無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在河道高風(fēng)險(xiǎn)地形勘測中的應(yīng)用研究

袁啟倫

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430070)

地質(zhì)勘查是了解地質(zhì)災(zāi)害的主要手段之一。由于我國的地形特征較為復(fù)雜，在漫長的歷史長河中，受流水的長期侵蝕，在河道兩岸容易形成不穩(wěn)定的高風(fēng)險(xiǎn)斜坡。而斜坡在流水的不斷侵蝕下，極容易發(fā)生崩滑地質(zhì)災(zāi)害，因此需要對(duì)河道的形態(tài)和地貌進(jìn)行勘測，保證周邊地區(qū)的人力和財(cái)力安全。河道地形勘測是判斷河流特征的主要方法，其中以河床斷面形態(tài)為測量對(duì)象，其主要形態(tài)特征能夠表示河床的演變過程，是保證河流運(yùn)沙和運(yùn)水的重要因素。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷的發(fā)展，許多研究者開始引進(jìn)新的設(shè)備進(jìn)行勘查，文獻(xiàn)[1]中提出了基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的解析方式，以地質(zhì)圖的重構(gòu)了解河道的主要情況，并借助地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素，來評(píng)估河道發(fā)生不同地質(zhì)災(zāi)害的可能性，但由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)解析過程中，會(huì)受到天氣等外界因素影響，所獲取的地理位置信息可能會(huì)存在噪點(diǎn)，對(duì)后續(xù)建模的精度造成影響。無人機(jī)通過無線設(shè)備與編程程序相結(jié)合，直接帶有自動(dòng)駕駛儀和導(dǎo)航裝置，是一種無人駕駛的航空器。在無人機(jī)中能夠搭載多分辨率的攝影儀，將其作為遙感平臺(tái)完成不同的測繪工作。本文以此為基礎(chǔ)研究無人機(jī)傾斜技術(shù)下，河道高風(fēng)險(xiǎn)地形勘測的應(yīng)用方法，為獲取更加真實(shí)和精準(zhǔn)的影像資料提供技術(shù)支持。

1 勘測準(zhǔn)備

1.1 選擇高風(fēng)險(xiǎn)河道勘測區(qū)域

在流水長期侵蝕作用下，部分高原地區(qū)會(huì)形成河流溝谷地貌，一旦受到暴雨或者地震的影響，極容易發(fā)生崩滑地質(zhì)災(zāi)害。為提出較好的河道治理方案，需要對(duì)河道形成的高風(fēng)險(xiǎn)不穩(wěn)定斜坡進(jìn)行勘測，對(duì)其形態(tài)特征和發(fā)育情況進(jìn)行描述，真實(shí)地反映河道在沖蝕作用下的變化情況[2]。此次選擇溝谷地貌區(qū)作為研究對(duì)象，河道流域面積有950km2，年均流量為7.5m3/s，最大洪峰流量為405.2m3/s，溝道比降為1.85%。該河流流域呈現(xiàn)南北走向，河道兩岸受河流侵蝕嚴(yán)重，在人類活動(dòng)和降雨的作用下，已經(jīng)發(fā)生了多次崩滑事故。該河道面臨河道狹窄和局部淤塞的情況，該市在2018年開始了治理工作，對(duì)現(xiàn)階段河道的情況進(jìn)行獲取，選取1組遙感衛(wèi)星圖像如圖1所示。

圖1 河道遙感衛(wèi)星圖像

由圖1可知河道斷面地形起伏較大，為梯形結(jié)構(gòu)，西側(cè)為不穩(wěn)定陡坡，種植有養(yǎng)護(hù)綠植。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料可知，最高點(diǎn)距河床有15m。為具體地測出其河流斷面情況，本文以無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)為基準(zhǔn)，研究該河道的地形勘測方法。

1.2 搭建無人機(jī)傾斜攝影勘測平臺(tái)

無人機(jī)可以在低空中進(jìn)行航拍，能夠更加接近勘測事物，以此獲取更高分辨率的影像，而攝影系統(tǒng)可以獲取多時(shí)相的影像數(shù)據(jù)，在滿足1∶500到1∶5000的測繪比例尺中形成高精度數(shù)據(jù)，生成高精度的DSM模型圖和三維景觀圖。

在進(jìn)行測繪前需要搭建無人機(jī)攝影平臺(tái)，配置飛行導(dǎo)航控制系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)[3]。其中控制和導(dǎo)航系統(tǒng)為主要核心硬件，包含了飛行控制計(jì)算機(jī)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)以及高度傳感器，主要是控制無人機(jī)的飛行姿態(tài)和飛行任務(wù)。

在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中測定河道目標(biāo)，通過不同的空間位置和姿態(tài)轉(zhuǎn)換，獲取曝光時(shí)刻下的河道經(jīng)緯度，并根據(jù)飛行高度與姿態(tài)，統(tǒng)計(jì)傳感器傳回的數(shù)據(jù)資料，并在等比例尺測繪標(biāo)準(zhǔn)下完成檢測[4]。本次選擇的是八旋翼多功能無人機(jī)，4個(gè)支臂可完成直線式折疊，能夠呆在多個(gè)光學(xué)攝影設(shè)備，全身結(jié)構(gòu)為碳纖維材料，分別給出無人機(jī)和攝像相機(jī)的技術(shù)參數(shù)，見表1。

