基于無人機技術的河道劃界及精度分析

吳海波

(安徽省地質礦產勘查局325地質隊,安徽 淮北 235000)

0 引言

在測繪工程中,由于專業相機價格昂貴,實際工程中常采用普通相機對其進行替代,但由于普通相機存在光學畸變現象,會影響測繪的拍攝精度,為提高無人機測繪的準確性,需對其測量誤差進行分析,近年來,許多專家學者針對無人機攝影技術及其勘探誤差開展相關研究。

王晶等人[1]采用無人機攝影技術,對某地區進行攝影測量,并分析不同因素對其測量精度的影響,結果表明,采用PPK技術對無人機拍攝數據進行處理后,可有效提高其攝影測量精度。宋倩等人[2]以某地區為研究對象,采用無人機對該地區進行勘探,并建立其三維模型,分析該技術的測量誤差,結果表明,采用無人機勘測的誤差小于規范所規定的的限值,其可行性較高。侯樹宏等人[3]以某邊坡為研究對象,提出無人機攝影測量方法,對該邊坡進行測繪,并分析測繪地形對其測繪精度的影響,結果表明,坡度與分辨率會顯著影響其勘測精度,且與其勘測精度呈線性相關關系。張波等人[4]以某山區為研究對象,基于無人機攝影測量技術,對該地區進行勘探,并對該技術的精度進行評估,結果表明,無人機攝影測量的精度主要受圖像校正影響,當測量區域為底起伏區時,其測量準確性較高。王成等人[5]以某露天礦山為研究地下,采用無人機傾斜攝影技術,建立其三維模型,并分析該技術的準確性,結果表明,該技術的成本低、效率高,且精度可達到規范限值,該方案的可行性良好。

本研究以某河道為研究對象,采用無人機航攝技術,提出無人機低空攝影測量系統,對其進行河道劃界,并分析其勘測精度,進行畸變差檢校,以提高其測繪的準確性。

1 無人機低空攝影測量系統

本研究采用無人機攝影對河道進行劃分,并分析其測繪精度,在拍攝前,對相機進行畸變差檢校,拍攝結束后,對其進行畸變差處理,以提高其測繪的準確性,測繪所采用的的相機檢校結果如表1所示。采用SIFT算子和Harris算子結合進行影像匹配,首先提取SIFT特征點、Harris點,對其進行相對定向,得出內集點A、B,刪除重復點,并合并內集點A、B,得出內集點C,刪除內集點C中的錯誤匹配點,得出內集點D,然后構件同名三角形,或許新角點,通過相對定向得到內集點E,合并內集點D、E后,判斷點數是否滿足要求,如滿足要求,即匹配結束,如圖1所示。本研究采用PIX4D對無人機得到的航拍數據進行處理,首先導入無人機的航拍照片、控制點文件,加載POS數據,然后設置工程相關參數,進行空三加密處理,最后生成數字高程模型(DEM)、正射影像圖(DOM),進行成果輸出。在得出DOM模型后,計算出設計洪水位線數據,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 相機檢校結果

為分析無人機低空攝影測量系統的測繪精度,需建立其精度分析指標,根據《低空數字航空攝影測量內業規范》[6]得出高程模型精度指標如表2所示、平面位置精度中誤差指標如表3所示、高程精度中誤差指標如表4所示。

表2 高程模型精度指標

表3 平面位置精度中誤差指標

表4 高程精度中誤差指標

2 工程概況

本研究以某河道為研究對象,該河道屬于長江的一級支流,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,占80%;中間腹部為低洼圩區和河湖水面,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。本研究采用無人機航攝技術應用于該河道,對其進行河道劃界,該無人機的相關技術指標如表5所示。

表5 無人機的相關技術指標

像控點的布設是參考像控點的布設原則去進行點位選取和測量的,在此次航飛任務中共布設181個像控點,點位平均分在測區范圍內,平均500 m一個點。

3 無人機攝影測量誤差分析

在測繪工程中,由于專業相機價格昂貴,實際工程中常采用普通相機對其進行替代,但由于普通相機存在光學畸變現象,會影響測繪的拍攝精度,為提高無人機測繪的準確性,需對其測量誤差進行分析。點位中誤差(M)計算公式如式(1)所示。

(1)

式中:i=1,2,3,4……n;n為檢測點個數。

由于本研究所采用的無人機低空攝影測量系統會輸出生成數字高程模型(DEM)、正射影像圖(DOM)作為勘測結果,故需要對DEM(數字表面模型)、DOM(數字正射影像圖)的精度及誤差進行分析。本研究選取50個檢測點進行DEM精度檢測,其高程檢查點精度表如表6所示。

表6 高程檢查點精度表

選取100個檢測點進行DOM精度檢測,其平面檢測點精度表如表7所示。

表7 平面檢測點精度表

4 結語

本研究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,對其進行河道劃界,并分析其勘測精度,得出以下結論:

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

(3)平面檢測點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,監測點10的X、Y方向及點位移偏量均有最大值,其值分別為0.516 m、0.597 m及0.789 m,監測點95的X、Y方向及點位移偏量均有最小值,其值分別為-0.056 m、0.016 m及0.058 m。