無人機(jī)航測技術(shù)在河道泥沙沉積量監(jiān)測的改進(jìn)研究

劉曉哲

(遼寧河庫管服務(wù)中心(遼寧省水文局)，遼寧 沈陽 110003)

隨著無人機(jī)測量技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)航測技術(shù)在水利工程測量中得到逐步應(yīng)用和推廣，已成為河道治理、規(guī)劃設(shè)計(jì)中地形測量的一種重要方式[1]。泥沙沉積量是河道治理、采砂規(guī)劃的重要基礎(chǔ)，傳統(tǒng)方法大都采用人工地形測量的方式進(jìn)行監(jiān)測，這種方式監(jiān)測的精度較高，但需要耗費(fèi)大量的人力和物力，且很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)河段泥沙沉積量的監(jiān)測。近些年來，衛(wèi)星遙感影像解譯技術(shù)在河道泥沙沉積量監(jiān)測中得到應(yīng)用[2- 9]，但是受衛(wèi)星遙感影像采集時(shí)間影響，其泥沙沉積量監(jiān)測的精度較低，很難得到推廣和應(yīng)用。隨著無人機(jī)航測在河道地形勘測中的逐步應(yīng)用，其在泥沙沉積量監(jiān)測中也得到不同程度的應(yīng)用[10- 15]，通過在無人機(jī)底部安裝多譜儀，通過發(fā)射電磁波對(duì)泥沙沉積量進(jìn)行監(jiān)測，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)河段泥沙沉積量的監(jiān)測，但由于河道地形起伏較大，在實(shí)際監(jiān)測時(shí)無人機(jī)航高和航線參數(shù)設(shè)置合理度低，往往使得泥沙沉積量監(jiān)測的精度較低，導(dǎo)致無人機(jī)航測技術(shù)在泥沙沉積量監(jiān)測中的應(yīng)用效果較低。為此文章結(jié)合區(qū)域DEM數(shù)據(jù)確定區(qū)域平均高程，對(duì)無人機(jī)的航高和航線參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定，解決傳統(tǒng)無人機(jī)航測受河道地面高度起伏變化、航高和航線參數(shù)設(shè)置過高或過低的問題。以遼干河流為研究實(shí)例，結(jié)合河段泥沙沉積量實(shí)測值，對(duì)比改進(jìn)后的和傳統(tǒng)無人機(jī)航測方式下的泥沙沉積量監(jiān)測精度。研究成果將為無人機(jī)航測在河道泥沙沉積量監(jiān)測進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供參考價(jià)值。

1 河道泥沙沉積量的無人機(jī)航測技術(shù)

1.1 航高確定方式的改進(jìn)

在采用無人機(jī)航測時(shí)采用儀器自身攜帶的軟件對(duì)其航高和航線進(jìn)行設(shè)定，在實(shí)際航測過程中，由于河道地形起伏較為復(fù)雜，航測起點(diǎn)和終點(diǎn)均不在同一條水平線上，使得航高、航線以及控制點(diǎn)等參數(shù)難以準(zhǔn)確確定，降低無人機(jī)航測的泥沙沉積量監(jiān)測精度，因此以平均分辨率作為無人機(jī)航測監(jiān)測的基礎(chǔ)條件，對(duì)無人機(jī)航測高度的確定方式進(jìn)行改進(jìn)。首先通過獲取航測區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)后，采用專業(yè)軟件對(duì)區(qū)域DEM數(shù)據(jù)包進(jìn)行裁剪得到航測河段的平均高程，結(jié)合無人機(jī)航測規(guī)范對(duì)其航高進(jìn)行確定：

(1)

式中，j—航拍相機(jī)鏡頭焦點(diǎn)距離，mm；o—衛(wèi)星影像地面分辨率；θ—DEM數(shù)據(jù)的像元大小。

在無人機(jī)航測高度確定的基礎(chǔ)上，結(jié)合衛(wèi)星影像地面分辨率與其航測條件進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)o≤5時(shí)，其衛(wèi)星地圖比例尺為1∶500；當(dāng)8≤o≤10時(shí)，其比例尺為1∶1000；當(dāng)15≤o≤20時(shí)，其比例尺為1∶10000。河段泥沙沉積量監(jiān)測點(diǎn)通過人工現(xiàn)場檢驗(yàn)的方式進(jìn)行確定，無人機(jī)監(jiān)測的航高將方程(1)計(jì)算的高度減去該點(diǎn)高程得到。

1.2 航線布設(shè)方式的優(yōu)選

通過降低監(jiān)測區(qū)域影響重疊率來確定航測的最優(yōu)線路，對(duì)監(jiān)測區(qū)域編輯線在航線優(yōu)選時(shí)進(jìn)行局部外延處理，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭b控器內(nèi)，河道泥沙傳輸過程通過攝像測量模塊進(jìn)行掃描，從而確定航測的最優(yōu)線路。相鄰兩像片按照航測規(guī)范要求需在相同航線上，并且圖像不出現(xiàn)重疊。航向最低重疊度對(duì)于無人機(jī)航測的要求是不小于55%；重疊度應(yīng)足夠滿足相鄰航線要求。最低旁向重疊度對(duì)于無人機(jī)航測的要求是不小于10%。分別采用以下方程并結(jié)合測量地點(diǎn)和終點(diǎn)位置、航線方向和距離對(duì)其基線和航線寬度進(jìn)行計(jì)算。航線參數(shù)可通過地面監(jiān)控站進(jìn)行設(shè)置。

