無人機航測技術在海岸地形測量中的應用研究

崔坤生

（福建省港航勘察科技有限公司，福建 福州 35009）

0.引言

近海岸的地形受潮流、人類活動影響大，水深淺、底質軟，地形變化周期短。常規的全站儀、GNSS測量和船載聲吶水深測量的測量方法效率低、精度差、產品單一，在近岸淺灘、島礁等諸多區域受客觀因素的影響，測繪成果精度難以保證，現場作業人員安全風險高。

近年來，隨著無人機航測系統硬件和軟件處理技術迅猛發展，無人機航測已成為一種新興的測量手段，以其操作簡單、外業工作量小、效率高的優點，深受各行各業的青睞，在測繪領域已廣泛應用于空間規劃、海洋環境監測、國土資源調查、城市測繪、應急保障等方面[1]。國內外學者對無人機航測技術在陸地地形測量方面研究較多，陳玲[2]等研究了低空無人機航攝系統在四川地形測繪中的應用；李軍[3]等對無人機航測1∶1000測繪精度進行了研究，但在水陸交界的海岸地形測量尤其是潮間帶（灘涂）測量方面應用研究較少。本文從航測系統構成、生產流程、精度控制等方面進行分析研究，并結合工程實例對成果精度進行檢驗和評價，驗證了無人機航測技術在海岸地形測量中的可靠性，為同類項目應用提供借鑒。

1.無人機航測系統構成及生產流程

1.1 無人機航測系統組成

無人機航測系統包括外業航測系統和內業數據處理軟件系統兩大部分。外業航測系統是以無人機作為飛行平臺，影像傳感器作為任務設備的低空影像獲取系統。常用的無人機飛行平臺分為固定翼和多旋翼兩類，集成了飛控系統、傳感器系統、GNSS定位系統、POS定位定姿系統等。影像傳感器包括高分辨率CCD數碼相機、輕型光學相機、近紅外相機等。

內業影像處理軟件是空中三角測量計算能力和成圖精度的關鍵，目前國內常用的無人機影像處理軟件主要有ContextCapture、Pix4Dmapper、DPGrid、PHOTOMOD、Inpho、IPS等，從成圖精度來看，以上軟件均能滿足正射影像處理和大比例尺成圖的要求[4]。

1.2 無人機航測生產流程

無人機航測生產流程主要分為測區資料收集、航線規劃、像控點采集、外業航空攝影、影像質量檢查、空三加密、DEM和DOM生產、內業立體測圖、外業調繪、數據檢查驗收等。生產流程（如圖1所示）：

圖1 無人機航測生產流程圖

2.無人機航測關鍵技術分析

無人機航測技術核心的原理是求解地面點、攝影中心點和像點三點的共線方程，主要誤差來源包括像片的地面分辨率和影像質量、相機鏡頭畸變、像片外方位元素測量精度。要提高航測成果精度，必需保證必要的測量條件。

2.1 獲取高精度POS數據

高精度POS數據是像片6個外方位元素求解的基礎，無人機搭載的GNSS模塊運用網絡RTK實時差分技術進行連續觀測，同時記錄相機曝光瞬間的時間。利用軟件解算獲取每張像片的高精度位置數據和POS數據。航測區域內要求網絡RTK信號穩定、盡可能實現相機實際曝光時間與機載GPS記錄的曝光時間同步。

2.2 準確獲取相機鏡頭畸變

無人機搭載的輕型航測相機通常為非量測型相機，存在鏡頭畸變較大的光學缺陷，對像片邊緣部分影響極大。因此，航測相機應定期進行參數檢核，主要包括相機焦距、主點偏移量和畸變系數。根據《低空數字航空攝影規范》（以下簡稱《規范》）要求，主點坐標中誤差不應大于10μm，相機主距中誤差不應大于5μm，殘余畸變差不應大于0.3像素。本文實例中使用的相機為新購買相機，出廠時已檢定，參數符合規范要求。

