水利工程中低空攝影測量的應用范文

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《廣東水利水電雜志》2016年第11期

摘要:

低空無人機攝影測量系統采用核心算法———立體匹配算法的特點與優勢，利用瑞士eBee低空無人機攝影測量系統，結合珠江三角洲水資源配置工程應用，其工作流程與特點。通過對成果精度分析、實際使用效果以及效率對比等總結出其在工程規劃、選址方面的優勢，提高工程建設效率。

關鍵詞:

低空攝影測量;;立體匹配算法;水利工程;工程規劃選址

隨著科技的發展，無人機特別是低空無人機已經慢慢走進各行各業。低空無人機操作簡單、易學易掌握、對天氣和起飛降落場地要求低、智能化程度高、人工干預少、具有智慧型的安全機制與飛行記錄、電力推動便于攜帶等優點。這些優點使無人機被各行業開發利用，并成為焦點。低空無人機攝影測量是當今世界興起的多學科交叉高新技術，具有低成本、高效率、安全、靈活等特點。無人機攝影測量系統集成了無人駕駛飛行器、遙感技術以及GNSS導航定位等高端科技技術，具有高機動性、低成本、便捷式、實時觀測、專用化等眾多優勢，并且獲取的遙感影像的空間分辨率和時間分辨率都較高，是傳統航空攝影測量的技術延伸和技術創新的產物，廣泛應用于測量、土地調查、環境監測、城市管理、園林綠化、科學研究、企事業宣傳、旅游、交通、水利等領域［1］。

1低空無人機攝影測量系統

當今低空無人機攝影測量技術正快速發展。國內有許多品牌，比如深圳飛馬、深圳速鳥、北京麥格天渱、武漢智能鳥等。國外的有Sensefly、3DRobotics、Parrot、AscTec、Microdrones、FlytrexSky等。國內外無人機相關技術飛速發展，無人機系統種類繁多、用途廣、特點鮮明，致使其在尺寸、質量、航程、航時、飛行高度、飛行速度，任務等多方面都有較大差異。按平臺類型，無人機可分為固定翼無人機、旋翼無人機、無人飛艇、傘翼無人機、撲翼無人機等。相比其他無人機而言，eBee具有不可替代的優點。eBee是一款三角固定翼無人機，質量不到700g，機身采用模塊化設計，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運輸箱內。安裝與拆卸方便簡單，起飛前只需要2min就能完成安裝、檢查、測試等準備工作。相比油機等體積大的無人機而言，ebee顯得小巧玲瓏，容易攜帶，可以一個人輕松完成所有外業;特別是在應急工程上，大體積無人機需要借助較長的跑到或者彈射才能起飛，而一般應急工程，比如泥石流、洪澇災害、塌方等自然災害現場都是存在著場地狹小的限制，而eBee采用的手拋就能起飛的設計很好的解決了這些限制;再者，大體積無人機體積大，質量能達到幾十千克，油機裝置幾升甚至十幾升汽油，如果出現意外，造成第三方傷害后果不堪設想。eBee的重量之輕，假如出現意外，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采用智能化設計，只需輸入地面解析度、重疊度、測量范圍即可自動設計出安全、高效、最優化的航線。飛行過程中出現低電量、離地面高度過低、與電臺鏈接信號過弱、衛星信號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的安全;不過eBee也存在自身的缺點，比如續航能力只有40min左右、相機只有1600萬像素。綜上所述，eBee更適合使用在起降場地限制多、應急救災、測區面積小、山地型復雜等工程。eBee附帶的數據處理軟件MenciSoftwareAPS具有高度自動化特點，還能一鍵生成多種數據成果(DOM、DSM、點云數據)等優點，其數據處理工作流程如圖1所示。其中數據的導入、特征點查找、特征點匹配、約束平差、生成光柵概圖均自動處理，只需要人工選擇數據、選擇范圍、像控點刺點，最終能生成DTM、DOM、DSM等成果數據。自動化程度高，人工干預少。值得一提的是特征點查找和特征點匹配，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景的2幅圖像，尋找同一場景點投影到圖像中的像素之間的對應關系。根據考慮的是基于像素點的還是基于區域塊，可以分為基于像素點的匹配與基于區域的匹配。立體匹配算法通常是通過構建能量函數試圖獲得圖像的某些全局性質，即全局能量最小化。APS的匹配算法正是基于全局優化策略的區域匹配算法。其主要包括以下3步。

1)圖像預處理———由于拍攝照片的時候難免會有傳感器的噪聲和光度的扭曲，而這都會對視差的計算帶來嚴重影響，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行去噪、均光等預處理。

