數碼相機與GNSS集成的河道陡岸船載測量方法研究

李樹明　嚴麗英　蔣建平　楊彪

摘要：針對無人機遙感及船載LiDAR技術在河道陡岸地形測量中存在的作業(yè)風險大、成本高等問題，提出了一種消費級數碼相機與GNSS集成的船載攝影測量方法。該方法通過傳感器與PC機組網、Socket編程，實現持久續(xù)航能力的全自動數據采集；通過研究自檢校光束法與傳感器標定模型，實現數碼影像與GNSS數據融合，解決了移動攝影測量對控制點或高精度慣導的依賴問題；通過研究船載影像數據處理中的自由度消除方法，實現了河道陡岸實景三維重建。在長江典型河段的實例驗證結果表明：該方法精度可靠，數據采集高效，數據處理自動化程度高，可實現水陸一體化測繪，并具有低成本、易操作等顯著優(yōu)勢。

關 鍵 詞：船載攝影測量； 數碼相機； GNSS； 河道測量； 移動測量

中圖法分類號： P237 文獻標志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.06.017

0 引 言

河道地形資料是水利工程開發(fā)、防洪減災、水資源利用與保護、水土保持與治理的基礎地理信息［1-3］，其測量主要包括水下和岸上地形測量。隨著多波束測深技術的應用，水下地形測量的效率與自動化水平已達到了較高水平。然而，岸上地形測量仍然是困擾廣大測繪與水文工作者的難題［4-5］。尤其在陡岸地區(qū)，地形條件復雜，采用傳統(tǒng)的全站儀、實時動態(tài)測量（Real-Time Kinematic，RTK）等地面接觸式測繪方法，存在交通條件差、難以到達、安全風險大等問題［6-7］，且這種點的測量方式由于特征點、線不易把握，導致測量效率和成圖精度低［8］。

近年來，無人機低空遙感技術的發(fā)展為岸灘地形測繪提供了新的手段，能有效降低作業(yè)人員安全風險。其中，無人機攝影測量能精細重建地表實景三維模型，形象直觀、成果豐富［9］；無人機激光雷達（LiDAR）具有一定的植被穿透性，采用多回波技術在植被密集的平原河道地形測量中具有顯著精度優(yōu)勢［10-11］。然而，高山峽谷等河道由于常態(tài)風力超出普通無人機的抗風能力，面臨著巨大的設備安全風險。另外，無人機續(xù)航能力有限，應用于長程、線型河道岸灘地形測量時，數據獲取代價相對較高。由于河道水上地形測量常伴隨水下地形測量，實際應用中船載測量方式往往比空基方式的數據采集代價更小、續(xù)航能力更長，可實現水陸地形測繪一體化，尤其應用于陡岸地形測量時，船載方式還具有更好的觀測視角。近年來，國內外學者們對船載LiDAR水陸一體測量系統(tǒng)進行了深入的研究［12-14］，在船體固定安裝地面三維激光掃描儀，并通過標定激光掃描儀與多波束測深系統(tǒng)慣性導航單元的角度安裝誤差，來獲取掃描儀的瞬時姿態(tài)，從而實現船載移動測量［15-16］。但該技術因硬件成本高、安裝與標定難度較大，限制了其推廣應用。

本文針對現有方法的不足，集成消費級數碼相機、船用GNSS與PC機，提出一種河道陡岸船載攝影測量新方法；通過研究傳感器標定、自動化數據采集、數據融合處理方法，實現陡岸實景三維模型重建。

1 方 法

1.1 設備安裝

常規(guī)的攝影測量須在物方均勻布設并測繪像控點，在河岸地區(qū)通常難以實施。為解決這一問題，本文嘗試集成普通數碼相機與船用GNSS，通過GNSS測定數碼影像瞬時拍攝位置，采用像方控制模式來實現河道陡岸地形的移動測繪。將數碼相機和GNSS分別固定安裝在測船的船艙側壁和艙頂，如圖1所示。設計制作一款帶有強力磁鐵底座的云臺，將數碼相機牢固吸附在船艙一側鐵板上。為保證數碼相機的持久續(xù)航能力，用電源適配器與船艙電源相連，直接給數碼相機供電。船用GNSS是一個模塊化、雙天線、無基站的移動測量系統(tǒng)，利用星站差分技術，可實時測定船舶的位置和航向，是普通測船的標配［17］。與RTK和CORS等網絡差分技術相比，星站差分GNSS不受控制半徑和跨省等地域差別與網絡通訊限制，可實現百公里以上長程河道測繪。

1.2 設備集成與全自動數據采集

為實現全自動數據采集，將數碼相機、GNSS與一臺PC機組網，并通過端口編程控制數據采集。如圖2所示，數碼相機、GNSS分別通過USB數據線和網線與PC機相連，通過Socket編程開發(fā)一套傳感器控制軟件，基于TCP/IP通信協(xié)議和NMEA 0183標準協(xié)議，以20 Hz以上頻率自動接收GNSS數據至電腦。當風浪較大時，可將GNSS數據采集頻率調整至50 Hz以上。同時，按設定時間間隔驅動相機快門進行拍攝，并將數碼影像直接存儲到PC機。以PC機時間為基準，統(tǒng)一各傳感器數據采集時間，便于時序數據配準。

