李樹明　嚴(yán)麗英　蔣建平　楊彪

摘要：針對(duì)無(wú)人機(jī)遙感及船載LiDAR技術(shù)在河道陡岸地形測(cè)量中存在的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、成本高等問(wèn)題，提出了一種消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)與GNSS集成的船載攝影測(cè)量方法。該方法通過(guò)傳感器與PC機(jī)組網(wǎng)、Socket編程，實(shí)現(xiàn)持久續(xù)航能力的全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集；通過(guò)研究自檢校光束法與傳感器標(biāo)定模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼影像與GNSS數(shù)據(jù)融合，解決了移動(dòng)攝影測(cè)量對(duì)控制點(diǎn)或高精度慣導(dǎo)的依賴問(wèn)題；通過(guò)研究船載影像數(shù)據(jù)處理中的自由度消除方法，實(shí)現(xiàn)了河道陡岸實(shí)景三維重建。在長(zhǎng)江典型河段的實(shí)例驗(yàn)證結(jié)果表明：該方法精度可靠，數(shù)據(jù)采集高效，數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)水陸一體化測(cè)繪，并具有低成本、易操作等顯著優(yōu)勢(shì)。

關(guān) 鍵 詞：船載攝影測(cè)量； 數(shù)碼相機(jī)； GNSS； 河道測(cè)量； 移動(dòng)測(cè)量

中圖法分類號(hào)： P237 文獻(xiàn)標(biāo)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(zāi)、水資源利用與保護(hù)、水土保持與治理的基礎(chǔ)地理信息［1-3］，其測(cè)量主要包括水下和岸上地形測(cè)量。隨著多波束測(cè)深技術(shù)的應(yīng)用，水下地形測(cè)量的效率與自動(dòng)化水平已達(dá)到了較高水平。然而，岸上地形測(cè)量仍然是困擾廣大測(cè)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(fù)雜，采用傳統(tǒng)的全站儀、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量（Real-Time Kinematic，RTK）等地面接觸式測(cè)繪方法，存在交通條件差、難以到達(dá)、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題［6-7］，且這種點(diǎn)的測(cè)量方式由于特征點(diǎn)、線不易把握，導(dǎo)致測(cè)量效率和成圖精度低［8］。

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)的發(fā)展為岸灘地形測(cè)繪提供了新的手段，能有效降低作業(yè)人員安全風(fēng)險(xiǎn)。其中，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量能精細(xì)重建地表實(shí)景三維模型，形象直觀、成果豐富［9］；無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)（LiDAR）具有一定的植被穿透性，采用多回波技術(shù)在植被密集的平原河道地形測(cè)量中具有顯著精度優(yōu)勢(shì)［10-11］。然而，高山峽谷等河道由于常態(tài)風(fēng)力超出普通無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)能力，面臨著巨大的設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，無(wú)人機(jī)續(xù)航能力有限，應(yīng)用于長(zhǎng)程、線型河道岸灘地形測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)獲取代價(jià)相對(duì)較高。由于河道水上地形測(cè)量常伴隨水下地形測(cè)量，實(shí)際應(yīng)用中船載測(cè)量方式往往比空基方式的數(shù)據(jù)采集代價(jià)更小、續(xù)航能力更長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)水陸地形測(cè)繪一體化，尤其應(yīng)用于陡岸地形測(cè)量時(shí)，船載方式還具有更好的觀測(cè)視角。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)船載LiDAR水陸一體測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)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(guò)標(biāo)定激光掃描儀與多波束測(cè)深系統(tǒng)慣性導(dǎo)航單元的角度安裝誤差，來(lái)獲取掃描儀的瞬時(shí)姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)船載移動(dòng)測(cè)量［15-16］。但該技術(shù)因硬件成本高、安裝與標(biāo)定難度較大，限制了其推廣應(yīng)用。

本文針對(duì)現(xiàn)有方法的不足，集成消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)、船用GNSS與PC機(jī)，提出一種河道陡岸船載攝影測(cè)量新方法；通過(guò)研究傳感器標(biāo)定、自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合處理方法，實(shí)現(xiàn)陡岸實(shí)景三維模型重建。

