張福友

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

低空攝影測(cè)量在水利工程中的應(yīng)用

張福友

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

低空無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)采用APS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(wú)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(guò)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。

低空攝影測(cè)量；eBee；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(wú)人機(jī)特別是低空無(wú)人機(jī)已經(jīng)慢慢走進(jìn)各行各業(yè)。低空無(wú)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(wú)人機(jī)被各行業(yè)開發(fā)利用,并成為焦點(diǎn)。

低空無(wú)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(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)集成了無(wú)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(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)

當(dāng)今低空無(wú)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、3D Robotics、Parrot、AscTec、Microdrones、Flytrex Sky等。國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展,無(wú)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(wú)人機(jī)可分為固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)、無(wú)人飛艇、傘翼無(wú)人機(jī)、撲翼無(wú)人機(jī)等。相比其他無(wú)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(wú)人機(jī),質(zhì)量不到700 g,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2 min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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)程中出現(xiàn)低電量、離地面高度過(guò)低、與電臺(tái)鏈接信號(hào)過(guò)弱、衛(wèi)星信號(hào)過(guò)弱等情況均有提示并能作出智能化的抉擇以保障無(wú)人機(jī)的安全；不過(guò)eBee也存在自身的缺點(diǎn),比如續(xù)航能力只有40 min左右、相機(jī)只有1 600萬(wàn)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Menci Software APS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。

圖1 APS工作流程示意

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(guò)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(lái)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(guò)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)

(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(lái)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(wèn)題轉(zhuǎn)換為一個(gè)能量方程,然后通過(guò)求解該能量方程的最小值來(lái)求取視差值。能量方程通常具有以下的形式:

(5)

其中Cdata(dx)是數(shù)據(jù)項(xiàng)用來(lái)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(wèn)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(guò)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(wàn)頃沙水廠、東莞市五點(diǎn)梅水庫(kù)和深圳市羅田水庫(kù)[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∶2 000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。

圖2 攝影測(cè)量范圍示意

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(wú)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。

圖3 航線布設(shè)示意

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。

圖4 正射影像成果(順德段)

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1/2 000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1/2 000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1/2 000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(lái)看,無(wú)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(yǔ)

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(méi)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∶10 000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(wú)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(shuō)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(wú)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。

[1] 張文博. 無(wú)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．

[3]KanadeT,KanoH,KimuraS,etal.Developmentofavideo-ratestereomachine[C]∥intelligentrobotsandsystems, 1995: 95-100.

[4]RobotvisP.RealTimeCorrelation-BasedStereo:Algorithm,ImplementationsandApplications[J].Inria, 1995.

[5]AnsarA,CastanoA,MatthiesL.Enhancedreal-timestereousingbilateralfiltering[C]∥InternationalSymposiumon3dDataProcessing,VisualizationandTransmission, 2004. 3dpvt2004.Proceedings.IEEE, 2004:455-462.

[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]．

(本文責(zé)任編輯 王瑞蘭)

Application of Low Altitude Photogrammetry to Hydrographic Engineering

ZHANG Fuyou

(Guangdong Hydropower Planning and Design Institute, Guangzhou 510635, China)

The characteristics and advantages of low-altitude UAV photogrammetry system were introduced in this paper, using the Swiss eBee low-altitude UAV photogrammetry system based on the actual engineering application to illuminate its working process and characteristics. Based on the results of precision analysis, actual using effect and efficiency, etc., it is summarized preponderant in project planning and site selection, improving the efficiency of project construction.

low altitude photogrammetry; eBee; stereo matching algorithm; hydrographic engineering; project site selection

2016-08-22;

2016-11-05

張福友(1987),男,本科,工程師,從事水利水電測(cè)量工作。

P231.5