水利工程中低空摄影测量的应用范文

《广东水利水电杂志》2016年第11期

摘要:

低空无人机摄影测量系统采用核心算法———立体匹配算法的特点与优势，利用瑞士eBee低空无人机摄影测量系统，结合珠江三角洲水资源配置工程应用，其工作流程与特点。通过对成果精度分析、实际使用效果以及效率对比等总结出其在工程规划、选址方面的优势，提高工程建设效率。

关键词:

低空摄影测量;;立体匹配算法;水利工程;工程规划选址

随着科技的发展，无人机特别是低空无人机已经慢慢走进各行各业。低空无人机操作简单、易学易掌握、对天气和起飞降落场地要求低、智能化程度高、人工干预少、具有智慧型的安全机制与飞行记录、电力推动便于携带等优点。这些优点使无人机被各行业开发利用，并成为焦点。低空无人机摄影测量是当今世界兴起的多学科交叉高新技术，具有低成本、高效率、安全、灵活等特点。无人机摄影测量系统集成了无人驾驶飞行器、遥感技术以及GNSS导航定位等高端科技技术，具有高机动性、低成本、便捷式、实时观测、专用化等众多优势，并且获取的遥感影像的空间分辨率和时间分辨率都较高，是传统航空摄影测量的技术延伸和技术创新的产物，广泛应用于测量、土地调查、环境监测、城市管理、园林绿化、科学研究、企事业宣传、旅游、交通、水利等领域［1］。

1低空无人机摄影测量系统

当今低空无人机摄影测量技术正快速发展。国内有许多品牌，比如深圳飞马、深圳速鸟、北京麦格天渱、武汉智能鸟等。国外的有Sensefly、3DRobotics、Parrot、AscTec、Microdrones、FlytrexSky等。国内外无人机相关技术飞速发展，无人机系统种类繁多、用途广、特点鲜明，致使其在尺寸、质量、航程、航时、飞行高度、飞行速度，任务等多方面都有较大差异。按平台类型，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等。相比其他无人机而言，eBee具有不可替代的优点。eBee是一款三角固定翼无人机，质量不到700g，机身采用模块化设计，外壳采用轻便高分子泡沫材料包裹，所有部件可拆卸到一个运输箱内。安装与拆卸方便简单，起飞前只需要2min就能完成安装、检查、测试等准备工作。相比油机等体积大的无人机而言，ebee显得小巧玲珑，容易携带，可以一个人轻松完成所有外业;特别是在应急工程上，大体积无人机需要借助较长的跑到或者弹射才能起飞，而一般应急工程，比如泥石流、洪涝灾害、塌方等自然灾害现场都是存在着场地狭小的限制，而eBee采用的手抛就能起飞的设计很好的解决了这些限制;再者，大体积无人机体积大，质量能达到几十千克，油机装置几升甚至十几升汽油，如果出现意外，造成第三方伤害后果不堪设想。eBee的重量之轻，假如出现意外，下落过程中空气阻力足以限制其下降速度，就算碰到其他东西，其泡沫外壳也足以将伤害程度大大降低;eBee采用智能化设计，只需输入地面解析度、重叠度、测量范围即可自动设计出安全、高效、最优化的航线。飞行过程中出现低电量、离地面高度过低、与电台链接信号过弱、卫星信号过弱等情况均有提示并能作出智能化的抉择以保障无人机的安全;不过eBee也存在自身的缺点，比如续航能力只有40min左右、相机只有1600万像素。综上所述，eBee更适合使用在起降场地限制多、应急救灾、测区面积小、山地型复杂等工程。eBee附带的数据处理软件MenciSoftwareAPS具有高度自动化特点，还能一键生成多种数据成果(DOM、DSM、点云数据)等优点，其数据处理工作流程如图1所示。其中数据的导入、特征点查找、特征点匹配、约束平差、生成光栅概图均自动处理，只需要人工选择数据、选择范围、像控点刺点，最终能生成DTM、DOM、DSM等成果数据。自动化程度高，人工干预少。值得一提的是特征点查找和特征点匹配，也是APS的核心算法—立体匹配算法［2］。图像的立体匹配即给定同一场景的2幅图像，寻找同一场景点投影到图像中的像素之间的对应关系。根据考虑的是基于像素点的还是基于区域块，可以分为基于像素点的匹配与基于区域的匹配。立体匹配算法通常是通过构建能量函数试图获得图像的某些全局性质，即全局能量最小化。APS的匹配算法正是基于全局优化策略的区域匹配算法。其主要包括以下3步。

1)图像预处理———由于拍摄照片的时候难免会有传感器的噪声和光度的扭曲，而这都会对视差的计算带来严重影响，常用的解决方法有，高斯拉普拉斯滤波［3］，直方图均衡化，中值滤波［4］，双边滤波［5］等，通过这些滤波将每张图像进行去噪、均光等预处理。

