無人機(jī)攝影測量在長江航道整治建筑物監(jiān)測中的應(yīng)用

胡樂辰，陶孟斯，段延松

（1.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430079；2.長江武漢航道局，湖北 武漢 410014）

長江作為優(yōu)良航道，航運(yùn)繁忙，運(yùn)量龐大，是中國交通運(yùn)輸?shù)闹匾画h(huán)。為保障長江航道運(yùn)輸安全，航道監(jiān)測具有重要意義。而整治建筑物在航道穩(wěn)定和改良方面發(fā)揮著重要作用，是重要的監(jiān)測對(duì)象。長江干線航道全長2688 公里，整治建筑物數(shù)量眾多且分布廣泛，對(duì)監(jiān)測能力提出了很高要求。整治建筑監(jiān)測主要內(nèi)容是檢查建筑物完整性及有無損毀情況，傳統(tǒng)監(jiān)測方法主要采用人工方式進(jìn)行觀察、照相、攝像及測量等。由于監(jiān)測工作量大、效率低，而且航道情況復(fù)雜、可達(dá)性差，人工巡檢難度大，現(xiàn)有監(jiān)測方法難以有效完成精準(zhǔn)監(jiān)測。針對(duì)此問題，本文引入無人機(jī)攝影測量技術(shù)，在對(duì)整治工程區(qū)域按一定時(shí)間間隔，開展無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取和處理，生產(chǎn)測區(qū)時(shí)序化的高精度數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字正射影像（DOM）。然后對(duì)不同期數(shù)據(jù)開展分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)形變位置與形變程度，從而實(shí)現(xiàn)航道整治建筑的有效監(jiān)測。

1 技術(shù)原理

1.1 無人機(jī)攝影測量生產(chǎn)DSM/DOM

無人機(jī)攝影測量的流程與常規(guī)航空攝影測量相似，主要包括外業(yè)與內(nèi)業(yè)兩部分。外業(yè)以數(shù)據(jù)采集為主，內(nèi)業(yè)以數(shù)據(jù)處理與生產(chǎn)為主。無人機(jī)攝影測量的作業(yè)流程如圖1所示。

實(shí)施外業(yè)時(shí)需要對(duì)測區(qū)情況有基本的了解，并依照測區(qū)特點(diǎn)、成果要求和氣象條件制定適宜的航攝計(jì)劃，并在作業(yè)前做好設(shè)備的調(diào)試檢查工作，保證作業(yè)安全[1]。

內(nèi)業(yè)工作中，空中三角測量是關(guān)鍵的步驟。空中三角測量能通過獲取航攝像片上同名點(diǎn)和必要的控制信息恢復(fù)影像的空間位姿，進(jìn)而測算任意影像點(diǎn)的空間位置。這種方式不直接觸及被測目標(biāo)，不受地面通視條件限制，即可測定目標(biāo)位置與幾何形狀，并能快速進(jìn)行大范圍目標(biāo)測定[2]。DSM 產(chǎn)品包含建筑、植被等地物的高程信息，能真實(shí)地表達(dá)地面實(shí)際起伏情況，DOM 是目標(biāo)區(qū)域的無變形影像，地物直觀、信息豐富，能客觀反映地表現(xiàn)狀。DSM/DOM產(chǎn)品被廣泛用于城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、土地管理、植被監(jiān)測、環(huán)境分析、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域[3]。

1.2 整治建筑物形變監(jiān)測

獲取時(shí)序化DSM/DOM 數(shù)據(jù)后，選擇兩期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，即可發(fā)現(xiàn)形變位置與形變程度。為了進(jìn)行有效對(duì)比，本文提出了結(jié)合DSM 差異和DOM 匹配的形變檢測法。該方法首先根據(jù)DSM 的地理信息計(jì)算其高程差異，發(fā)現(xiàn)形變位置，然后對(duì)形變區(qū)域的兩期DOM 進(jìn)行影像匹配，獲取同名點(diǎn)，根據(jù)同名點(diǎn)的位置變化，標(biāo)識(shí)出形變方向與距離。其技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 整治建筑物監(jiān)測技術(shù)流程

1.2.1 DSM 差異發(fā)現(xiàn)變化區(qū)域

比較兩期DSM 的差異，最簡潔有效的方法是作差運(yùn)算。在對(duì)不同時(shí)相的兩個(gè)DSM 作差時(shí)，需保證DSM對(duì)齊，這樣才能保證檢測形變的有效性。DSM 差異分析原理如圖3所示。

圖3 DSM 差異分析示意圖

根據(jù)DSM 作差結(jié)果，可以得出地形起降情況，并可判斷形變程度及確定關(guān)注區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，設(shè)定閾值以避免數(shù)據(jù)噪聲對(duì)形變區(qū)域的判斷產(chǎn)生影響。

1.2.2 DOM 匹配實(shí)現(xiàn)平面變化

影像匹配是在兩幅（或多幅）影像之間識(shí)別同名點(diǎn)。本文通過Harris 算子4 在兩期影像上提取特征點(diǎn)，然后基于相關(guān)系數(shù)法對(duì)兩幅影像的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，從而獲得兩期影像的同名點(diǎn)。