表1 勘測技術(shù)參數(shù)

由表1可知，在拍攝前進(jìn)行嚴(yán)格的試飛工作和相機(jī)校驗(yàn)工作，以保證后續(xù)的勘測準(zhǔn)確性。在未進(jìn)入測量場地之前，布置校驗(yàn)場地進(jìn)行控制點(diǎn)測繪，考慮到鏡頭的畸變差，對(duì)相機(jī)中的相機(jī)主距和框標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 勘測過程

2.1 設(shè)定河道勘測點(diǎn)及航線

由于遙感圖像的數(shù)據(jù)更新時(shí)間較長，此次選擇的圖像中河道的具體輪廓不是非常清晰，無法完成觀測出具體的地形起伏情況，因此選擇無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行重新勘測[5]。在測試區(qū)域內(nèi)標(biāo)記出13組控制點(diǎn)，空間坐標(biāo)值見表2。

表2 河道勘測點(diǎn)空間位置數(shù)據(jù) 單位：m

由表2可知，對(duì)照上文中的遙感影像，設(shè)置無人機(jī)傾斜攝影的外業(yè)操作控制點(diǎn)，以遵循地形測繪精度要求為前提，采用低空攝影方式進(jìn)行控制點(diǎn)勘測。在該河道測繪中，影像控制點(diǎn)不需要受到單個(gè)圖像束縛，按照基本航飛布線統(tǒng)一設(shè)定即可。具體航飛路線如圖2所示。

圖2 航飛路線設(shè)定

由圖2可知，此次設(shè)定為單航線飛行模式，采用航帶網(wǎng)布點(diǎn)方案進(jìn)行攝影區(qū)域劃分，當(dāng)一組圖像覆蓋另一組圖像時(shí)，在該區(qū)域內(nèi)不可少于16張航拍圖像[6]。根據(jù)無人機(jī)的飛行高速和續(xù)航時(shí)間，設(shè)定此次飛行高速為18m，兩組航飛線路總計(jì)拍攝影像不可低于500組。

2.2 空三加密獲取河道測點(diǎn)信息

通過設(shè)定的航飛路線，對(duì)應(yīng)河道勘測點(diǎn)信息，以像對(duì)數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行航拍區(qū)域劃分，有高程點(diǎn)和平高點(diǎn)連接區(qū)域?yàn)榍疤?，將其中所有拍攝到的像構(gòu)成總數(shù)，在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置高程點(diǎn)即可，不同情況下無人機(jī)傾斜攝影下布點(diǎn)方案如圖3所示。

圖3 攝影航拍布點(diǎn)方案

上圖中“●”為平高點(diǎn)，“○”為高程點(diǎn)，在較平穩(wěn)的航飛網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)時(shí)，直接以(a)方案形式布置。若河道兩側(cè)的像重疊過少，則可像(b)方案多布設(shè)幾個(gè)高程點(diǎn)。當(dāng)控制點(diǎn)的間隔增加時(shí)，需要按照(c)方案所示，將平高點(diǎn)與高程點(diǎn)均布設(shè)在河道周圍。而控制點(diǎn)較為密集時(shí)，則直接以平高點(diǎn)作為測繪區(qū)域，不需要設(shè)置高程點(diǎn)，如(d)方案所示[7]。結(jié)合不同方案對(duì)航飛圖像進(jìn)行處理。

空三加密是無人機(jī)影像圖像處理的核心部分，通過影像匹配提取地面控制點(diǎn)特征，將勘測區(qū)信息納入坐標(biāo)系中，其結(jié)果好壞直接影響成像精度。采用光束法區(qū)域網(wǎng)平差方式對(duì)應(yīng)航拍影像中的光束，利用光束的空間位置變換關(guān)系，促使公共點(diǎn)的光線對(duì)角，得到圖像的加密信息，如圖4所示。

圖4 空三加密變換光束的空間位置

通過空三加密處理手段，建立光束法平差共線方程，對(duì)坐標(biāo)中的未知數(shù)D進(jìn)行非線性求解，并對(duì)控制點(diǎn)的定點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行矩陣描述，建立線性誤差方程A：

A=SD+GF-HJβ

(1)

式中，F(xiàn)—圖像坐標(biāo)向量；G—系數(shù)矩陣；S[8]——未知數(shù)矩陣系數(shù)；H和Jβ—觀測值向量和矩陣；以此建立基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型。

2.3 重構(gòu)圖像信息完整表現(xiàn)地形特征

圖像信息重構(gòu)的主要原因，是由于無人機(jī)傾斜攝影下，獲取的影像數(shù)據(jù)是從多個(gè)角度內(nèi)拍攝完成，包括了固定傾斜角度和垂直方向上的數(shù)據(jù)，而對(duì)應(yīng)的攝影角度下，產(chǎn)生的外方像素均不一致，需要對(duì)其進(jìn)行整理。以3個(gè)圖像為例，設(shè)置待匹配點(diǎn)為Q0(X0W，Y0W)，該點(diǎn)的同名點(diǎn)為Q1(X1W，Y1W)和Q2(X2W，Y2W)。

