基于无人机影像的河道表面流速流向测绘_汤璞.pdf

2022 年第 4 期江西测绘江西测绘江西测绘江西测绘基于无人机影像的河道表面流速流向测绘汤璞 陈林华 谷浩然 杨东伟(南昌工程学院水利与生态工程学院江西南昌330099）摘要：内河航道河道表面流速流向测定是水运工程设计中的重要内容，表面流速流向资料是通航论证的重要基础数据之一。论文介绍了一种新的基于无人机影像的河道表面流速流向测绘方法。利用定点连续拍摄的具有一定重叠度的航空影像，结合地面像片控制测量，经过航测内业数据处理生成具有坐标信息的正射影像图（DOM），在 CAD 绘图软件中量测测流浮标的点位坐标，计算流速并绘制河道表面流向线。该方法已成功应用于九江市湖口县红光码头扩建工程河道表面流速流向测绘。关键词：无人机航空影像；表面流速流向；测流浮标；正射影像；流速流向计算基金项目：2020年江西省大学生创新创业训练计划项目，编号202011319004作者简介：汤璞（1972-），男，副教授，主要研究方向为大地测量、航空摄影测量。E-mail:Surveying and Mapping of River Surface Velocity and DirectionBased on UAV ImagesTANG Pu CHEN Linha GU Haoran YANG Dongwei(School of Hydraulic and Ecological Engineering,Nanchang Institute of Technology,Nanchang 330099,China)Abstract:The surveying of surface velocity and direction of inland waterways is an important content in the design of watertransport engineering,and the data obtained is important for navigation demonstration.A new method of river surface velocityand direction surveying based on UAV images is introduced.Using fixed-point continuous shooting aerial images with a certaindegree of overlap,combined with surveying of ground photo control points,a digital orthophoto map(DOM)with coordinateinformation is generated through internal data processing of aerial survey,to deal with the point coordinates of the flow buoy inthe CAD drawing software,and calculate the flow velocity and draw the surface flow line of the river.This method has beensuccessfully applied to the surveying and mapping of the surface velocity and direction of the river in the Hongguang wharfproject in Hukou County of Jiujiang City.Keyword:UAV Image;Surface Velocity and Flow Direction;Flow Buoy;Orthophoto Image;Velocity and Flow DirectionCalculation1前言内河航道河道表面流速流向测定是水运工程设计中的重要内容，表面流速流向资料是通航论证的重要基础数据之一。依据 水运工程测量规范，目前我国采用的测量方式主要有经纬仪前方交会测量和GPS 浮标法测量。前方交会测量需要沿河道测区布设 3 个以上测量控制点，且控制点间需要通视，在上游浮标投放后，按规定时间间隔指挥 2 个测站以上经纬仪在同一时刻观测浮标位置，利用角度前方交会法计算出各观测时刻浮标平面坐标，并依时间间隔计算河道表面流速，根据坐标绘出河道表面流向图。该方法每个测站需要 2 名测量员，一个测区至少需要 6 名以上测量员，人工读数、记录观测数据，定时瞄准目标较困难，误差较大。GPS 浮标法测量利用船只在上游释放 GPS 浮标，船舶跟踪浮标或在浮标上设置一台 GPS RTK 接收机并在下游布置船舶收回浮标，然后进行 GPS 数据后处理计算，算出表面流速并绘出流向图。因 GPS测量为接收机采集卫星信号数据并进行后处理计算，不需要在测区先期测设已知控制点，不需要进行人工观测和记录，但该方法需要上下游人员、船艇配28总第 134 期合，工作方式较为烦琐，且存在丢失 GPS 接收机的风险13。在洪水期河道应急流速情况下，以上测量方法均不可行，难以获得汛期河道表面流速流向成果。基于以上方法的局限性，本文介绍一种新的基于无人机影像的河道表面流速流向测绘方法。2基于无人机影像的河道表面流速流向测量2.1测量原理2.1.1航空摄影图 1 测流原理如图 1，沿河道测段布设已知控制点 KZD1-KZD3，控制点间不需互相通视，航空摄影测量像片控制平高点同时按要求布设于地面，利用 GPS RTK测量方式直接测定控制点及像控点平面坐标。在河道上游利用船艇释放一次性浮标（其在图中随时间漂流的运动轨迹为 FB1-FB3）。