m,監(jiān)測點(diǎn)8的誤差最小,二者間的差值僅為-0.010 3 m。

(3)平面檢測點(diǎn)X、Y方向的誤差具有一致性,且Y方向的差值大于X方向的差值,其中,監(jiān)測點(diǎn)10的X、Y方向及點(diǎn)位移偏量均有最大值,其值分別為0.516 m、0.597 m及0.789 m,監(jiān)測點(diǎn)95的X、Y方向及點(diǎn)位移偏量均有最小值,其值分別為-0.056 m、0.016 m及0.058 m。