1 方 法

1.1 設(shè)備安裝

常規(guī)的攝影測(cè)量須在物方均勻布設(shè)并測(cè)繪像控點(diǎn)，在河岸地區(qū)通常難以實(shí)施。為解決這一問(wèn)題，本文嘗試集成普通數(shù)碼相機(jī)與船用GNSS，通過(guò)GNSS測(cè)定數(shù)碼影像瞬時(shí)拍攝位置，采用像方控制模式來(lái)實(shí)現(xiàn)河道陡岸地形的移動(dòng)測(cè)繪。將數(shù)碼相機(jī)和GNSS分別固定安裝在測(cè)船的船艙側(cè)壁和艙頂，如圖1所示。設(shè)計(jì)制作一款帶有強(qiáng)力磁鐵底座的云臺(tái)，將數(shù)碼相機(jī)牢固吸附在船艙一側(cè)鐵板上。為保證數(shù)碼相機(jī)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(shù)碼相機(jī)供電。船用GNSS是一個(gè)模塊化、雙天線、無(wú)基站的移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，利用星站差分技術(shù)，可實(shí)時(shí)測(cè)定船舶的位置和航向，是普通測(cè)船的標(biāo)配［17］。與RTK和CORS等網(wǎng)絡(luò)差分技術(shù)相比，星站差分GNSS不受控制半徑和跨省等地域差別與網(wǎng)絡(luò)通訊限制，可實(shí)現(xiàn)百公里以上長(zhǎng)程河道測(cè)繪。

1.2 設(shè)備集成與全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集

為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，將數(shù)碼相機(jī)、GNSS與一臺(tái)PC機(jī)組網(wǎng)，并通過(guò)端口編程控制數(shù)據(jù)采集。如圖2所示，數(shù)碼相機(jī)、GNSS分別通過(guò)USB數(shù)據(jù)線和網(wǎng)線與PC機(jī)相連，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以20 Hz以上頻率自動(dòng)接收GNSS數(shù)據(jù)至電腦。當(dāng)風(fēng)浪較大時(shí)，可將GNSS數(shù)據(jù)采集頻率調(diào)整至50 Hz以上。同時(shí)，按設(shè)定時(shí)間間隔驅(qū)動(dòng)相機(jī)快門進(jìn)行拍攝，并將數(shù)碼影像直接存儲(chǔ)到PC機(jī)。以PC機(jī)時(shí)間為基準(zhǔn)，統(tǒng)一各傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)間，便于時(shí)序數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。

根據(jù)中心投影原理，像片重疊度（以70%為例）與攝影基線的關(guān)系如圖3所示。為保證數(shù)碼影像之間達(dá)到航向重疊度要求，數(shù)碼相機(jī)自動(dòng)拍攝程序可按式（1）自動(dòng)設(shè)置拍攝時(shí)間間隔。

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

對(duì)于視野不開闊、山體凹凸景深大的復(fù)雜河道，宜采用伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)云臺(tái)或多臺(tái)相機(jī)傾斜攝影模式采集影像。

1.3 傳感器標(biāo)定

數(shù)碼相機(jī)與GNSS安裝位置不同，為實(shí)現(xiàn)GNSS位置到相機(jī)位置的轉(zhuǎn)換，須對(duì)兩類傳感器相對(duì)位姿進(jìn)行標(biāo)定。數(shù)碼相機(jī)與GNSS相對(duì)位姿關(guān)系如圖4所示，圖中坐標(biāo)系EON表示大地坐標(biāo)系。標(biāo)定時(shí)，建立一個(gè)參考坐標(biāo)系統(tǒng)XAY（右手系），以GNSS定位天線A（主天線）為原點(diǎn)，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(biāo)系下，GNSS定位天線中心A與數(shù)碼相機(jī)投影中心C的關(guān)系可用相對(duì)坐標(biāo)ΔX、ΔY、ΔZ來(lái)表述，則GNSS與數(shù)碼相機(jī)位置轉(zhuǎn)換關(guān)系如式（2）所示。