同时利用多旋翼无人机进行连续摄影，有别于普通测绘航空摄影，测流摄影方式为：在第一点进行多次垂直摄影，航空摄影为等时间间隔摄影，摄影间隔可按要求调整，摄影时航空影像应包括岸上已知控制点、像片控制点及一次性浮标影像。第一点拍摄完成后，控制无人机至下一摄影点按相同方式进行摄影，该摄影方式可以保证在多张正射影像生产中不丢失浮标影像4。2.1.2正摄影像图制作正射影像图（DOM）是将按中心投影拍摄的航空影像经过数字微分纠正，消除因地形起伏引起的投影误差和摄影传感器误差产生的像点位移，同时具有像点平面坐标信息的垂直投影数字影像。其制作过程为首先根据相邻重叠影像像素纹理进行数字匹配形成立体像对，生成数字高程模型（DTM），然后对每一像素进行数字微分纠正，生成正射影像图。河道表面流速流向测量范围较小，河岸边高差起伏不大，一般 1 到 2 个像对即可覆盖测流区域。利用航空摄影测量后处理软件进行影像内定向及相对定向，加入全野外控制点进行绝对定向，依据生成的立体像对进行影像匹配生成 DEM，编辑 DEM 后即可进行数字微分纠正生成数字正射影像图5-6。2.2河道表面流速计算及流向图绘制数字正射影像图具有像点坐标信息，将影像导入 CAD 绘图软件后可直接量取测流浮标平面坐标，依两点距离公式计算浮标间距并除以摄影时间间隔即可计算出河道表面流速。测流航空摄影方式为连续时间间隔定点多影像摄影，每次利用前后两张不同摄影时刻影像生成的多张正射影像将包括所有拍摄时刻的浮标影像及坐标信息，最后将所有浮标点位坐标信息展绘于 CAD 绘图软件中，连线即为河道表面流向，依次在每段流向线上标注计算出的该段流速即可完成河道表面流速流向图的绘制。2.3单幅影像测流原理河道表面流速流向测量范围通常高差起伏不大，原始影像中心投影差较小，如图 1，可直接在CAD 绘图软件中利用经简单畸变校正后的单幅影像进行测流浮标和岸上控制点间交会角度 1、交会角度 2 的量测，依角度前方交会计算公式（1）计算各浮标点位坐标。XFB1=XKZD1cot2+XKZD2cot1+(YKZD1-YKZD2)cot1+cot2YFB1=YKZD1cot2+YKZD2cot1+(XKZD1-XKZD2)cot1+cot2(1)各时刻浮标点坐标依次计算完成后即可按前述方法在 CAD 绘图软件中绘制河道表面流速流向图。该方法简单易行，不需进行较复杂的航测内业处理，适用于应急情况下的表面流速流向测量。3湖口县红光码头扩建工程表面流速流向测量3.1航空摄影本项目采用大疆精灵 4 四旋翼无人机进行航空摄影，相机像幅尺寸 54723648，单像素尺寸0.00241mm，相机焦距 8.8mm，经项目区踏勘，确定航空影像地面分辨率优于 5cm，影像地表覆盖范围约300m200m，按公式（2）计算相对航高，其中 f 为摄影镜头焦距，为相机 CMOS 单像元尺寸，GSD 为设计地面分辨率（m）可根据不同地面分辨率要求设计相对航高，本次摄影相对航高设置为 190 米。h=fGSD（2）无人机悬停于第一摄影点后，于测流区上游释放一次性浮标，该浮标为直径为 80cm 的黄色充气浮基于无人机影像的河道表面流速流向测绘292022 年第 4 期江西测绘江西测绘江西测绘江西测绘标，浮标下 1m 以测绳系留 1 公斤配重。摄影方式为等时间间隔连续摄影，时间间隔为 10 秒，摄影 15 幅后，无人机移动至第二摄影点按相同方式进行连续摄影，共获取航空影像 30 幅。摄影基线长 60m，相邻影像重叠度 70%，每幅影像均包含 4 个航测像控点，像控点布设于影像中下方，左右各布设 2 个，重叠影像区域包括 4 个像片控制点。控制点测量方式利用jxcors 系统采用 GPS RTK 测量方式获取，平面坐标系统为 3 度分带 2000 国家大地坐标系（CGCS2000），中央子午线 117 度。3.2正射影像制作及流速流向计算3.2.1正射影像及流速流向计算本项目航测软件为 Virtuozo 数字摄影测量系统后处理软件，单像对正射影像制作过程为先进行单张影像内定向及相对定向，相对定向完成后加入航外像控点进行空三加密和绝对定向，依据绝对定向参数编辑生成 DEM 后进行数字微分纠正生成数字正射影像图。图 2 为生成的正射影像图，图 3 为正射影像图中的相邻时刻黄色浮标位置影像。图 2 正射影像图图 3 正射影像中相邻时刻黄色浮标位置第一摄影点拍摄的每幅影像和第二摄影点相同影像组成一个像对生成正射影像图，因正射影像具有坐标信息，将正射影像导入 CAD 绘图软件即可查询浮标点位坐标，依次进行正射影像生成可得到所有拍摄时刻浮标点位坐标，在 CAD 软件中展绘坐标并连线即可得到表面流向线，依据浮标拍摄时刻及流向线段长度，即可计算该流向线段上的河道表面流速。图 4 为湖口红光码头扩建工程水下地形及表面流向及流速成果图（离岸 90m）。图 4 红光码头水下地形及表面流向流速图3.2.2单幅影像流速流向测绘将单幅影像通过图像赋予命令至 CAD 绘图软件，在 CAD 中标定岸上控制点点位及测流浮标点位，连线后通过查询交会边方位角和已知边方位角计算交会角度，按角度前方交会计算公式（1）计算各时刻浮标点位坐标并绘制河道表面流速流向图。4结论与展望（1）本文提出了一种基于无人机影像的河道表面流速流向测绘新方法，相较于传统的表面流速流向测绘，该方法简单易行，所需人员及测量设备较少，测绘效率显著提高。（2）汛期应急测流情况下，该方法仅需拍摄垂直影像，即可快速计算流速成果，解决了传统测量方法无法在洪水条件下测流的问题，结合倾斜摄影测量及激光扫描三维测绘成果，还可计算通过重点监控区域的洪水流量数据，为水文计算及工程设计提供准确的依据。（3）限于该项目的完成时间要求，除采用较低飞行高度进行高分辨率摄影外，对点位精度进行了岸上检查点的验证对比。考虑到误差对各时刻浮标点影像位置精度均有影响，这些影响误差的互差值应为相对微小量。因此，对该方法的进一步精度分析可利用对 GPS 测流浮标进行航空摄影并记录时刻，对比 GPS 测流浮标和航空摄影流速（下转第50页）302022 年第 4 期江西测绘江西测绘江西