无人机航测技术在水利工程河道泥沙沉积量监测中的应用.pdf

信息化水利技术监督 年第 期:/无人机航测技术在水利工程河道泥沙沉积量监测中的应用张艳婷(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司 辽宁 沈阳)摘要:为解决大面积和长距离的水利工程河道泥沙沉积量监测问题 以某河道为研究对象 采用无人机航测技术对河道泥沙沉积量进行监测 结果表明 无人机倾斜摄影技术具有较高的测试精度 可获得较低的平均中误差数据 能够真实反映水利工程河道泥沙沉积量 应用于水利工程河道、水系的大面积、长距离快速监测具有明显优势 研究结果可为水利工程河道泥沙沉积量提供参考关键词:无人机航测技术 水利工程 河道 遥感 泥沙沉积量监测 平均相对误差中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:张艳婷(年)女 工程师:无人机倾斜摄影技术是近年来发展迅速的新型测绘技术 可以适应大范围、高效率的测绘要求对于人力难以抵达的高山峡谷、河流湖泊等都具有良好的适应性 因此广泛应用于土地测量、规划设计、产权确认、地形测绘和河道治理中 在河道治理中 泥沙沉积量是最为重要的评价指标 在传统的测绘方法中往往依赖于人力 并借助船舶等承载介质进行点状或线状测量 测试效率低下测试精度难以保证 需要耗费大量的人力物力无法满足河道整治对泥沙沉积量的大面积、长距离的测绘要求 无人机倾斜摄影技术则通过搭载光学摄影机从空中获取地表的影像信息 借助专用的测绘软件形成三维实景图像 生成数值高程模型等 可以快速解译河道的泥沙沉积量 实现连续监测 因此将其应用于水利工程河道泥沙沉积量的监测具有广阔的前景 受到国内外诸多研究学者的关注 本文以某河道为研究对象采用无人机应用于该河道 提出无人机低空摄影测量系统 进行河道泥沙沉积量监测 并分析其勘测精度 工程概况某河道属于长江的一级支流 全长 流域面积为 万 流域地形呈锅形 四周为丘陵山区 占 中间腹部为低洼圩区和河湖水面 占 地势从南向北倾斜 上游坡度和扇面大 中下游坡度缓 共有大小 条支河汇入是一个典型的一干多支树状型河道 该流域大多为山丘河道 具有源短、坡陡、流急、汇流快的特点 本研究选取瑞士无人机 作为监测工具对河道泥沙沉积量进行监测 无人机的相关技术性能指标见表 表 无人机航测主要技术性能参数指标内容参数指标内容参数典型航程/通信距离(无中继)/(无遮挡)标准任务载荷/正常巡航速度/(/)最大航程/螺旋桨直径/最大任务载荷/作战半径/海平面最大爬升率/(/)载荷舱容积/最大发射重量/机高/最大平飞速度/(/)巡逻速度/(/)最大燃油重量/机翼面积/带最大任务载荷/升限/空机重量/机长/续航时间/翼展/抗雨能力小雨抗风能力/级 年第 期水利技术监督信息化 基于无人机倾斜摄影的倾角数学模型的推导 为了获取不同影像角度、影像覆盖范围和影像分辨率的图像 无人机倾斜摄影在采集影像图片时 需要将航摄仪设置一定的镜头倾斜角和巡航高度 如徕卡 航摄仪 其巡航时镜头倾斜角为 无人机倾斜摄影仪镜头的角度变化对于构建三维实景图像模型产生一定的影响表现为摄影成果图像特征提取、模型纹理清晰度和模型匹配精度等 在三维消防实景图像模型构建中 需要利用无人机倾斜摄影获得的 种影像数据 分别是下视影像和倾斜影像 前者主要是获得地形地物的表面影像信息 其分辨率为传统意义上的分辨率 而后者主要获得地形地物的侧面影像数据 其分辨率为倾斜水平分辨率和倾斜垂直分辨率为了使得影像数据与实际模型更好地匹配 在无人机倾斜摄影中应保证一定程度的影像重叠 提高影像分辨率 同时影像的最大分辨率和最小分辨率的比值应小于 无人机倾斜摄影的下视分辨率可以按公式()进行计算:()式中 无人机倾斜摄影的下视分辨率 无人机相机镜头巡航高度 相机镜头的焦距相机镜头视场角的一半倾斜影像分辨率的求解数学模型如图 所示图中 为相机的主光轴 为像元 为像物 为相机主光轴和和像物 延长线的角点 航摄仪倾角为 