1.4 陡岸攝影測(cè)量

陡岸采用多基線方式攝影，相機(jī)基本正對(duì)河岸拍攝，避免過(guò)大的交向角。為避免相機(jī)對(duì)焦模糊和運(yùn)動(dòng)模糊，將相機(jī)調(diào)至AV（光圈優(yōu)先）模式或手動(dòng)模式，首張照片采用自動(dòng)對(duì)焦模式拍攝，再固定相機(jī)焦距并鎖定對(duì)焦位置拍攝后續(xù)照片，保持所有照片的相機(jī)內(nèi)方位元素與畸變參數(shù)一致，以減少未知參數(shù)，從而緩解數(shù)據(jù)處理壓力。

由攝影測(cè)量原理可知，已知大地坐標(biāo)系中n（n≥3）個(gè)不共線的像片拍攝位置，與已知n個(gè)不共線的像控點(diǎn)等價(jià)，即可將三維模型進(jìn)行絕對(duì)定向，轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)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(gè)自由度，空中三角測(cè)量（空三）解算時(shí)，將導(dǎo)致平差系統(tǒng)的法方程系數(shù)矩陣出現(xiàn)秩虧或病態(tài)問(wèn)題，無(wú)法確定模型或投影光線在該方向的旋轉(zhuǎn)角度。為克服這一問(wèn)題，平直河岸數(shù)據(jù)采集時(shí)應(yīng)布設(shè)“S”形航線，或分不同離岸距離的往返兩條航線對(duì)岸坡進(jìn)行攝影。如不計(jì)相機(jī)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(tái)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行攝影。

陡岸攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理流程如下：

（1） 讀取GNSS位姿數(shù)據(jù)，根據(jù)定位狀態(tài)，剔除低精度導(dǎo)航數(shù)據(jù)，再將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為高斯平面直角坐標(biāo)，恢復(fù)時(shí)序航跡。

（2） 通過(guò)解析數(shù)碼影像文件內(nèi)核時(shí)間，獲取其毫秒級(jí)精度的準(zhǔn)確拍攝時(shí)間，再采用線性插值法，按時(shí)間從GNSS航跡中內(nèi)插出攝影瞬間的GNSS位姿，再根據(jù)標(biāo)定參數(shù)，按式（2）解算每幅數(shù)碼影像的投影中心坐標(biāo)，生成規(guī)定格式的POS（Position and Orientation System）數(shù)據(jù)文件；當(dāng)船體搖晃幅度或相機(jī)傾角較大時(shí)，可根據(jù)GNSS基線方位角和傾角，估算像片旋轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)文件導(dǎo)入大疆智圖、ContextCapture等攝影測(cè)量軟件，依次進(jìn)行空三處理、三維重建，生成河岸實(shí)景三維模型。其中，空三是決定模型精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有兩種處理模式：① POS數(shù)據(jù)約束的空三模式，該模式將POS數(shù)據(jù)代入平差模型，仍將照片外方位線元素作為未知參數(shù)求解，添加如式（7）所示約束條件，將外方位元素作為觀測(cè)值，進(jìn)行約束網(wǎng)平差。平差結(jié)果保證外方位元素改正數(shù)的平方和達(dá)到最小，即盡量維持原外方位元素初值不變。② 后配準(zhǔn)模式。該模式先不引入POS數(shù)據(jù)，僅基于特征點(diǎn)進(jìn)行空三平差，得到自由坐標(biāo)系影像外方位線元素。然后，將得到的外方位線元素與POS數(shù)據(jù)代入式（8）所示剛性變換模型，經(jīng)最小二乘平差求解模型參數(shù)；最后，再利用該剛性變換模型，將自由坐標(biāo)系影像外方位元素全部轉(zhuǎn)換到POS坐標(biāo)系。

