基于無(wú)人機(jī)低空航攝水邊線潮位的灘涂高程獲取

基于無(wú)人機(jī)低空航攝水邊線潮位的灘涂高程獲取

1海洋測(cè)繪難點(diǎn)多海洋測(cè)量是海洋測(cè)量和海岸工程的總稱(chēng)。這項(xiàng)任務(wù)是測(cè)量和研究海洋及其周邊地區(qū)及其周邊地區(qū)，獲取海洋的基本信息，并生成各種海圖和導(dǎo)航數(shù)據(jù)。為海洋、國(guó)防、海洋開(kāi)發(fā)、管理和海洋研究服務(wù)。近20a來(lái),隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,海洋測(cè)繪裝備的精度、效率、可操作性等方面有了較大提升,海洋測(cè)繪的工作方式也因此發(fā)生了較大的改變。但是沿海河口感潮地區(qū)存在大面積潮間帶灘涂依然是測(cè)量的難點(diǎn)所在。這些灘涂往往成片存在,高潮位時(shí)水深較淺甚至露出水面,常規(guī)行船水深測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn);對(duì)于低潮位時(shí)裸露出的淤泥灘面,由于淤泥質(zhì)軟,存在較大的安全隱患,難以直接利用GPS上灘進(jìn)行人工跑灘測(cè)量。全站儀等相關(guān)觀測(cè)設(shè)備亦因作用距離限制而無(wú)法實(shí)施。因此,寬闊的淤泥潮間帶灘涂高程的獲取已成為當(dāng)前海洋測(cè)繪領(lǐng)域難點(diǎn)之一。隨著超輕型飛行器、無(wú)人飛行器等低空飛行平臺(tái)搭載2000萬(wàn)像素以上小像幅數(shù)碼相機(jī)的航空攝影技術(shù)研究和應(yīng)用不斷深入,低空無(wú)人機(jī)數(shù)碼航空攝影作為一種新的測(cè)繪手段已得到廣泛應(yīng)用。本文將借助無(wú)人機(jī)低空航攝技術(shù),獲取邊灘、高灘等地區(qū)水邊線影像資料,經(jīng)內(nèi)業(yè)糾正后進(jìn)行矢量化,通過(guò)布設(shè)合適的驗(yàn)潮站,進(jìn)行同步潮位觀測(cè),利用三角分帶解析計(jì)算方法,計(jì)算水邊線的高程值,從而實(shí)現(xiàn)灘涂高程的獲取。2無(wú)人機(jī)的低效率2.1uavrs-iii型無(wú)人機(jī)無(wú)人機(jī)低空航攝即為攝影測(cè)量,利用光學(xué)攝影機(jī)獲取像片,通過(guò)像片來(lái)研究和確定被攝影物體的形狀、大小、位置及其相互關(guān)系。近年來(lái)我國(guó)的無(wú)人機(jī)技術(shù)研究取得了很大進(jìn)步。2003年中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院研制了UAVRS-II型無(wú)人機(jī),2009年11月通過(guò)了國(guó)家測(cè)繪局的項(xiàng)目鑒定,并迅速在全國(guó)得到推廣應(yīng)用。無(wú)人機(jī)低空航攝特點(diǎn)是在像片上進(jìn)行量測(cè)和解譯,無(wú)需接觸被攝物體本身,因而受自然和地理?xiàng)l件的限制性較小,而且可攝得動(dòng)態(tài)物體的瞬間影像。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用成本低、反應(yīng)快速、易于轉(zhuǎn)場(chǎng)的特點(diǎn),可以靈活快速獲取高分辨率、大比例尺和高現(xiàn)勢(shì)性的影像。無(wú)人機(jī)低空航攝不僅可以完成傳統(tǒng)航攝飛機(jī)的任務(wù),而且可進(jìn)入傳統(tǒng)航攝飛機(jī)無(wú)法進(jìn)入的領(lǐng)域,比如高危區(qū)域的調(diào)查。