基于无人机低空航摄水边线潮位的滩涂高程获取

基于无人机低空航摄水边线潮位的滩涂高程获取

1海洋测绘难点多海洋测量是海洋测量和海岸工程的总称。这项任务是测量和研究海洋及其周边地区及其周边地区，获取海洋的基本信息，并生成各种海图和导航数据。为海洋、国防、海洋开发、管理和海洋研究服务。近20a来,随着相关技术的发展,海洋测绘装备的精度、效率、可操作性等方面有了较大提升,海洋测绘的工作方式也因此发生了较大的改变。但是沿海河口感潮地区存在大面积潮间带滩涂依然是测量的难点所在。这些滩涂往往成片存在,高潮位时水深较浅甚至露出水面,常规行船水深测量方法难以实现;对于低潮位时裸露出的淤泥滩面,由于淤泥质软,存在较大的安全隐患,难以直接利用GPS上滩进行人工跑滩测量。全站仪等相关观测设备亦因作用距离限制而无法实施。因此,宽阔的淤泥潮间带滩涂高程的获取已成为当前海洋测绘领域难点之一。随着超轻型飞行器、无人飞行器等低空飞行平台搭载2000万像素以上小像幅数码相机的航空摄影技术研究和应用不断深入,低空无人机数码航空摄影作为一种新的测绘手段已得到广泛应用。本文将借助无人机低空航摄技术,获取边滩、高滩等地区水边线影像资料,经内业纠正后进行矢量化,通过布设合适的验潮站,进行同步潮位观测,利用三角分带解析计算方法,计算水边线的高程值,从而实现滩涂高程的获取。2无人机的低效率2.1uavrs-iii型无人机无人机低空航摄即为摄影测量,利用光学摄影机获取像片,通过像片来研究和确定被摄影物体的形状、大小、位置及其相互关系。近年来我国的无人机技术研究取得了很大进步。2003年中国测绘科学研究院研制了UAVRS-II型无人机,2009年11月通过了国家测绘局的项目鉴定,并迅速在全国得到推广应用。无人机低空航摄特点是在像片上进行量测和解译,无需接触被摄物体本身,因而受自然和地理条件的限制性较小,而且可摄得动态物体的瞬间影像。系统具有结构简单、使用成本低、反应快速、易于转场的特点,可以灵活快速获取高分辨率、大比例尺和高现势性的影像。无人机低空航摄不仅可以完成传统航摄飞机的任务,而且可进入传统航摄飞机无法进入的领域,比如高危区域的调查。2.2系统组成和工作流2.2.1低空航摄操作无人机低空航摄系统硬件包括:无人机飞行平台、传感器(数码相机)、飞控系统、地面监控系统与遥控器以及地面运输与保障系统;软件包括:曝光点设计软件、航摄质量快速检查软件、影像预处理软件。低空航摄操作大致可分为航摄方案设计、航摄线路飞行、航摄影像数据内业处理3个步骤。航摄方案设计需满足航摄地面分辨率0.2m,这种分辨率下的影像清晰、质量好,能准确确定出海水与滩涂的分界线,即水边线。为保证大风天气下不会出现航摄漏洞,加大旁向重叠度,航向重叠度设计为75%,旁向重叠度设计为50%(见图1)。航摄外业飞行在测区附近平坦道路上,根据潮汐预报即时潮位信息,选择阳光照射充足的中潮位时间段内进行航摄,保证影像质量;航摄影像数据的内业处理由原始航摄影像数据经内业纠正、处理后最终得到数字正射影像(DOM)。2.3测量高程精度难以满足市场及行业要求目前利用无人机进行低空航摄测绘大比例地形图,其平面精度完全能够满足GB/T7930—2008《地形图航空摄影测量内业规范》的精度要求,这已在行业内经过多次验证,并得到公认。其高程精度低于平面精度,难以满足目前海洋测绘与滩涂资源调查高程的精度要求。因此,本文提出无人机结合验潮获取滩涂高程的技术,平面位置由无人机影像成果控制,高程由验潮站进行潮位控制。3角解析法求p点在t时潮位验潮站布设的密度应能控制摄影区的潮汐变化。相邻验潮站之间的距离应满足最大潮高差不大于1m,最大潮时差不大于2h,潮汐性质基本相同的原则。观测时间需完全覆盖摄影测量时间,每隔10min记录1次水面高程。在上述原则及控制测区的潮位基面一致的前提下,控制测区内任一点的实时潮位可以按潮位三角解析法计算得出。已知A、B、C三个潮位站及P点坐标,利用A、B、C三站t时潮位,采用三角解析法可求P点在t时的潮位(见图2)。先求P点相对于A站的延迟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,进行时间归算,得出响应于P点t时刻各站的时间为:tA=t+τaptB=t+τap-τabtC=t+τap-τac求出p点在t时的潮位: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)]在潮位计算的实际工作中,一般先绘制3个潮位站的潮位同步过程线,并进行校核、审查,确保3个潮位站之间潮汐关系是否满足三角解析法的需要。4航摄面积分析基于无人机航摄结合验潮获取滩涂高程的方法在《浙江省滩涂资源调查2010—2012年》项目中得到了应用,根据常规测量成果结合测区范围确定航摄的范围,共32个滩涂区块需要采用无人机航摄,具体分布在象山、三门、温岭、玉环、洞头5个县(市),航摄面积共130km2,最大区块航摄有效面积不超过3km2。具体实施时分为以下2种情况:4.1海底高程的计算作业前根据摄影区附近的验潮站高低潮时间,合理安排无人机作业时间,确保采集数据的时间段为涨潮过程中,无人机低空航摄系统在一个航次中随着时间的推移、潮位的上升,实时拍摄边滩处水边线的高分辨率(0.05～0.20m)、高成像质量的影像图,经内业处理后得出数字正射影像(见图3)。将数字正射影像在CAD中纠正处理以后进行矢量化,绘制出高精度的水陆交界线,然后根据A、B、C三个潮位站对应航摄时的验潮数据,进行水边线位置的三角解析计算(见图3),可得该水边线上所有点的潮位。根据水深测量计算海底高程公式:h=H-△h式中:H为P点水位值,m;△h为水深值,m。由于水边线的水深为0m,该潮位即为P点高程值。4.2岛屿周边潮位的控制航摄影像与矢量化过程与4.1相同,获取实时数字正射影像(见图4)。在计算该水边线潮位时,由于外海相邻岛屿距离较远,所设潮位的潮汐性质不同,而在岛屿边滩等岛屿周边小范围测区内周边的潮位是同一个海平面,其潮位一致,因此由该岛屿上的一个临时验潮站A可以控制该岛屿周边的潮位。由图4可知,在计算水边线潮位时,验潮站A对应航摄时的潮位数据即为水边线高程,因此水边线所形成的边线即为一条等值线。6航摄结合验潮站及企业资源调查根据潮汐特征,涨潮时段随着潮位的上涨,无人机低空航摄可以得到从低平潮的低潮位线至高平潮高潮位线整个涨潮过程水边线影像,并计算相对应的高程值,退潮亦然。在海洋测绘中,无人机航摄结合验潮站技术能够解决潮间带困难区域滩涂高程的获取,对保证整个测区数据获取的完整性具有十分重要的作用。该技术在《浙