2)匹配代价计算———对匹配代价的计算通常有4种方法AD(公式1)、SD(公式2)、SAD(公式3)与SSD(公式4)，从而能得到元素的不同视差匹配代价所组成的初始视差空间。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)CdataSSD(dx)=∑x=W(IL(x)－IR(x+dx))2(4)3)视差的优化计算———大多数立体匹配算法计算出来的视差是离散的，常常视差值都是整数，然而实际上是连续的，在获取初始视差后可以采用一些措施对视差进行细化，非整数视差，或者直接采用亚像素精度法，即将原图像进行水平拉伸，再对行像素点进行模糊。将匹配问题转换为一个能量方程，然后通过求解该能量方程的最小值来求取视差值。能量方程通常具有以下的形式:E=∑Wx=1(Cdata(dx)+V(dx，dx－1))(5)其中Cdata(dx)是数据项用来约束像素点在偏移前后的变化尽量小，V(dx，dx－1)是光滑项，约束像素点在偏移前后与周围像素点的关系变化尽量小。

2工程应用

规划中的“珠江三角洲水资源配置工程”是国务院批准的《珠江流域综合规划(2012—2030年)》提出的重要水资源配置工程，也是国务院要求加快建设的全国172项节水供水重大水利工程之一。该工程从珠江三角洲河网区西部的西江水系向东引水至珠江三角洲东部，主要供水目标是广州市南沙区、深圳市和东莞市的缺水地区，解决东部地区城市长远用水问题。工程取水口初拟在佛山市顺德区杏坛镇的西江干流河段及东海水道，输水线路由西向东布置，沿途经过佛山市顺德区、广州市番禺区、南沙区、东莞市虎门镇、长安镇、深圳市宝安区，交水到广州市南沙区万顷沙水厂、东莞市五点梅水库和深圳市罗田水库［6］。本工程建筑物类型主要有:泵站、输水管道、输水隧洞(含盾构隧洞)。该工程要求提供北线方案1∶2000现势性强的正射影像，北线方案为东西走向，从顺德至深圳全长约92km，测量宽为600m。坐标系统采用1980西安坐标系，高程系统采用1985国家高程基准高程系统。测区范围如下图2所示。测区位于发达城市中，人口密集、建筑物高耸、鱼塘农田密布、城市交通网与河网纵横交错，起降场地的选择限制较多等。根据测区特点，基于机动灵活、安全方便等考虑，采用eBee无人机航空摄影系统完成该任务。航摄主要技术参数为:地面解析度为0.2m，70%的旁向重叠及75%的航向重叠，绝对航高649m。像控点均匀布设104个。外业耗时4d，内业处理耗时12d。航线布设(部分)如图3所示。利用MenciSoftwareAPS摄影测量数据处理软件，将原始照片、照片姿态文件、像控点坐标文件导入软件，并手动将像控点坐标与对应照片点刺好。软件将自动进行立体匹配、空三解算、光束法平差、立体成图等一系列工作。最终生成正射影像、点云数据、地面模型成果。该工程主要要求提供正射影像，生成正射影像(顺德段)如图4所示。处理报告显示，像控点的最大平面中误差值为0.12m，最大高程中误差值为0.05m，平面中误差均值为0.01m，高程中误差均值为－0.01m，像控点残差完全满足1/2000比例尺正射影像图的国家标准，即像控点平面中误差不大于0.2m和高程中误差不大于0.1m的中误差要求［8］。从检查验收报告可知:外业利用GNSS－RTK在整个测区均匀采集724个明显地物点的三维坐标，算出其平面中误差为0.57m，高程中误差为0.19m。其中最大平面中误差值为0.83m，最大高程中误差为0.28m，满足1/2000正射影像图的国家标准，即明显地物点平面中误差不大于1.2m和高程中误差不大于0.3m的要求［7－8］。本次完成1/2000正射影像约55km2，投入人力为2人，时间为16d，工程车1辆。假如利用传统的常规地形测量，需投入人力10人，时间约2个月，工程车2辆。从作业效率来看，无人机摄影测量的工作效率比传统常规地形测量的高出十几倍，生产成本也比传统方法低许多。

3结语

一般在工程的规划或选址阶段，对地形图的精度要求比较低，在没有摄影测量或者摄影测量还不成熟的年代，一般工程规划选址都依靠1∶10000或者更小比例尺的地形图。目前摄影测量技术比较成熟，尤其低空无人机摄影测量更是方便快捷、灵活机动、成本低廉;加上其生成的成果有正射影像、地表模型、点云数据、三维立体图等;精度方面也能达到规划选址的要求;效率方面比传统地形测绘高，减少人力物力时间的投入等。可以说目前摄影测量成果能更好的满足工程的需求，很大程度上能代替传统地形图在工程规划选址阶段中的地位。低空无人机摄影测量目前已经逐步成为测量行业领域不可或缺的一部分，在提高整个行业的工作效率上有着重要的意义，非常有效的满足了我国测绘应急的需求。是我国加快数字化城市建设的重要保证。

参考文献:

［1］张文博．无人机航测技术在土地综合整治中的应用研究［D］．长沙:长沙理工大学，2013．

［2］于乃功，秦永钢，阮晓钢．立体匹配算法进展［J］．计算机测量与控制，2009(5):817－819．

［6］朱方敏，谭亮．珠江三角洲水资源配置工程项目建议书设计阶段测量任务书［R］．广州:广东省水利电力勘测设计研究院，2015．

［7］水利水电工程测量规范:SL197—2013［S］．

［8］数字测绘成果质量检测与验收:GB/T18316—2008［S］．

作者:张福友 单位:广东省水利电力勘测设计研究院