Harris 算子是一種角點(diǎn)提取算子，它計(jì)算相對(duì)簡單，提取精度較好，是實(shí)際處理過程中常用的算子，適合快速提取大量特征點(diǎn)，其計(jì)算方法如公式（1）所示：

其中，gx，gy是影像在x，y 方向上的梯度；為高斯模板；k 為默認(rèn)常數(shù)；I 為計(jì)算的興趣值。設(shè)定閾值，選擇一定范圍內(nèi)興趣值最大的若干點(diǎn)作為特征點(diǎn)。

相關(guān)系數(shù)法是一種常見的匹配方法，通過計(jì)算兩期影像特征點(diǎn)鄰域的相關(guān)系數(shù)，衡量兩期影像特征點(diǎn)是否匹配，其計(jì)算方法如公式（2）所示：

其中g(shù)i，j，hi，j表示計(jì)算相關(guān)系數(shù)的兩個(gè)特征點(diǎn)的矩形鄰域；，為兩個(gè)鄰域各自的平均值；m，n 為兩個(gè)鄰域的寬高；為兩鄰域的相關(guān)系數(shù)，并作為特征點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)。通過相關(guān)系數(shù)衡量特征點(diǎn)的相似程度，超過閾值視為特征點(diǎn)匹配成功。

經(jīng)過影像匹配，可獲得同一地面點(diǎn)在兩期DOM 上的平面坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算同一地面點(diǎn)的形變位移。比較同名點(diǎn)在兩個(gè)DOM 上的位移時(shí)，同樣需保證對(duì)齊。

2 工程實(shí)例

2.1 測區(qū)情況

實(shí)驗(yàn)測區(qū)位于長江武漢航段，監(jiān)測對(duì)象為航段某處壩體，測區(qū)沿壩體走向呈狹長的“一”字型。由無人機(jī)分別于2021年1月與同年12月拍攝兩期航空影像數(shù)據(jù)。如圖4所示，控制點(diǎn)覆蓋整個(gè)測區(qū)，以實(shí)現(xiàn)良好的控制，兩期數(shù)據(jù)使用相同的控制點(diǎn)，以保證生產(chǎn)的DSM與DOM 成果對(duì)齊。

圖4 測區(qū)略圖

2.2 結(jié)果分析

完成無人機(jī)攝影測量內(nèi)業(yè)平差處理后，DSM 差異分析結(jié)果如圖5所示。設(shè)定閾值 ，壩體整體差異較小，高程差異小于 ，以綠色標(biāo)出；局部差異較大，高程差大于 ，以紅色標(biāo)出。

圖5 DSM 差異分析結(jié)果

壩體四周的環(huán)狀紅色區(qū)域，由水面造成。雖然水面對(duì)涉水區(qū)域的匹配存在影響，但由于監(jiān)測目標(biāo)為壩體而非水位，因此出現(xiàn)此類差異并無影響，不列入關(guān)注區(qū)域。測區(qū)東北處的紅色區(qū)域，實(shí)為一荒草地。該區(qū)域存在植被，壩體受河流沖刷影響小，且無裸露壩體，故同樣不列入關(guān)注區(qū)域。

選擇某一關(guān)注區(qū)域的兩期DOM 進(jìn)行同名點(diǎn)匹配，結(jié)果如圖6所示。對(duì)匹配的同名點(diǎn)坐標(biāo)作差，可得同名點(diǎn)的形變方向大小。向量可視化結(jié)果如圖7所示，大部分同名點(diǎn)的形變量較小。除去若干孤立的大形變量同名點(diǎn)，形變主要出現(xiàn)在一條帶狀區(qū)域內(nèi)。該區(qū)域可能因水流的沖蝕搬運(yùn)作用而產(chǎn)生了位移形變。但形變主要是淤泥亂石的位移。壩面的磚塊的形變較小，基本保持穩(wěn)定，但后期仍需要密切關(guān)注。

圖6 兩期影像關(guān)注區(qū)域同名點(diǎn)匹配

圖7 形變可視化

3 結(jié)論

本文提出了一種基于無人機(jī)攝影測量的航道整治建筑物動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法。實(shí)測結(jié)果表明，本文方法能夠簡單有效地對(duì)航道整治建筑物形變情況進(jìn)行監(jiān)測，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)形變位置，能一定程度上減輕傳統(tǒng)測量方法中工作人員的內(nèi)外業(yè)負(fù)擔(dān)。本文基于無人機(jī)攝影測量方法的精度，主要依賴于攝影測量數(shù)字產(chǎn)品的質(zhì)量，以及后續(xù)數(shù)字正射影像匹配質(zhì)量。對(duì)淤泥地帶與重復(fù)紋理區(qū)域而言，當(dāng)前的匹配算法還存在一定的局限，會(huì)影響到形變的定量。在不久的將來，若能夠進(jìn)一步解決此類區(qū)域的影像匹配問題，則本文方法對(duì)整治建筑物的監(jiān)測將能發(fā)揮更大的潛能。