根据三角函数关系以及中心投影原理 可以推导 长度和 长度如式()()所示 ()图 无人机倾斜摄影倾斜水平分辨率和倾斜垂直分辨率的计算原理 ()式中 面板的长 相机面板的宽将式()与式()、式()与式()左右两边相减可以得到无人机倾斜摄影的倾斜水平分辨率 如式()、式()所示 ()同样地 可对无人机倾斜摄影的倾斜垂直分辨率进行计算 结果如式()()所示 ()基于无人航测技术的水利工程河道泥沙沉积量监测方法 本研究采用无人机倾斜摄影对河道泥沙沉积量进行测绘 无人机巡航飞行参数及测试参数见表 数据采集后分析其测绘精度 在拍摄前 对相机进行畸变差检校 拍摄结束后 对其进行畸变差处理 以提高其测绘的准确性 测绘所采用的相机检校结果见表 采用 算子和 算子结合进行影像匹配 首先提取 特征点、点对其进行相对定向 得出内集点、删除重复点 并合并内集点、得出内集点 删除内集点 中的错误匹配点 得出内集点 然后构件同名三角形 或许新角点 通过相对定向得到内集点 合并内集点、后 判断点数是否满足要求 如满足要求 即匹配结束 对无人机得到的航拍数据进行处理 首先导入无人机的航拍照片、控制点文件 加载 数据 然后设置工程相关参数 进 行 空 三 加 密 处 理 最 后 生 成 数 字 高 程模型()、正射影像图()进行成果输表 无人机巡航飞行参数及测试参数飞行参数航线间隔/拍照间隔/相对航高/绝对航高/测区参数摄影比例尺测区平均面/设计参考面/测区最低点/测区最高点/相机参数相机类型 参考面设计分辨率/窄边像素宽边像素焦距/拍摄参数航向重叠度/旁向重叠度/出 在得出 模型后 计算出泥沙沉积高程数据 最后完成泥沙沉积量的计算 无人机摄影技术在水利工程河道泥沙沉积量中的数据解译过程如图 所示表 无人机相机()检校结果检校内容主点主点焦距径向畸变系数径向畸变系数偏心畸变系数偏心畸变系数检校值 图 无人机摄影技术在水利工程河道泥沙沉积量中的数据解译过程 基于无人航测技术的水利工程河道泥沙沉积量监测结果分析在采用无人机航测技术监测河道泥沙沉积量前 运用地表人工实测的方法对河道进行了 次真实泥沙量的平行监测 监测时间为 年 月 年第 期水利技术监督信息化日 年 月 日 结果如图 所示 从图 中可以看出 采用 次平行的地表人工实测泥沙沉积量曲线变化一致 其误差范围为 最大误差小于 表明采用地表人工实测泥沙沉积量可以作为无人机倾斜摄影技术以及其他传统测绘方法获取泥沙沉积量的参考 为了验图 水利工程河道泥沙沉淀量地表人工实测证无人机倾斜摄影技术在水利工程河道泥沙沉积量监测中的可行性以及测绘精度 选取河道不同河段处进行为期 天的人工实测泥沙沉积量连续监测并采用 种不同的传统监测方法作为对照 对照组编号为对照组、对照 和对照 监测结果如图 所示从图 中可以看出 基于无人机倾斜摄影技术的水利工程河道泥沙沉积量监测值与地表人工实测值具有较好的一致性 其误差范围为 由此表明基于无人机倾斜摄影技术具有较高的测试精度 应用于河道泥沙沉积量具有良好的可行性 从图 中可以看出 基于传统测绘技术的对照组 获得的水利工程河道泥沙沉积量监测值与地表人工实测值存在不同程度的偏差 其误差范围为 误差最大的出现在监测的第 天 从图 中可以看出 基于传统测绘技术的对照组 获得的水利工程河道泥沙沉积量监测值与地表人工实测值存在不同程度的偏差 但相对于对照组 其误差范围相对缩小 其误差范围为 从图 中可以看出 基于传表 水利工程河道泥沙沉淀量不同监测方法结果对比单位:/时间泥沙沉积量地表人工实测泥沙沉积量无人机倾斜摄影泥沙沉积量对照组 泥沙沉积量对照组 泥沙沉积量对照组 第 次测量第 次测量实际量测值监测值实际量测值监测值实际量测值监测值实际量测值监测值 信息化水利技术监督 年第 期统测绘技术的对照组 获得的水利工程河道泥沙沉积量监测值与地表人工实测值存在不同程度的偏差 其误差范围与对照 的误差较为相近 其误差范围为 综合以上分析表明相对于传统的测绘技术 采用无人机倾斜摄影技术在水利工程河道泥沙沉积量监测中具有明显的可靠性图 