2.2系統(tǒng)組成和工作流2.2.1低空航攝操作無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)硬件包括:無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、傳感器(數(shù)碼相機(jī))、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)與遙控器以及地面運(yùn)輸與保障系統(tǒng);軟件包括:曝光點(diǎn)設(shè)計(jì)軟件、航攝質(zhì)量快速檢查軟件、影像預(yù)處理軟件。低空航攝操作大致可分為航攝方案設(shè)計(jì)、航攝線路飛行、航攝影像數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理3個(gè)步驟。航攝方案設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足航攝地面分辨率0.2m,這種分辨率下的影像清晰、質(zhì)量好,能準(zhǔn)確確定出海水與灘涂的分界線,即水邊線。為保證大風(fēng)天氣下不會(huì)出現(xiàn)航攝漏洞,加大旁向重疊度,航向重疊度設(shè)計(jì)為75%,旁向重疊度設(shè)計(jì)為50%(見(jiàn)圖1)。航攝外業(yè)飛行在測(cè)區(qū)附近平坦道路上,根據(jù)潮汐預(yù)報(bào)即時(shí)潮位信息,選擇陽(yáng)光照射充足的中潮位時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行航攝,保證影像質(zhì)量;航攝影像數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理由原始航攝影像數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)業(yè)糾正、處理后最終得到數(shù)字正射影像(DOM)。2.3測(cè)量高程精度難以滿(mǎn)足市場(chǎng)及行業(yè)要求目前利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行低空航攝測(cè)繪大比例地形圖,其平面精度完全能夠滿(mǎn)足GB/T7930—2008《地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》的精度要求,這已在行業(yè)內(nèi)經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證,并得到公認(rèn)。其高程精度低于平面精度,難以滿(mǎn)足目前海洋測(cè)繪與灘涂資源調(diào)查高程的精度要求。因此,本文提出無(wú)人機(jī)結(jié)合驗(yàn)潮獲取灘涂高程的技術(shù),平面位置由無(wú)人機(jī)影像成果控制,高程由驗(yàn)潮站進(jìn)行潮位控制。3角解析法求p點(diǎn)在t時(shí)潮位驗(yàn)潮站布設(shè)的密度應(yīng)能控制攝影區(qū)的潮汐變化。相鄰驗(yàn)潮站之間的距離應(yīng)滿(mǎn)足最大潮高差不大于1m,最大潮時(shí)差不大于2h,潮汐性質(zhì)基本相同的原則。觀測(cè)時(shí)間需完全覆蓋攝影測(cè)量時(shí)間,每隔10min記錄1次水面高程。在上述原則及控制測(cè)區(qū)的潮位基面一致的前提下,控制測(cè)區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的實(shí)時(shí)潮位可以按潮位三角解析法計(jì)算得出。已知A、B、C三個(gè)潮位站及P點(diǎn)坐標(biāo),利用A、B、C三站t時(shí)潮位,采用三角解析法可求P點(diǎn)在t時(shí)的潮位(見(jiàn)圖2)。