(2)

(3)

(4)

式中，l—成像尺寸，m；p%、q%—航向與像片在不同航向上的重疊度；m—攝影比例尺分母；H—攝影航高，m；f—攝影機(jī)主距，m；B—攝影基線，m；D—航線間隔寬度，m。

1.3 泥沙沉積量計(jì)算

在確定無人機(jī)航高和航線后，對(duì)其河段泥沙沉積量進(jìn)行無人機(jī)航測，自動(dòng)生成監(jiān)測數(shù)據(jù)表。河道四周坡度、地表與河道間距通過無人機(jī)航測獲取后，沉積層寬度利用三角函數(shù)計(jì)算原理獲得，垂直方向上泥沙沉積層面積計(jì)算方程為：

(5)

式中，x、y—泥沙沉積層上下層的坡間距，m；R—上下泥沙沉積層的間距m。

根據(jù)方程(5)生成沉積層剖面圖，分別用I和I′表示上下層剖面面積，則其三維剖面影響體積計(jì)算方程為：

(6)

河道內(nèi)泥沙沉積旋回層會(huì)在水流初次攜沙傳輸時(shí)產(chǎn)生，河流不同攜沙能力的泥沙沉積量計(jì)算方程為：

(7)

式中，n—水流在固定時(shí)段內(nèi)攜沙次數(shù)；Zi—泥沙在節(jié)點(diǎn)i處的泥沙沉積體積，L。在進(jìn)行河道泥沙沉積量監(jiān)測時(shí)，當(dāng)河道攜沙能力超過限定值后，泥沙沉積量通過方程(7)進(jìn)行估算，為了得到較為精確的監(jiān)測結(jié)果，每隔一段時(shí)間在無人機(jī)航測時(shí)采用方程(7)進(jìn)行一次泥沙沉積量的實(shí)時(shí)估算，以自動(dòng)生成數(shù)據(jù)表的形式反饋到監(jiān)測終端，最終實(shí)現(xiàn)河道泥沙沉積量的無人機(jī)航測下的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測。

2 實(shí)例應(yīng)用分析

2.1 設(shè)備選取

選取傾斜無人機(jī)飛鷺UV- 10作為監(jiān)測工具，其主要性能參數(shù)見表1。連接五通道多光譜相機(jī)和設(shè)備，對(duì)不同河段下的河道泥沙沉積量進(jìn)行監(jiān)測。

表1 傾斜無人機(jī)(飛鷺UV- 10)主要性能參數(shù)

2.2 監(jiān)測試驗(yàn)方法

選取遼河干流鐵嶺水文站以上河段10km范圍作為監(jiān)測河段，采用無人機(jī)航測進(jìn)行連續(xù)10天的監(jiān)測，監(jiān)測前對(duì)多光譜相機(jī)的傳感器進(jìn)行校正，獲取監(jiān)測斷波段發(fā)射數(shù)據(jù)。按照前述航高和航線確定方法，結(jié)合對(duì)應(yīng)的參數(shù)(表2、表3)，對(duì)其航高和航線進(jìn)行確定，航線設(shè)置如圖1所示。

圖1 監(jiān)測河段航線設(shè)置

表2 航高設(shè)置參數(shù)

表3 航線設(shè)置參數(shù)

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)精度分析

分別利用3組傳統(tǒng)監(jiān)測方式、1組人工測量監(jiān)測方式以及文章改進(jìn)的監(jiān)測方式對(duì)選取的河段泥沙進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，將不同監(jiān)測方式下的值和人工測量監(jiān)測方式下的泥沙沉積量進(jìn)行誤差對(duì)比，誤差對(duì)比方程為：

(8)

式中，λ—相對(duì)誤差均值，%；M—監(jiān)測數(shù)據(jù)總量；S1—傳統(tǒng)監(jiān)測方法下的泥沙沉積量，t；S2—人工測量方式下的泥沙沉積量，t。對(duì)不同方式下的泥沙沉積量誤差進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，并統(tǒng)計(jì)各監(jiān)測方法和人工測量方法下的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表4和表5。

表4 不同監(jiān)測方法下泥沙沉積量平均誤差統(tǒng)計(jì)