利用最小二乘法，假設(shè)Q0、Q1、Q2的中心窗口存在線性關(guān)系，以Q0為中心的圖像窗口內(nèi)像素的灰度為R0，則有：

R0(X0，Y0)=T0U+T1U*RU(XU，YU)
XU=XUW+I1UX0+I2UY0
YU=YUW+P1UX0+P2UY0

(2)

式中，(X0，Y0)—R0窗口內(nèi)像素；T0U和T1U[9]—第0片和第U片之間的輻射畸；(XT，YT)—第U片同名像素；I1U、I2U、P1U、P2U—第0片和第U片同名點(diǎn)的映射系數(shù)。若Q0、Q1、Q2不獨(dú)立時(shí)，認(rèn)為其為控制點(diǎn)Q(XW，YW，ZW)的投影，則(XUW，YUW)與Q(XW，YW，ZW)的約束條件為：

(3)

式中，I1U[10]—第U片圖像的投影中心；P0U—第U片的旋轉(zhuǎn)矩陣元素。當(dāng)U=0時(shí)，則上式(3)為純粹的約束條件，將Q(XW，YW，ZW)直接約束在Q0光束上。

如果拍攝的圖像數(shù)量為M時(shí)，匹配窗口像素量為N，則會(huì)存在有2(M-1)+6(M-1)+3個(gè)未知數(shù)，相應(yīng)的誤差方程有N(M-1)組，條件方程有2M個(gè)。圖像匹配的實(shí)質(zhì)就是確定圖像之間的同名像素點(diǎn)，借助少量的像控點(diǎn)進(jìn)行位置確定，完成無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)獲取。通過圖像信息自動(dòng)生成數(shù)字表面模型，如圖5所示。

圖5 無人機(jī)河道測繪數(shù)字表面模型

由圖5可知，由于原有的河道演變采用固定斷面進(jìn)行分析，需要以實(shí)際測繪材料繪制出河道的斷面圖，而通過數(shù)字模型可以直接提取任意河段斷面。上圖中已經(jīng)劃分出了V-V和B-B兩組河流斷面，在此基礎(chǔ)上對(duì)應(yīng)高危險(xiǎn)河道地形特征，檢驗(yàn)此次設(shè)定方法是否可行。

3 分析勘探結(jié)果

3.1 評(píng)估勘探精度

對(duì)河道地形的勘測前提是保證測繪控制點(diǎn)的測量精度，對(duì)上文中標(biāo)記的控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，評(píng)估無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的測量精度，勘測數(shù)據(jù)見表3。

表3 無人機(jī)勘測數(shù)據(jù) 單位：m

以表中內(nèi)容所示，對(duì)比實(shí)際控制點(diǎn)的位置信息，統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)的測量誤差，如圖6所示。

圖6 勘測誤差

綜合對(duì)比結(jié)果在無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)下，對(duì)控制點(diǎn)的測量誤差，在X坐標(biāo)方向中的最大最差為0.04m，在Y方向的最大誤差為0.32m，Z方向的最大誤差為0.04m。各組方向中的最大誤差均可以控制在0.1m之內(nèi)，可以對(duì)河道地形的勘測提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，具有應(yīng)用效果。

3.2 輸出河道斷面

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，引入斷面提取方法進(jìn)行對(duì)照，評(píng)價(jià)不同測繪方法的有效性。分別對(duì)V-V和B-B兩組河流斷面進(jìn)行獲取，如圖7所示。

由圖7可知，斷面法與本文方法提取到的結(jié)果，在斷面形態(tài)上具有吻合性，說明兩種方法均可以測試空間中河道地形的變化。

圖7 河道斷面形態(tài)

河道從V-V和B-B斷面來看，斷面法呈現(xiàn)的為一條折線，只能反映測點(diǎn)之間變化形式，對(duì)地形的起伏無法觀測到，不能準(zhǔn)確描述斷面地形，失去了河道地形的細(xì)節(jié)特征。而無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)下，可以真實(shí)反映河道的斷面，提出各點(diǎn)之間的起伏變化情況。

4 結(jié)語

通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，能夠真實(shí)地反映河道地形特征，只需要布置較少的控制點(diǎn)進(jìn)行測量，基本上就能夠在短時(shí)間內(nèi)完成河道的地形測繪。在原有測繪方式中需要設(shè)置多個(gè)采集點(diǎn)，通過測量儀器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行依次獲取，會(huì)花費(fèi)大量人力物力。無人機(jī)攝影技術(shù)能夠在一次飛行時(shí)間內(nèi)，對(duì)所有控制點(diǎn)進(jìn)行拍攝，不僅擁有較高的測繪精度，還可以任意提取河道的斷面地形，能夠?yàn)楹哟驳难葑円约八蛄魃尺M(jìn)行分析，具有巨大的應(yīng)用優(yōu)勢。