水利工程中低空攝影測(cè)量的應(yīng)用范文

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《廣東水利水電雜志》2016年第11期

摘要:

低空無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)采用核心算法———立體匹配算法的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，利用瑞士eBee低空無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合珠江三角洲水資源配置工程應(yīng)用，其工作流程與特點(diǎn)。通過對(duì)成果精度分析、實(shí)際使用效果以及效率對(duì)比等總結(jié)出其在工程規(guī)劃、選址方面的優(yōu)勢(shì)，提高工程建設(shè)效率。

關(guān)鍵詞:

低空攝影測(cè)量;;立體匹配算法;水利工程;工程規(guī)劃選址

隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)特別是低空無人機(jī)已經(jīng)慢慢走進(jìn)各行各業(yè)。低空無人機(jī)操作簡(jiǎn)單、易學(xué)易掌握、對(duì)天氣和起飛降落場(chǎng)地要求低、智能化程度高、人工干預(yù)少、具有智慧型的安全機(jī)制與飛行記錄、電力推動(dòng)便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使無人機(jī)被各行業(yè)開發(fā)利用，并成為焦點(diǎn)。低空無人機(jī)攝影測(cè)量是當(dāng)今世界興起的多學(xué)科交叉高新技術(shù)，具有低成本、高效率、安全、靈活等特點(diǎn)。無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)集成了無人駕駛飛行器、遙感技術(shù)以及GNSS導(dǎo)航定位等高端科技技術(shù)，具有高機(jī)動(dòng)性、低成本、便捷式、實(shí)時(shí)觀測(cè)、專用化等眾多優(yōu)勢(shì)，并且獲取的遙感影像的空間分辨率和時(shí)間分辨率都較高，是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的技術(shù)延伸和技術(shù)創(chuàng)新的產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于測(cè)量、土地調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市管理、園林綠化、科學(xué)研究、企事業(yè)宣傳、旅游、交通、水利等領(lǐng)域［1］。

1低空無人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)

當(dāng)今低空無人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)正快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)有許多品牌，比如深圳飛馬、深圳速鳥、北京麥格天渱、武漢智能鳥等。國(guó)外的有Sensefly、3DRobotics、Parrot、AscTec、Microdrones、FlytrexSky等。國(guó)內(nèi)外無人機(jī)相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)種類繁多、用途廣、特點(diǎn)鮮明，致使其在尺寸、質(zhì)量、航程、航時(shí)、飛行高度、飛行速度，任務(wù)等多方面都有較大差異。按平臺(tái)類型，無人機(jī)可分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)、無人飛艇、傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)等。相比其他無人機(jī)而言，eBee具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)。eBee是一款三角固定翼無人機(jī)，質(zhì)量不到700g，機(jī)身采用模塊化設(shè)計(jì)，外殼采用輕便高分子泡沫材料包裹，所有部件可拆卸到一個(gè)運(yùn)輸箱內(nèi)。安裝與拆卸方便簡(jiǎn)單，起飛前只需要2min就能完成安裝、檢查、測(cè)試等準(zhǔn)備工作。相比油機(jī)等體積大的無人機(jī)而言，ebee顯得小巧玲瓏，容易攜帶，可以一個(gè)人輕松完成所有外業(yè);特別是在應(yīng)急工程上，大體積無人機(jī)需要借助較長(zhǎng)的跑到或者彈射才能起飛，而一般應(yīng)急工程，比如泥石流、洪澇災(zāi)害、塌方等自然災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)都是存在著場(chǎng)地狹小的限制，而eBee采用的手拋就能起飛的設(shè)計(jì)很好的解決了這些限制;再者，大體積無人機(jī)體積大，質(zhì)量能達(dá)到幾十千克，油機(jī)裝置幾升甚至十幾升汽油，如果出現(xiàn)意外，造成第三方傷害后果不堪設(shè)想。eBee的重量之輕，假如出現(xiàn)意外，下落過程中空氣阻力足以限制其下降速度，就算碰到其他東西，其泡沫外殼也足以將傷害程度大大降低;eBee采用智能化設(shè)計(jì)，只需輸入地面解析度、重疊度、測(cè)量范圍即可自動(dòng)設(shè)計(jì)出安全、高效、最優(yōu)化的航線。飛行過程中出現(xiàn)低電量、離地面高度過低、與電臺(tái)鏈接信號(hào)過弱、衛(wèi)星信號(hào)過弱等情況均有提示并能作出智能化的抉擇以保障無人機(jī)的安全;不過eBee也存在自身的缺點(diǎn)，比如續(xù)航能力只有40min左右、相機(jī)只有1600萬像素。綜上所述，eBee更適合使用在起降場(chǎng)地限制多、應(yīng)急救災(zāi)、測(cè)區(qū)面積小、山地型復(fù)雜等工程。eBee附帶的數(shù)據(jù)處理軟件MenciSoftwareAPS具有高度自動(dòng)化特點(diǎn)，還能一鍵生成多種數(shù)據(jù)成果(DOM、DSM、點(diǎn)云數(shù)據(jù))等優(yōu)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)處理工作流程如圖1所示。其中數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、特征點(diǎn)查找、特征點(diǎn)匹配、約束平差、生成光柵概圖均自動(dòng)處理，只需要人工選擇數(shù)據(jù)、選擇范圍、像控點(diǎn)刺點(diǎn)，最終能生成DTM、DOM、DSM等成果數(shù)據(jù)。自動(dòng)化程度高，人工干預(yù)少。值得一提的是特征點(diǎn)查找和特征點(diǎn)匹配，也是APS的核心算法—立體匹配算法［2］。圖像的立體匹配即給定同一場(chǎng)景的2幅圖像，尋找同一場(chǎng)景點(diǎn)投影到圖像中的像素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)考慮的是基于像素點(diǎn)的還是基于區(qū)域塊，可以分為基于像素點(diǎn)的匹配與基于區(qū)域的匹配。立體匹配算法通常是通過構(gòu)建能量函數(shù)試圖獲得圖像的某些全局性質(zhì)，即全局能量最小化。APS的匹配算法正是基于全局優(yōu)化策略的區(qū)域匹配算法。其主要包括以下3步。