表5 不同監(jiān)測方法下泥沙沉積量相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)照A組、B組、C組分別為三種采用傳統(tǒng)監(jiān)測方法下的泥沙沉積量監(jiān)測誤差，從平均誤差對(duì)比結(jié)果可以看出，文章改進(jìn)的監(jiān)測方法下和人工測量相比，其平均誤差均低于30%，而其他三種方法下的誤差高于30%，相比三種傳統(tǒng)監(jiān)測方法，改進(jìn)的監(jiān)測方法由于合理設(shè)定無人機(jī)航測的高度和航線，泥沙沉積量監(jiān)測誤差平均可下降10%。此外通過連續(xù)10天的觀測，由取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)系列和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)系列的相關(guān)系數(shù)對(duì)比結(jié)果可看出，相比于其他三種傳統(tǒng)監(jiān)測方法，文章改進(jìn)的監(jiān)測方法下的相關(guān)系數(shù)有所提高，相關(guān)系數(shù)平均可提高0.2。

3 監(jiān)測質(zhì)量控制措施

3.1 無人機(jī)影像質(zhì)量控制

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)無人機(jī)航測數(shù)據(jù)進(jìn)行影像質(zhì)量控制。其中飛行和影像質(zhì)量控制措施主要為：

(1)飛行質(zhì)量控制措施：按照CH/Z 3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》要求對(duì)獲取的航拍影像質(zhì)量進(jìn)行控制，是否覆蓋航測的邊界范圍，航拍圖像是否滿足任務(wù)要求。

(2)影像質(zhì)量控制措施：對(duì)地表細(xì)小地物的清晰度進(jìn)行質(zhì)量控制，是否存在明顯的圖像空白缺陷，是否出現(xiàn)重疊影像，像片曝光受無人機(jī)航測影響是否滿足點(diǎn)位移動(dòng)規(guī)范要求。以上質(zhì)量控制指標(biāo)不滿足CH/Z 3005—2010航測規(guī)范要求時(shí)，需要再次進(jìn)行航測，航測基本條件要和前面測次具有一致性。

3.2 像片重疊度質(zhì)量控制

主要對(duì)其航向和旁向重疊度進(jìn)行質(zhì)量控制。兩張相鄰像片在相同航線上的重疊度需要滿足以下質(zhì)量控制措施要求：在同一航線上最低航向重疊度應(yīng)高于55%，最低旁向重疊度應(yīng)高于10%。

3.3 像片傾斜角與旋偏角檢查

當(dāng)無人機(jī)進(jìn)行航測時(shí)，需要對(duì)其航偏角和俯仰角度進(jìn)行不斷優(yōu)化調(diào)整，從而降低無人機(jī)航測時(shí)由于航帶轉(zhuǎn)換時(shí)間較短而使得像片傾角過大造成數(shù)據(jù)質(zhì)量誤差，無人機(jī)航測開始時(shí)，其航偏角一般誤差較大，航向改變處為像片傾斜角點(diǎn)位最大所處區(qū)域，因此通常情況下在航向改變處不會(huì)對(duì)其圖像進(jìn)行采集，從而提高圖像采集獲取的數(shù)據(jù)精度。因此在進(jìn)行質(zhì)量控制時(shí)傾角最高度數(shù)要低于3°。無人機(jī)航測旋偏角是由相機(jī)旋轉(zhuǎn)不確定所產(chǎn)生的，其旋偏角要控制在6°～8°，三個(gè)連續(xù)圖像采集過程中的旋偏角均不能高于6°。

在軟件中自動(dòng)篩選照片，對(duì)橫滾角≤15°、俯仰角≤30°的照片進(jìn)行篩選，剩余照片基本滿足低空攝影測量對(duì)傾斜角和旋偏角的要求。

3.4 航帶內(nèi)最大高差檢查

由于外業(yè)天氣環(huán)境影響在航測過程中無人機(jī)預(yù)先設(shè)定的航高會(huì)有所偏離，使得不同像片具有差異較大的航高，從而影響數(shù)據(jù)采集的精度。因此需要對(duì)航測高度進(jìn)行質(zhì)量控制，在同一航線上進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集的過程中兩個(gè)相鄰圖像之間航高間距要低于10m，航高最大和最小值之間的差值要低于5m，預(yù)選和實(shí)際航高之間的差值也要小于5m。無人機(jī)在飛行作業(yè)過程中可以通過自控系統(tǒng)對(duì)高程進(jìn)行適度調(diào)整，低空測量區(qū)域內(nèi)的高差要滿足航測規(guī)范要求。

4 主要結(jié)論

(1)在相同航線上無人機(jī)最低航向和旁向重疊度分別應(yīng)不低于55%和10%，這樣才能保證航測過程中相鄰像片之間不會(huì)出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，從而提高河道泥沙沉積量數(shù)據(jù)采集精度。

(2)無人機(jī)在轉(zhuǎn)換航帶時(shí)時(shí)間較短使得像片產(chǎn)生較大傾角，降低數(shù)據(jù)采集精度，而航向改變處通常為像片傾斜角最大的點(diǎn)位，因此在飛行作業(yè)過程中不可在航向改變處進(jìn)行拍攝。

(3)利用無人機(jī)航測泥沙沉積量的監(jiān)測方式在大風(fēng)、雷暴等天氣條件下的應(yīng)用效果還有待驗(yàn)證。