先求P點(diǎn)相對(duì)于A站的延遲τapτap={(XP-XA)[(YC-YA)τab-(YB-YA)τac]+(YP-YA)[(XB-XA)τac-(YC-YA)τab]}÷(XB-XA)(YC-YA)-(YB-YA)(XC-XA)]求得τap后,進(jìn)行時(shí)間歸算,得出響應(yīng)于P點(diǎn)t時(shí)刻各站的時(shí)間為:tA=t+τaptB=t+τap-τabtC=t+τap-τac求出p點(diǎn)在t時(shí)的潮位:HP=hA+{(XP-XA)[(YC-YA)(hB-hA)-(YB-YA)(hC-hA)]+(YP-YA)[(XB-XA)(hC-hA)-(XC-XA)(hB-hA)]}÷(XB-XA)(YC-YA)-(YB-YA)(XC-XA)]在潮位計(jì)算的實(shí)際工作中,一般先繪制3個(gè)潮位站的潮位同步過(guò)程線,并進(jìn)行校核、審查,確保3個(gè)潮位站之間潮汐關(guān)系是否滿(mǎn)足三角解析法的需要。4航攝面積分析基于無(wú)人機(jī)航攝結(jié)合驗(yàn)潮獲取灘涂高程的方法在《浙江省灘涂資源調(diào)查2010—2012年》項(xiàng)目中得到了應(yīng)用,根據(jù)常規(guī)測(cè)量成果結(jié)合測(cè)區(qū)范圍確定航攝的范圍,共32個(gè)灘涂區(qū)塊需要采用無(wú)人機(jī)航攝,具體分布在象山、三門(mén)、溫嶺、玉環(huán)、洞頭5個(gè)縣(市),航攝面積共130km2,最大區(qū)塊航攝有效面積不超過(guò)3km2。具體實(shí)施時(shí)分為以下2種情況:4.1海底高程的計(jì)算作業(yè)前根據(jù)攝影區(qū)附近的驗(yàn)潮站高低潮時(shí)間,合理安排無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)間,確保采集數(shù)據(jù)的時(shí)間段為漲潮過(guò)程中,無(wú)人機(jī)低空航攝系統(tǒng)在一個(gè)航次中隨著時(shí)間的推移、潮位的上升,實(shí)時(shí)拍攝邊灘處水邊線的高分辨率(0.05～0.20m)、高成像質(zhì)量的影像圖,經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后得出數(shù)字正射影像(見(jiàn)圖3)。將數(shù)字正射影像在CAD中糾正處理以后進(jìn)行矢量化,繪制出高精度的水陸交界線,然后根據(jù)A、B、C三個(gè)潮位站對(duì)應(yīng)航攝時(shí)的驗(yàn)潮數(shù)據(jù),進(jìn)行水邊線位置的三角解析計(jì)算(見(jiàn)圖3),可得該水邊線上所有點(diǎn)的潮位。根據(jù)水深測(cè)量計(jì)算海底高程公式:h=H-△h式中:H為P點(diǎn)水位值,m;△h為水深值,m。由于水邊線的水深為0m,該潮位即為P點(diǎn)高程值。4.2島嶼周邊潮位的控制航攝影像與矢量化過(guò)程與4.1相同,獲取實(shí)時(shí)數(shù)字正射影像(見(jiàn)圖4)。在計(jì)算該水邊線潮位時(shí),由于外海相鄰島嶼距離較遠(yuǎn),所設(shè)潮位的潮汐性質(zhì)不同,而在島嶼邊灘等島嶼周邊小范圍測(cè)區(qū)內(nèi)周邊的潮位是同一個(gè)海平面,其潮位一致,因此由該島嶼上的一個(gè)臨時(shí)驗(yàn)潮站A可以控制該島嶼周邊的潮位。由圖4可知,在計(jì)算水邊線潮位時(shí),驗(yàn)潮站A對(duì)應(yīng)航攝時(shí)的潮位數(shù)據(jù)即為水邊線高程,因此水邊線所形成的邊線即為一條等值線。6航攝結(jié)合驗(yàn)潮站及企業(yè)資源調(diào)查根據(jù)潮汐特征,漲潮時(shí)段隨著潮位的上漲,無(wú)人機(jī)低空航攝可以得到從低平潮的低潮位線至高平潮高潮位線整個(gè)漲潮過(guò)程水邊線影像,并計(jì)算相對(duì)應(yīng)的高程值,退潮亦然。在海洋測(cè)繪中,無(wú)人機(jī)航攝結(jié)合驗(yàn)潮站技術(shù)能夠解決潮間帶困難區(qū)域?yàn)┩扛叱痰墨@取,對(duì)保證整個(gè)測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)獲取的完整性具有十分重要的作用。該技術(shù)在《浙