1)圖像預(yù)處理———由于拍攝照片的時(shí)候難免會(huì)有傳感器的噪聲和光度的扭曲，而這都會(huì)對(duì)視差的計(jì)算帶來嚴(yán)重影響，常用的解決方法有，高斯拉普拉斯濾波［3］，直方圖均衡化，中值濾波［4］，雙邊濾波［5］等，通過這些濾波將每張圖像進(jìn)行去噪、均光等預(yù)處理。

2)匹配代價(jià)計(jì)算———對(duì)匹配代價(jià)的計(jì)算通常有4種方法AD(公式1)、SD(公式2)、SAD(公式3)與SSD(公式4)，從而能得到元素的不同視差匹配代價(jià)所組成的初始視差空間。CdataAD(dx)=abs(IL(x)－Ir(x+dx)(1)CdataSD(dx)=(IL(x)－IR(x+dx))2(2)CdataSAD(dx)=∑abs(IL(x)－IR(x+dx)(3)CdataSSD(dx)=∑x=W(IL(x)－IR(x+dx))2(4)3)視差的優(yōu)化計(jì)算———大多數(shù)立體匹配算法計(jì)算出來的視差是離散的，常常視差值都是整數(shù)，然而實(shí)際上是連續(xù)的，在獲取初始視差后可以采用一些措施對(duì)視差進(jìn)行細(xì)化，非整數(shù)視差，或者直接采用亞像素精度法，即將原圖像進(jìn)行水平拉伸，再對(duì)行像素點(diǎn)進(jìn)行模糊。將匹配問題轉(zhuǎn)換為一個(gè)能量方程，然后通過求解該能量方程的最小值來求取視差值。能量方程通常具有以下的形式:E=∑Wx=1(Cdata(dx)+V(dx，dx－1))(5)其中Cdata(dx)是數(shù)據(jù)項(xiàng)用來約束像素點(diǎn)在偏移前后的變化盡量小，V(dx，dx－1)是光滑項(xiàng)，約束像素點(diǎn)在偏移前后與周圍像素點(diǎn)的關(guān)系變化盡量小。