2.3 提高地面分辨率和影像質量

地面分辨率是成果精度的關鍵，航攝影像質量直接影響影像判讀準確度。根據測圖比例尺的要求，按照式（1）計算飛行高度。

式中，h表示飛行高度；f表示鏡頭焦距；a表示像元尺寸；GSD表示地面分辨率。

為提高影像質量，應選用高分辨率相機、降低航高、提高地面分辨率。根據《規范》規定，測圖比例尺1∶500地面分辨率≤5cm，測圖比例尺1∶1000地面分辨率為5～8cm。

2.4 其他影響因素

除以上3點因素外，影響航測成果精度的其他因素包括天氣、像片重疊度、曝光時間等。

（1）天氣因素主要包括風、霧、光照強度等。當風速過大時，會造成無人機飛行速度和姿態變化大，導致像片扭曲大、傾角大；能見度低、光線不足則直接導致像片的清晰度和分辨率達不到要求。

（2）航攝像片保持足夠的重疊度是保障成果精度的關鍵。由于相機畸變客觀存在，所以應盡可能利用像片中心部分。提高重疊度可以增加內業空中三角測量可利用的連接點數量，降低像片畸變糾正過程中的影像糾正誤差。

（3）像點位移會降低影像解析能力，影響判讀精度。為減少像點位移應盡量縮短曝光時間?！兑幏丁芬幎ㄏ顸c位移一般不應大于1個像素。因此，外業航測中要適當降低飛行速度，縮短曝光時間以提高影像質量。

綜上所述，選擇高質量的相機、高精度的POS、低速度穩定性好的無人機飛行平臺、適宜的飛行條件是開展無人機航測工作的基礎。通過航線優化設計、合理布設像控點、增加像片重疊度或增加構架航線是提升航測成果精度的重要手段。

3.工程實例

以福建省沿海某市港口岸線規劃利用項目為例，測區位于河流入海口附近，地勢平坦，養殖多，潮差較小，潮間帶寬約100m?？紤]到傳統測量方式無法覆蓋全區域，尤其是干出灘內分布有稀疏的紅樹林、漁網，人工測量效率極低。除河流中心溝槽需進行水深測量外，其余部分采用無人機航測獲取平面和高程，測量面積9.2km2，按1∶1000測圖比例進行航攝，測量范圍（如圖2所示）：

圖2 航測范圍

3.1 航攝設計與實施

3.1.1 航測系統介紹

本次航測采用大疆經緯M300RTK多旋翼無人機搭載賽爾6100航測相機，高精度差分GNSS模塊，能夠提供高精度定位數據和POS數據。飛機重量6.3kg，最大飛行速度23m/s，最長飛行時間55min，最大可承受15m/s風速，最大信號有效距離15km，具有自動航線規劃和一鍵起飛功能。搭載的賽爾相機全畫幅6100萬像素，地面最小分辨率1.5cm。飛機標稱水平定位精度±（1cm+1ppm），垂直定位精度±（1.5cm+1ppm）。

3.1.2 像控點布設與測量

像控點布設采用區域網布點方案，布點間距綜合考慮成圖精度、現場地形特點以及施測條件等因素。測量前，在測區范圍內平坦區域均勻布設18個像控點，位置分布（如圖3所示）：

圖3 像控點位置圖

布設的像控點能有效控制目標區成圖范圍，并用校正后的GNSS-RTK采集每個像控點的平面坐標及高程。

3.1.3 航測實施

航攝時間選擇天氣晴朗、低平潮期間進行，利用飛控軟件設計飛行航線，分4個架次飛行，航攝面積9.2km2，航攝參數（如表1所示）。航攝完成后，檢查像片數量、質量，POS數據完整性，像片的重疊度、傾斜角、旋偏角、航高差等參數。