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

當(dāng)POS數(shù)據(jù)誤差較小、河岸長(zhǎng)度較短時(shí)，上述兩種空三模式解算結(jié)果與精度相當(dāng)。但當(dāng)河岸較長(zhǎng)，或河岸較平坦、在照片畫幅中所占面積比過(guò)少時(shí)，采用后配準(zhǔn)模式將面臨空三解算失敗風(fēng)險(xiǎn)，或由于拼接誤差累積造成模型扭曲，而后處理時(shí)采用剛性配準(zhǔn)模式不能有效消除非線性變形，導(dǎo)致配準(zhǔn)存在較大的誤差。因此，長(zhǎng)程、線狀河岸宜采用POS數(shù)據(jù)約束的光束法空三模式。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)區(qū)為長(zhǎng)江與鄱陽(yáng)湖交匯處的江西九江石鐘山河段。石鐘山為著名旅游景點(diǎn)，河岸山體長(zhǎng)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(wú)人機(jī)空基方式難以有效獲取其數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為一臺(tái)Sony ILCE-7M2消費(fèi)級(jí)數(shù)碼相機(jī)和一套Trimble BX982。其中，數(shù)碼相機(jī)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(wù)，可達(dá)到±0.1 m移動(dòng)定位精度和±0.5°定向精度。測(cè)船離岸約100 m行駛一條弧形航線，共拍攝17幅數(shù)碼影像。采用自主研發(fā)的全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序，整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程1 min內(nèi)完成。

為驗(yàn)證船載攝影測(cè)量精度，岸上測(cè)量人員在河岸布設(shè)了15個(gè)檢查點(diǎn)，并采用RTK精確測(cè)量其三維坐標(biāo)作為驗(yàn)證值。數(shù)據(jù)處理時(shí)，將所有數(shù)碼影像及解算的POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture軟件，并將檢查點(diǎn)作為人工連接點(diǎn)進(jìn)行刺點(diǎn)，再進(jìn)行POS數(shù)據(jù)約束的空三解算。解算完成后，查看檢查點(diǎn)的坐標(biāo)，與驗(yàn)證值對(duì)比，統(tǒng)計(jì)坐標(biāo)誤差絕對(duì)值，結(jié)果如圖6所示。對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)中誤差與反投影中誤差如表1所列，與現(xiàn)有文獻(xiàn)［18-20］的船載LiDAR測(cè)量精度相當(dāng)，而其硬件成本不足船載LiDAR的1%。

空三完成后，進(jìn)行三維模型重建，最終得到的石鐘山實(shí)景三維模型如圖7所示?？梢姡Ｐ洼^為完整，無(wú)明顯扭曲變形，細(xì)節(jié)豐富，巖石孔隙能準(zhǔn)確還原，如圖8所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)普通數(shù)碼相機(jī)與船用GNSS集成，提出一種免像控、免慣導(dǎo)、免地面基站的河道陡岸船載攝影測(cè)量方法，并通過(guò)長(zhǎng)江典型陡岸河段實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性與精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法切實(shí)可行、精度可靠。與現(xiàn)有方法相比，該方法具有低成本、低風(fēng)險(xiǎn)、易操作、續(xù)航持久、數(shù)據(jù)采集高效等顯著優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)水陸一體化測(cè)繪。另外，該方法采用像方控制模式，無(wú)需量測(cè)像控點(diǎn)，因此數(shù)據(jù)處理時(shí)，可免除像控點(diǎn)刺點(diǎn)等人工干預(yù)環(huán)節(jié)，從而大大縮短了數(shù)據(jù)處理周期，提高了數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度。雖然攝影測(cè)量對(duì)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(shù)字高程模型）提取、地形斷面與水邊線測(cè)繪，同時(shí)具有實(shí)現(xiàn)河道實(shí)景三維數(shù)字孿生的良好應(yīng)用前景。

該方法精度主要取決于GNSS定位定向精度、傳感器標(biāo)定精度、數(shù)碼影像質(zhì)量、拍攝距離等，其精度評(píng)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(xiàng)目：安徽省教育廳無(wú)人機(jī)開發(fā)及數(shù)據(jù)應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（WRJ19005）

作者簡(jiǎn)介：李樹明，男，高級(jí)工程師，主要從事河道勘測(cè)技術(shù)研究與管理工作。E-mail：xylism@cjh.com.cn

通信作者：嚴(yán)麗英，女，高級(jí)工程師，碩士，主要從事河道勘測(cè)技術(shù)研發(fā)工作。E-mail：364752421@qq.com