根據中心投影原理，像片重疊度（以70%為例）與攝影基線的關系如圖3所示。為保證數碼影像之間達到航向重疊度要求，數碼相機自動拍攝程序可按式（1）自動設置拍攝時間間隔。

式中：Δt為拍攝時間間隔；K為攝影基線長；v為船速；L為單幅照片覆蓋的岸線長度；d為拍攝距離；w為像幅寬度；f為相機主距。

對于視野不開闊、山體凹凸景深大的復雜河道，宜采用伺服電機旋轉云臺或多臺相機傾斜攝影模式采集影像。

1.3 傳感器標定

數碼相機與GNSS安裝位置不同，為實現GNSS位置到相機位置的轉換，須對兩類傳感器相對位姿進行標定。數碼相機與GNSS相對位姿關系如圖4所示，圖中坐標系EON表示大地坐標系。標定時，建立一個參考坐標系統(tǒng)XAY（右手系），以GNSS定位天線A（主天線）為原點，主天線指向從天線B（定向天線）方向在水平面上的投影為Y軸，X軸與Y軸垂直，Z軸鉛垂向上。在該坐標系下，GNSS定位天線中心A與數碼相機投影中心C的關系可用相對坐標ΔX、ΔY、ΔZ來表述，則GNSS與數碼相機位置轉換關系如式（2）所示。

1.4 陡岸攝影測量

陡岸采用多基線方式攝影，相機基本正對河岸拍攝，避免過大的交向角。為避免相機對焦模糊和運動模糊，將相機調至AV（光圈優(yōu)先）模式或手動模式，首張照片采用自動對焦模式拍攝，再固定相機焦距并鎖定對焦位置拍攝后續(xù)照片，保持所有照片的相機內方位元素與畸變參數一致，以減少未知參數，從而緩解數據處理壓力。

由攝影測量原理可知，已知大地坐標系中n（n≥3）個不共線的像片拍攝位置，與已知n個不共線的像控點等價，即可將三維模型進行絕對定向，轉換到大地坐標系。反之，若航線完全呈一條空間直線分布，如圖5所示，則三維模型在艏搖和縱搖方向不存在自由度，但在橫搖方向存在一個自由度，空中三角測量（空三）解算時，將導致平差系統(tǒng)的法方程系數矩陣出現秩虧或病態(tài)問題，無法確定模型或投影光線在該方向的旋轉角度。為克服這一問題，平直河岸數據采集時應布設“S”形航線，或分不同離岸距離的往返兩條航線對岸坡進行攝影。如不計相機成本投入，亦可在不同高度或垂直于航線不同距離位置安裝兩臺數碼相機進行攝影。

陡岸攝影測量數據處理流程如下：

（1） 讀取GNSS位姿數據，根據定位狀態(tài)，剔除低精度導航數據，再將經緯度坐標轉換為高斯平面直角坐標，恢復時序航跡。

（2） 通過解析數碼影像文件內核時間，獲取其毫秒級精度的準確拍攝時間，再采用線性插值法，按時間從GNSS航跡中內插出攝影瞬間的GNSS位姿，再根據標定參數，按式（2）解算每幅數碼影像的投影中心坐標，生成規(guī)定格式的POS（Position and Orientation System）數據文件；當船體搖晃幅度或相機傾角較大時，可根據GNSS基線方位角和傾角，估算像片旋轉矩陣，使空三迭代解算快速收斂到最優(yōu)解。

（3） 將影像與POS數據文件導入大疆智圖、ContextCapture等攝影測量軟件，依次進行空三處理、三維重建，生成河岸實景三維模型。其中，空三是決定模型精度的關鍵環(huán)節(jié)，有兩種處理模式：① POS數據約束的空三模式，該模式將POS數據代入平差模型，仍將照片外方位線元素作為未知參數求解，添加如式（7）所示約束條件，將外方位元素作為觀測值，進行約束網平差。平差結果保證外方位元素改正數的平方和達到最小，即盡量維持原外方位元素初值不變。② 后配準模式。該模式先不引入POS數據，僅基于特征點進行空三平差，得到自由坐標系影像外方位線元素。然后，將得到的外方位線元素與POS數據代入式（8）所示剛性變換模型，經最小二乘平差求解模型參數；最后，再利用該剛性變換模型，將自由坐標系影像外方位元素全部轉換到POS坐標系。

式中：（Xp，Yp，Zp）為空三平差后得到的自由坐標系像片外方位線元素；λ為剛性變換縮放系數，Rφωκ為三軸旋轉角φ，ω，κ確定的旋轉矩陣；（X0，Y0，Z0）為坐標系平移參數。

