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工程师使用无人机测量海岸侵蚀

发布日期:2020-05-23我要投稿我要评论

    AG Survey公司最近利用控制目标、GNSS接收器和无人机技术,在英国西南海岸调查了80个不同的海滩,以对应潮汐和天气。该项目是由英国环境、食品和农村事务部资助的国家海岸监测计划的一部分,并通过环境局(EA)收集全国各地的地形海滩调查报告。

AG survey的董事总经理安德里亚斯•加尔贝(Andreas Garbe)解释说,他们的目标是在潮汐窗口内勘察5至7个海滩,最长可达7天。

“我们通常只有一个小时的时间来收集大量的数据——在3厘米的高度上,每5厘米就有一个点——否则潮水就会把我们冲走。”我们需要强大的摄影测量软件来处理并在两周内提供每个海滩的测量数据。这是一个全面、无情的时间循环,包括时间计算、调查、处理和传递数据。”

agsurvey决定使用无人机(一种未经验证的海滩测量技术)来测量大部分海滩,这给项目增加了压力。

“历史上,该项目的所有海滩地形测量都是用GPS技术完成的,每5米测量一次,”Garbe说。“我们认为,利用无人飞行系统的速度和数据深度,我们可以更有效、更全面地调查许多指定的泳滩。”与专门的无人机处理软件一起,我们想要证明基于UAS的方法可以更好地解决一些具有挑战性的海滩。”

这是一个很好的想法。

通过购买无人机, AG survey成为英国第一家正式使用无人机来测量海滩并确认海岸监测技术可行性的公司。而且,通过将航空技术与智能的、快速的数据处理软件相结合,新的解决方案为他们提供了结果和专业知识,开辟了新的商业机会。

涨潮和新月

传统上,英格兰大约5670公里的海岸前线是通过地区和地方项目进行评估和监控的。2011年,环境局将6个现有的区域海岸监测项目整合起来,形成了全国区域海岸监测项目网络(NNRCMP),旨在为区域监测工作提供一个全国统一的保护伞。

NNRCMP计划在五年的时间内使用一系列数据收集源,如航拍、激光雷达、GNSS和波浪浮标,来开发海滩和水深剖面——这些数据可以帮助确定海岸洪水和侵蚀的风险,并帮助海岸管理者做出可持续的海岸线管理决策。在2011年实施NNRCMP的第一个5年阶段后,EA在2016年发布了2017-2021年活动的所有6个地区的投标。招标项目的其中一项要求是基于5米网格和3厘米数据高度精度的综合基线地形海滩测量。

“在第一个监测项目中,我们用GPS做了所有的海滩调查,这是非常劳动密集的,”Garbe说。“在西南地区,我们有大片的海滩,很多都散落着鹅卵石和巨石,所以用GPS在海滩上行走很有挑战性,需要很多人力。”在该地区的北部,塞文潮差(Severn Tidal Range)也有海滩,这是世界上第二大潮差,潮差最高可达15米,因此时间非常重要。根据我们之前的经验,我们相信基于无人机的系统可以提供与GPS相同的高度模型,但可以使我们更快地覆盖更大的区域,并产生更好的数据细节。”

在为第一个监测项目成功测量了北康沃尔的一些海滩后,AG公司的测量项目获得了西南地区四个指定区域中的三个。

项目区域从南海岸的St Austell开始,在Land 's End的西南点附近,一直延伸到Bristol以北16公里的Aust小村庄,其足迹约为200公里。在这些边界内有80个大小、形状和地形各异的海滩。每项研究都需要进行一项基线调查——从一侧到另一侧、从海滩背面到平均低潮(MLWS)潮水最低水线的完整边界覆盖——以及一系列轮廓线调查。配置文件调查遵循从海滩后面到MLWS线每50米设置的预定义线,并且在线的每一边的10厘米内进行GNSS测量。

所有海滩都必须在大潮期间进行测量。大潮是指新月或满月引起的最大潮位涨落的异常涨潮。由于春潮每个月只出现两次,农业测量必须制定一个紧凑的测量和数据交付时间表。

Garbe说:“作为基于gnss的海滩调查的补充,我们需要一个UAS来处理不同的海岸景观、严格的数据准确性规范以及西南海岸众所周知的多风条件。”“同样重要的是有一个软件解决方案,可以很容易地处理无人机图像的体积、光谱丰富度和空间密度。它需要快速和难以置信的准确性。”


AG公司的调查选择了Trimble公司的UX5HP多光谱UAS(现在Delair)和Trimble Inpho UASMaster摄影测量软件进行空中海滩调查。他们在2017年1月至9月间进行了调查。

具有挑战性的沙子

为了制定调查计划,该公司首先咨询了谷歌Earth,以研究每一个目标海滩。他们确定了22个海滩,这些海滩太过费力,无法用GNSS进行测量,或者会对工作人员的健康和安全造成威胁,其中包括west Ho、Saunton Sands和Minehead。

加贝和他的3到4名机组人员通常每天可以飞行3平方公里,在100到120米的高度飞行4到5架UX5飞机,时速80公里,横向重叠80%。为了确保无人机数据的可靠性和准确性,他们还为每个飞行块使用了至少10个地面控制点(GCPs),并使用GNSS接收器测量每个目标的位置。