水利工程河道泥沙沉淀量无人机倾斜摄影监测值与实测值对比图 水利工程河道泥沙沉淀量对照组 监测值与实测值对比为了进一步说明各种方法在水利工程河道泥沙沉降量监测中的误差差异性 采用平均中误差指标进行衡量 计算各传统测绘手段和无人机倾斜摄影技术得到的监测值与实际值之间的平均中误差如式()所示 ()式中 监测值与实际值之间的平均相对误差数据样本的总数 各传统测绘手段和无人机倾斜摄影技术得到的监测值 地表人工实测值图 水利工程河道泥沙沉淀量对照组 监测值与实测值对比图 水利工程河道泥沙沉淀量对照组 监测值与实测值对比各传统测绘手段和无人机倾斜摄影技术得到的监测值与实际值之间的平均中误差计算结果如表 和图 所示 从图 中可以看出 各个监测手段的平均中误差曲线均呈现出不同程度的波动 其中对照组 的平均中误差变化最为剧烈对照组和图 各监测手段的平均中误差曲线(下转第 页)建设与管理水利技术监督 年第 期 刘贝贝 朱立俊 陈槐 等.冲积性河流的河型分类及判别方法研究综述.泥沙研究 ():.孙东坡 刘明潇 张晓雷 等.冲积性河流河床冲淤调整对洪水泥沙过程的响应:以黄河游荡型河段为例.水科学进展():.廖治棋 范北林 黄莉 等.冲积性河流河床横断面形态研究与进展.长江科学院院报 ():.蒋波 岳志远 雷国平 等.基于高性能平面二维水流数学模型的计算效率研究.水运工程 ():.李代军 孙昭华 张为.考虑扩散应力项的弯道平面二维水流数学模型.武汉大学学报(工学版)():.米家杉 周勤 李艳.在桥梁洪水影响分析中的应用.中国水运(下半月)():.(上接第 页)对照组 的平均中误差曲线相对较小 无人机倾斜摄影获得的监测值平均中误差最小 变化幅度最平稳 由此表明 采用无人机倾斜摄影技术对该河道泥沙沉积量进行勘测的准确性较高 在实际工程 采用无人机倾斜摄影技术对该河道泥沙沉积量进行勘测的可行性良好表 水利工程河道泥沙沉淀量不同监测方法结果对比单位:时间无人机倾斜摄影平均相对误差对照组 平均中误差对照组 平均中误差对照组 平均中误差 结语本文以某河道为研究对象 采用无人机倾斜摄影技术布置监测航线和航高获取河流光学影像 通过解译对河道泥沙沉积量进行监测 并与传统的勘测技术进行对比 结果表明 与传统测绘技术获得的水利工程河道泥沙沉积量监测值、地表人工实测值相比 无人机倾斜摄影技术得到监测值误差范围最小 监测值平均中误差最小 变化幅度最平稳能够真实反映水利工程河道泥沙沉积量 应用于水利工程河道、水系的大面积、长距离快速监测具有明显优势 但由于无人机技术在应用中受气候条件等因素影响较大 因此在检测过程中 应同时辅助其他监测技术进行综合应用参考文献 周婷婷.基于高分辨率光学遥感影像的城市地区地物提取及阴影信息恢复研究.吉林大学.章佩丽 宋亮楚 王昱 等.基于无人机多光谱的城市水体典型河道水质参数反演模型构建.环境污染与防治 ():.陈诚 李寿千 王新 等.河道安全巡检中的船舶可视化监测方法.水利水电科技进展 ():.李亚东 贾俊强 刘会宾 等.免像控无人机在河道大比例尺测图中的应用.水运工程():.谭翔 毛海颖 支晓栋 等.基于无人机红外光谱技术的影像数据匹配方法研究.光谱学与光谱分析 ():.任高升 李明峰 陈宁宁 等.无人机 技术支持下的河道测量与精度分析.测绘通报():.王学文 梁向棋 郭雄强 等.多平台激光雷达测量系统在河道地形测量中的应用.水运工程():.曹列凯 李丹勋.无人机巡航测量河流表面流场的方法与应用.应用基础与工程科学学报 ():.李志威 汤韬.基于无人机航测黄河源弯曲河道泥沙亏损量计算.水科学进展 ():.张晓庆 胡辉辉 王治中 等.水上水下一体化三维河道场景构建与展示.测绘通报():.张波 高泽民 王爱国 等.高起伏区无人机摄影测量精度评估:以西秦岭光盖山 迭山断裂为例.震灾防御技术():.刘晓哲.无人机航测技术在河道泥沙沉积量监测的改进研究.水利技术监督():.鲁华锋.基于无人机航测技术的干流河道泥沙沉积量监测方法.水利科技与经济 ():.