當POS數據誤差較小、河岸長度較短時，上述兩種空三模式解算結果與精度相當。但當河岸較長，或河岸較平坦、在照片畫幅中所占面積比過少時，采用后配準模式將面臨空三解算失敗風險，或由于拼接誤差累積造成模型扭曲，而后處理時采用剛性配準模式不能有效消除非線性變形，導致配準存在較大的誤差。因此，長程、線狀河岸宜采用POS數據約束的光束法空三模式。

2 實驗驗證

實驗區(qū)為長江與鄱陽湖交匯處的江西九江石鐘山河段。石鐘山為著名旅游景點，河岸山體長約200 m，山頂與水面高差約40 m，巖壁陡峭，坡度角接近90°，近水部分巖石反傾、凹陷，為典型陡岸，無人機空基方式難以有效獲取其數據。實驗設備為一臺Sony ILCE-7M2消費級數碼相機和一套Trimble BX982。其中，數碼相機采用28 mm定焦鏡頭，像幅大小為6 000×4 000像素；BX982已開通RTX（Real Time eXtended）服務，可達到±0.1 m移動定位精度和±0.5°定向精度。測船離岸約100 m行駛一條弧形航線，共拍攝17幅數碼影像。采用自主研發(fā)的全自動數據采集程序，整個數據采集過程1 min內完成。

為驗證船載攝影測量精度，岸上測量人員在河岸布設了15個檢查點，并采用RTK精確測量其三維坐標作為驗證值。數據處理時，將所有數碼影像及解算的POS數據導入ContextCapture軟件，并將檢查點作為人工連接點進行刺點，再進行POS數據約束的空三解算。解算完成后，查看檢查點的坐標，與驗證值對比，統(tǒng)計坐標誤差絕對值，結果如圖6所示。對應的坐標中誤差與反投影中誤差如表1所列，與現有文獻［18-20］的船載LiDAR測量精度相當，而其硬件成本不足船載LiDAR的1%。

空三完成后，進行三維模型重建，最終得到的石鐘山實景三維模型如圖7所示?？梢?，模型較為完整，無明顯扭曲變形，細節(jié)豐富，巖石孔隙能準確還原，如圖8所示。

3 結 語

本文通過普通數碼相機與船用GNSS集成，提出一種免像控、免慣導、免地面基站的河道陡岸船載攝影測量方法，并通過長江典型陡岸河段實驗，驗證了該方法的可行性與精度。實驗結果表明該方法切實可行、精度可靠。與現有方法相比，該方法具有低成本、低風險、易操作、續(xù)航持久、數據采集高效等顯著優(yōu)勢，可實現水陸一體化測繪。另外，該方法采用像方控制模式，無需量測像控點，因此數據處理時，可免除像控點刺點等人工干預環(huán)節(jié)，從而大大縮短了數據處理周期，提高了數據處理自動化程度。雖然攝影測量對植被穿透能力較差，但該方法可用于植被覆蓋度較低的河道陡岸大比例尺DEM（數字高程模型）提取、地形斷面與水邊線測繪，同時具有實現河道實景三維數字孿生的良好應用前景。

該方法精度主要取決于GNSS定位定向精度、傳感器標定精度、數碼影像質量、拍攝距離等，其精度評定方法還有待系統(tǒng)、深入研究。

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（編輯：劉 媛）

Ship-borne photogrammetry for river steep bank topographic survey by integrating digital camera and GNSS

LI Shuming1，YAN Liying2，JIANG Jianping1，YANG Biao2

（1.Lower Changjiang River Bureau of Hydrological and Water Resources Survey，Hydrology Bureau of Changjiang Water Resources Commission，Nanjing 210011，China； 2.Nanjing Juntu Technology Co.，Ltd.，Nanjing 211100，China）

Abstract： Aiming at the problems of high operation risk and high cost of UAV remote sensing and ship-borne LiDAR technology in river steep bank topographic survey，a ship-borne photogrammetry method integrating consumer digital camera and GNSS was proposed.This method can realize automatic data acquisition with lasting endurance by networking sensors and PCs.By studying the self-calibration beam method and sensor calibration model，the fusion of digital image and GNSS data was realized，solving the dependence of mobile photogrammetry on control points or high-precision inertial navigation.By studying the degree of freedom elimination method in ship-borne image data processing，the 3D scene reconstruction of river steep bank was realized.The measurement results in the typical reaches of the Yangtze River showed that this method was reliable in accuracy，efficient in data acquisition，and highly automated in data processing.It can realize the integrated mapping of land and water，and has significant advantages such as low cost and easy operation.

Key words： ship-borne photogrammetry；digital camera；GNSS；river bank topographic photogrammetry；mobile photogrammetry

收稿日期：2022-03-21

基金項目：安徽省教育廳無人機開發(fā)及數據應用重點實驗室開放基金項目（WRJ19005）

作者簡介：李樹明，男，高級工程師，主要從事河道勘測技術研究與管理工作。E-mail：xylism@cjh.com.cn

通信作者：嚴麗英，女，高級工程師，碩士，主要從事河道勘測技術研發(fā)工作。E-mail：364752421@qq.com