表1 本項目航攝參數表

3.2 數據后處理

將外業像片、像控點坐標、POS數據及相機參數導入Pix4Dmapper軟件中進行自動計算，處理流程包括初始化處理、點云編輯、DSM和正射影像生產3個步驟（如圖4所示）。Pix4Dmapper軟件處理技術利用影像同名點自動相關技術提取同名地物點，采用光束法區域網平差，并引入外業采集的像控點三維坐標進行約束平差。在影像模糊、比例尺變化差異較大處通過人工調節圖像之間連接點的數量以提高精度。數據處理結束后，對公共像控點和檢查點進行誤差統計。

圖4 Pix4Dmapper軟件處理流程圖

本次航測影像平面坐標和像控點平面坐標均采用WGS84坐標系，高程采用1985國家高程基準。根據軟件處理結果，平均分辨率為4.58cm，每個圖像中含有25200個特征點，相機參數相對偏差1.13%，每張校準圖像匹配特征點中數為10457個，影像配準中含有18個地面控制點，像控點點位誤差分布（如圖5所示），精度統計（如表2所示），各項誤差均在允許范圍之內。

表2 像控點精度統計表 單位：cm

圖5 像控點點位誤差分布圖

3.3 成果精度檢驗及分析

本次航測精度采用人工地面測量進行檢驗。航測前，人工手持同等精度的GNSS-RTK在測區內平坦地區實測房屋拐角、道路交叉點、電桿等明顯地物作為檢查點，同時采集平面坐標和高程。在潮間帶采用人工測量4條檢查線的高程，檢查線垂直海岸線，點間距為10m，共采集117個高程點；在陸地區域共采集49個平面和高程檢查點。

將Pix4Dmapper軟件生成的DSM和正射影像導入立體測圖軟件中恢復立體模型，在模型中加載人工測量檢查點的展點位置，測量出檢查點的三維坐標（X，Y，Z）。將人工RTK測量的檢查點坐標作為真值與無人機航測成果進行比較，根據式（2）計算中誤差Ms，結果（如表3所示）：

表3 人工RTK測量檢測互差 單位：m

式中：Δ為真誤差；n為觀測點數。為更好地了解數據精度，本次也對坐標互差的分布區間做了統計（如圖6所示）：

圖6 平面及高程互差分布區間圖

由檢查點檢驗統計情況可知，陸域檢查點的平面坐標點位中誤差為±0.042m，最大值為0.079m。高程中誤差為±0.091m，最大值為0.257m，其中大于0.2m的點數僅有4個，占檢查點總數的2.4%。高程比對結果顯示，互差較大的區域處于灘涂分布集中的測區，該區域像控點布設較少，且影像反射強烈。

根據《水運工程測量規范》規定：地形測量重要地物點的點位中誤差為圖上±0.6mm，高程中誤差小于1/3等高距。兩項指標均小于規范規定的1∶1000及以下大比例尺地形圖的限差要求。

4.結論

低空無人機航測技術流程簡單、易操作，不僅可以很好地解決海岸地形測量尤其是潮間帶測量的難題，比傳統的測繪方法速度快、效率高，而且能夠同時提供高精度正射影像、DEM和DLG產品，精度滿足1∶1000及以下大比例尺海岸測量的要求，但仍存在一些不足：

（1）無人機航測不能完全替代野外作業。海岸測量受潮汐影響大，在紅樹林和水草等植被覆蓋區、建筑密集區、水淹區以及低潮期間仍無法航測的區域，仍需外業實地測量和水深測量進行補充；

（2）相比于陸地無人機航測，海岸逐漸向海洋延伸靠近水域，像控點的布設是一項非常困難的工作，也是影響成果精度的關鍵，尤其灘涂區域航測像控點布設工作量會成倍增加；

（3）海岸區域地貌特征以灘涂、沙灘、巖石為主，地物要素單一，影像反差較小[5]，空中三角測量采集影像特征點比較困難，離水域越近精度越低；

（4）無人機航測對天氣要求較高，沿海地區天氣多變，作業窗口小，且鳥類眾多，對無人機飛行安全會造成一定的影響。