他们需要地面控制来达到高度精度和数据冗余,Garbe说。

“有时我们需要10个以上的GCPs,尤其是如果我们有一个单调的、没有太多区别的沙滩,或者是一个在地形上有明显变化的岩石海滩。”用这种方法,我们始终可以达到2.7到3厘米的精确度。”

一个特别具有挑战性的地点是黑岩,它是布德以南约3英里的一个巨大的多岩石海滩,与康沃尔的威德茅斯湾海滩(Widemouth Bay beach)是孪生兄弟。黑色岩石有着突出的岩石露头和极高的潮汐,这是一种野性的美,它将考验测井员的决心。

“试图测量海岸线意味着你要不断地爬到半米高的海草覆盖的岩石上,然后从另一边滑下来,”Garbe说。“用GPS定位并不好玩。谢天谢地,无人机减少了大部分麻烦。”

威德茅斯湾和黑岩相邻,因此AG Survey的工作人员同时对两者进行了调查。

从清晨退潮开始,他们首先在2.5公里x 1公里的感兴趣区域(AOI)为他们需要的50个GCPs找到合适的位置。在布满岩石的海岸线附近工作时,他们在岩石上发现了平坦的斑点,并使用生物可降解的油漆来标记它们。

考虑到海滩的大小、地形和风向,Garbe使用天宝航空成像飞行计划软件建立了三条飞行路径,一条在海滩的后面,一条在水线处,一条在中间。一旦GCP的位置被GNSS记录下来,Garbe就沿着海滩背面在120米的高度进行了第一次30分钟的空中测量。UAS一着陆,地勤人员就在低水位的海岸线上铺设了GCPs,然后第三次重复这一过程,最后一次飞越中间的街区。在一天6小时后,他们在整个AOI范围内收集了1745张图像,地面样本距离(GSD)为1.65厘米。

“我们只有不到一个小时的时间来收集最低潮汐窗口的数据——如果超过这个时间,船员们就不得不趟到膝盖或臀部深的水里去寻找控制点,”Garbe说。“无人机在这方面的显著优势是它的效率、稳定性和与传统GNSS一致的准确性,我们将不得不爬过无尽的岩石和点将会到处都是。”这将花费更长的时间,危及我们的安全,并且不可能达到同样的结果。”

图像被下载到他们的集成Trimble业务中心(TBC)和UASMaster处理链——系统的主力和创建数据产品的引擎,以证明UAS方法的可行性。

他们头发里的沙子

Garbe和他的团队首先将Widemouth湾和Black Rock调查的飞行和GNSS数据以及基站数据导入TBC。利用UX5的机载GNSS定位数据和地面控制数据,他们处理了基站和每个照片点之间精确的短基线——基线越短,精度越高。在确保每张图像的清晰度和亮度之后,所有1745张图像被集成到UASMaster中,以创建一个密集的点云和整个AOI的无缝正射影像。

“我们使用UASMaster的原因之一是它的摄影测量能力,”Garbe说。“它非常擅长自动空中三角测量和搭配点匹配,用于点云的创建和后续的正射影像。对于同质性和低纹理的海滩,匹配能力尤为重要。而且能够在TBC和UASMaster之间无缝切换,使得工作流程更加高效。”

由于图像是在TBC中预处理的,UASMaster已经有了每个照片与其相邻位置的基本地理参考。为了生成点云,该程序使用来自地面控制和每个照片中心的坐标来计算内部方向(图像平面和UAS相机的投影中心之间的关系)和外部方向(地面和图像之间的关系)。然后分析图像像素,并在相邻图像中寻找具有相同或相似灰度值的像素。当软件找到匹配点时,它会使用三角剖分来计算这些点的三维坐标,这是一个人工智能过程,会产生密集的三维高度模型。该程序还会自动对每个点进行颜色编码,以表明它们是什么——沙子、卵石、岩石。

UASMaster拥有从点云直接生成无缝的、地理相关的正射影像的独特能力。该程序使用点云的高度模型,调整三维点的大小以适应邻位像素大小,并将图像拉伸到三维模型上进行正射矫正。然后将整个项目集成回TBC中进行最终编辑。这种简化的方法更简单,需要的处理更少,帮助AG调查团队满足紧迫的交付期限。

UASMaster在两天内生成了一个3厘米的点云和Widemouth湾和黑岩的正射影像,这个过程用手工摄影技术需要一个多星期才能完成。而且,Garbe说,无人机提供的视觉信息比传统的航空照片或GNSS调查要多得多。

“来自黑岩的结果绝对令人惊讶,”Garbe说。“我们制作了一个颜色编码,5厘米的网格点云,你可以放大和查看整个海滩,包括悬崖面和边缘,从不同的角度。这是一个荒谬的数量的三维数据,我不认为你可以得到这种细节和可视化任何其他方式。”

对于22个由UAS导出的海滩测量,AG测量提供了点云、正射影像、剖面线测量,以及一份详细的比较文件,其中列出了UX5点和最近的GNSS测量点的测量精度,以验证UAS技术的精度。

基线调查每五年只进行一次,因此农业调查需要等待,以确定下一次活动是否会采用他们的UAS方法。但他们的成功已经导致了其他地形海滩调查和自然英格兰已经表示有兴趣测试UAS系统的植被和栖息地绘图沿海岸。

 
本文链接:https://www.81uav.cn/uav-news/202005/23/70773.html
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