2)匹配代價計算———對匹配代價的計算通常有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)視差的優化計算———大多數立體匹配算法計算出來的視差是離散的，常常視差值都是整數，然而實際上是連續的，在獲取初始視差后可以采用一些措施對視差進行細化，非整數視差，或者直接采用亞像素精度法，即將原圖像進行水平拉伸，再對行像素點進行模糊。將匹配問題轉換為一個能量方程，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)是數據項用來約束像素點在偏移前后的變化盡量小，V(dx，dx－1)是光滑項，約束像素點在偏移前后與周圍像素點的關系變化盡量小。

2工程應用

規劃中的“珠江三角洲水資源配置工程”是國務院批準的《珠江流域綜合規劃(2012—2030年)》提出的重要水資源配置工程，也是國務院要求加快建設的全國172項節水供水重大水利工程之一。該工程從珠江三角洲河網區西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部，主要供水目標是廣州市南沙區、深圳市和東莞市的缺水地區，解決東部地區城市長遠用水問題。工程取水口初擬在佛山市順德區杏壇鎮的西江干流河段及東海水道，輸水線路由西向東布置，沿途經過佛山市順德區、廣州市番禺區、南沙區、東莞市虎門鎮、長安鎮、深圳市寶安區，交水到廣州市南沙區萬頃沙水廠、東莞市五點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(含盾構隧洞)。該工程要求提供北線方案1∶2000現勢性強的正射影像，北線方案為東西走向，從順德至深圳全長約92km，測量寬為600m。坐標系統采用1980西安坐標系，高程系統采用1985國家高程基準高程系統。測區范圍如下圖2所示。測區位于發達城市中，人口密集、建筑物高聳、魚塘農田密布、城市交通網與河網縱橫交錯，起降場地的選擇限制較多等。根據測區特點，基于機動靈活、安全方便等考慮，采用eBee無人機航空攝影系統完成該任務。航攝主要技術參數為:地面解析度為0.2m，70%的旁向重疊及75%的航向重疊，絕對航高649m。像控點均勻布設104個。外業耗時4d，內業處理耗時12d。航線布設(部分)如圖3所示。利用MenciSoftwareAPS攝影測量數據處理軟件，將原始照片、照片姿態文件、像控點坐標文件導入軟件，并手動將像控點坐標與對應照片點刺好。軟件將自動進行立體匹配、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、點云數據、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。處理報告顯示，像控點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，像控點殘差完全滿足1/2000比例尺正射影像圖的國家標準，即像控點平面中誤差不大于0.2m和高程中誤差不大于0.1m的中誤差要求［8］。從檢查驗收報告可知:外業利用GNSS－RTK在整個測區均勻采集724個明顯地物點的三維坐標，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正射影像圖的國家標準，即明顯地物點平面中誤差不大于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，時間為16d，工程車1輛。假如利用傳統的常規地形測量，需投入人力10人，時間約2個月，工程車2輛。從作業效率來看，無人機攝影測量的工作效率比傳統常規地形測量的高出十幾倍，生產成本也比傳統方法低許多。

3結語

一般在工程的規劃或選址階段，對地形圖的精度要求比較低，在沒有攝影測量或者攝影測量還不成熟的年代，一般工程規劃選址都依靠1∶10000或者更小比例尺的地形圖。目前攝影測量技術比較成熟，尤其低空無人機攝影測量更是方便快捷、靈活機動、成本低廉;加上其生成的成果有正射影像、地表模型、點云數據、三維立體圖等;精度方面也能達到規劃選址的要求;效率方面比傳統地形測繪高，減少人力物力時間的投入等。可以說目前攝影測量成果能更好的滿足工程的需求，很大程度上能代替傳統地形圖在工程規劃選址階段中的地位。低空無人機攝影測量目前已經逐步成為測量行業領域不可或缺的一部分，在提高整個行業的工作效率上有著重要的意義，非常有效的滿足了我國測繪應急的需求。是我國加快數字化城市建設的重要保證。

參考文獻:

［1］張文博．無人機航測技術在土地綜合整治中的應用研究［D］．長沙:長沙理工大學，2013．

［2］于乃功，秦永鋼，阮曉鋼．立體匹配算法進展［J］．計算機測量與控制，2009(5):817－819．

［6］朱方敏，譚亮．珠江三角洲水資源配置工程項目建議書設計階段測量任務書［R］．廣州:廣東省水利電力勘測設計研究院，2015．

［7］水利水電工程測量規范:SL197—2013［S］．

［8］數字測繪成果質量檢測與驗收:GB/T18316—2008［S］．

作者:張福友 單位:廣東省水利電力勘測設計研究院