2工程應(yīng)用

規(guī)劃中的“珠江三角洲水資源配置工程”是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《珠江流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》提出的重要水資源配置工程，也是國(guó)務(wù)院要求加快建設(shè)的全國(guó)172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一。該工程從珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部，主要供水目標(biāo)是廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)，解決東部地區(qū)城市長(zhǎng)遠(yuǎn)用水問題。工程取水口初擬在佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)的西江干流河段及東海水道，輸水線路由西向東布置，沿途經(jīng)過佛山市順德區(qū)、廣州市番禺區(qū)、南沙區(qū)、東莞市虎門鎮(zhèn)、長(zhǎng)安鎮(zhèn)、深圳市寶安區(qū)，交水到廣州市南沙區(qū)萬頃沙水廠、東莞市五點(diǎn)梅水庫和深圳市羅田水庫［6］。本工程建筑物類型主要有:泵站、輸水管道、輸水隧洞(含盾構(gòu)隧洞)。該工程要求提供北線方案1∶2000現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的正射影像，北線方案為東西走向，從順德至深圳全長(zhǎng)約92km，測(cè)量寬為600m。坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980西安坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)高程系統(tǒng)。測(cè)區(qū)范圍如下圖2所示。測(cè)區(qū)位于發(fā)達(dá)城市中，人口密集、建筑物高聳、魚塘農(nóng)田密布、城市交通網(wǎng)與河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，起降場(chǎng)地的選擇限制較多等。根據(jù)測(cè)區(qū)特點(diǎn)，基于機(jī)動(dòng)靈活、安全方便等考慮，采用eBee無人機(jī)航空攝影系統(tǒng)完成該任務(wù)。航攝主要技術(shù)參數(shù)為:地面解析度為0.2m，70%的旁向重疊及75%的航向重疊，絕對(duì)航高649m。像控點(diǎn)均勻布設(shè)104個(gè)。外業(yè)耗時(shí)4d，內(nèi)業(yè)處理耗時(shí)12d。航線布設(shè)(部分)如圖3所示。利用MenciSoftwareAPS攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件，將原始照片、照片姿態(tài)文件、像控點(diǎn)坐標(biāo)文件導(dǎo)入軟件，并手動(dòng)將像控點(diǎn)坐標(biāo)與對(duì)應(yīng)照片點(diǎn)刺好。軟件將自動(dòng)進(jìn)行立體匹配、空三解算、光束法平差、立體成圖等一系列工作。最終生成正射影像、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、地面模型成果。該工程主要要求提供正射影像，生成正射影像(順德段)如圖4所示。處理報(bào)告顯示，像控點(diǎn)的最大平面中誤差值為0.12m，最大高程中誤差值為0.05m，平面中誤差均值為0.01m，高程中誤差均值為－0.01m，像控點(diǎn)殘差完全滿足1/2000比例尺正射影像圖的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即像控點(diǎn)平面中誤差不大于0.2m和高程中誤差不大于0.1m的中誤差要求［8］。從檢查驗(yàn)收?qǐng)?bào)告可知:外業(yè)利用GNSS－RTK在整個(gè)測(cè)區(qū)均勻采集724個(gè)明顯地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)，算出其平面中誤差為0.57m，高程中誤差為0.19m。其中最大平面中誤差值為0.83m，最大高程中誤差為0.28m，滿足1/2000正射影像圖的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即明顯地物點(diǎn)平面中誤差不大于1.2m和高程中誤差不大于0.3m的要求［7－8］。本次完成1/2000正射影像約55km2，投入人力為2人，時(shí)間為16d，工程車1輛。假如利用傳統(tǒng)的常規(guī)地形測(cè)量，需投入人力10人，時(shí)間約2個(gè)月，工程車2輛。從作業(yè)效率來看，無人機(jī)攝影測(cè)量的工作效率比傳統(tǒng)常規(guī)地形測(cè)量的高出十幾倍，生產(chǎn)成本也比傳統(tǒng)方法低許多。

3結(jié)語

一般在工程的規(guī)劃或選址階段，對(duì)地形圖的精度要求比較低，在沒有攝影測(cè)量或者攝影測(cè)量還不成熟的年代，一般工程規(guī)劃選址都依靠1∶10000或者更小比例尺的地形圖。目前攝影測(cè)量技術(shù)比較成熟，尤其低空無人機(jī)攝影測(cè)量更是方便快捷、靈活機(jī)動(dòng)、成本低廉;加上其生成的成果有正射影像、地表模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維立體圖等;精度方面也能達(dá)到規(guī)劃選址的要求;效率方面比傳統(tǒng)地形測(cè)繪高，減少人力物力時(shí)間的投入等?？梢哉f目前攝影測(cè)量成果能更好的滿足工程的需求，很大程度上能代替?zhèn)鹘y(tǒng)地形圖在工程規(guī)劃選址階段中的地位。低空無人機(jī)攝影測(cè)量目前已經(jīng)逐步成為測(cè)量行業(yè)領(lǐng)域不可或缺的一部分，在提高整個(gè)行業(yè)的工作效率上有著重要的意義，非常有效的滿足了我國(guó)測(cè)繪應(yīng)急的需求。是我國(guó)加快數(shù)字化城市建設(shè)的重要保證。

參考文獻(xiàn):

［1］張文博．無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在土地綜合整治中的應(yīng)用研究［D］．長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2013．

［2］于乃功，秦永鋼，阮曉鋼．立體匹配算法進(jìn)展［J］．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009(5):817－819．

［6］朱方敏，譚亮．珠江三角洲水資源配置工程項(xiàng)目建議書設(shè)計(jì)階段測(cè)量任務(wù)書［R］．廣州:廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2015．

［7］水利水電工程測(cè)量規(guī)范:SL197—2013［S］．

［8］數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢測(cè)與驗(yàn)收:GB/T18316—2008［S］．

作者:張福友 單位:廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院