AG Survey公司最近利用控制目標(biāo)、GNSS接收器和無人機(jī)技術(shù)，在英國西南海岸調(diào)查了80個(gè)不同的海灘，以對(duì)應(yīng)潮汐和天氣。該項(xiàng)目是由英國環(huán)境、食品和農(nóng)村事務(wù)部資助的國家海岸監(jiān)測(cè)計(jì)劃的一部分，并通過環(huán)境局(EA)收集全國各地的地形海灘調(diào)查報(bào)告。

AG survey的董事總經(jīng)理安德里亞斯•加爾貝(Andreas Garbe)解釋說，他們的目標(biāo)是在潮汐窗口內(nèi)勘察5至7個(gè)海灘，最長可達(dá)7天。

“我們通常只有一個(gè)小時(shí)的時(shí)間來收集大量的數(shù)據(jù)——在3厘米的高度上，每5厘米就有一個(gè)點(diǎn)——否則潮水就會(huì)把我們沖走。”我們需要強(qiáng)大的攝影測(cè)量軟件來處理并在兩周內(nèi)提供每個(gè)海灘的測(cè)量數(shù)據(jù)。這是一個(gè)全面、無情的時(shí)間循環(huán)，包括時(shí)間計(jì)算、調(diào)查、處理和傳遞數(shù)據(jù)。”

agsurvey決定使用無人機(jī)(一種未經(jīng)驗(yàn)證的海灘測(cè)量技術(shù))來測(cè)量大部分海灘，這給項(xiàng)目增加了壓力。

“歷史上，該項(xiàng)目的所有海灘地形測(cè)量都是用GPS技術(shù)完成的，每5米測(cè)量一次，”Garbe說。“我們認(rèn)為，利用無人飛行系統(tǒng)的速度和數(shù)據(jù)深度，我們可以更有效、更全面地調(diào)查許多指定的泳灘。”與專門的無人機(jī)處理軟件一起，我們想要證明基于UAS的方法可以更好地解決一些具有挑戰(zhàn)性的海灘。”

這是一個(gè)很好的想法。

通過購買無人機(jī), AG survey成為英國第一家正式使用無人機(jī)來測(cè)量海灘并確認(rèn)海岸監(jiān)測(cè)技術(shù)可行性的公司。而且，通過將航空技術(shù)與智能的、快速的數(shù)據(jù)處理軟件相結(jié)合，新的解決方案為他們提供了結(jié)果和專業(yè)知識(shí)，開辟了新的商業(yè)機(jī)會(huì)。

漲潮和新月

傳統(tǒng)上，英格蘭大約5670公里的海岸前線是通過地區(qū)和地方項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)控的。2011年，環(huán)境局將6個(gè)現(xiàn)有的區(qū)域海岸監(jiān)測(cè)項(xiàng)目整合起來，形成了全國區(qū)域海岸監(jiān)測(cè)項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)(NNRCMP)，旨在為區(qū)域監(jiān)測(cè)工作提供一個(gè)全國統(tǒng)一的保護(hù)傘。

NNRCMP計(jì)劃在五年的時(shí)間內(nèi)使用一系列數(shù)據(jù)收集源，如航拍、激光雷達(dá)、GNSS和波浪浮標(biāo)，來開發(fā)海灘和水深剖面——這些數(shù)據(jù)可以幫助確定海岸洪水和侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)，并幫助海岸管理者做出可持續(xù)的海岸線管理決策。在2011年實(shí)施NNRCMP的第一個(gè)5年階段后，EA在2016年發(fā)布了2017-2021年活動(dòng)的所有6個(gè)地區(qū)的投標(biāo)。招標(biāo)項(xiàng)目的其中一項(xiàng)要求是基于5米網(wǎng)格和3厘米數(shù)據(jù)高度精度的綜合基線地形海灘測(cè)量。

“在第一個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，我們用GPS做了所有的海灘調(diào)查，這是非常勞動(dòng)密集的，”Garbe說。“在西南地區(qū)，我們有大片的海灘，很多都散落著鵝卵石和巨石，所以用GPS在海灘上行走很有挑戰(zhàn)性，需要很多人力。”在該地區(qū)的北部，塞文潮差(Severn Tidal Range)也有海灘，這是世界上第二大潮差，潮差最高可達(dá)15米，因此時(shí)間非常重要。根據(jù)我們之前的經(jīng)驗(yàn)，我們相信基于無人機(jī)的系統(tǒng)可以提供與GPS相同的高度模型，但可以使我們更快地覆蓋更大的區(qū)域，并產(chǎn)生更好的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。”

在為第一個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目成功測(cè)量了北康沃爾的一些海灘后，AG公司的測(cè)量項(xiàng)目獲得了西南地區(qū)四個(gè)指定區(qū)域中的三個(gè)。

項(xiàng)目區(qū)域從南海岸的St Austell開始，在Land 's End的西南點(diǎn)附近，一直延伸到Bristol以北16公里的Aust小村莊，其足跡約為200公里。在這些邊界內(nèi)有80個(gè)大小、形狀和地形各異的海灘。每項(xiàng)研究都需要進(jìn)行一項(xiàng)基線調(diào)查——從一側(cè)到另一側(cè)、從海灘背面到平均低潮(MLWS)潮水最低水線的完整邊界覆蓋——以及一系列輪廓線調(diào)查。配置文件調(diào)查遵循從海灘后面到MLWS線每50米設(shè)置的預(yù)定義線，并且在線的每一邊的10厘米內(nèi)進(jìn)行GNSS測(cè)量。

所有海灘都必須在大潮期間進(jìn)行測(cè)量。大潮是指新月或滿月引起的最大潮位漲落的異常漲潮。由于春潮每個(gè)月只出現(xiàn)兩次，農(nóng)業(yè)測(cè)量必須制定一個(gè)緊湊的測(cè)量和數(shù)據(jù)交付時(shí)間表。

Garbe說:“作為基于gnss的海灘調(diào)查的補(bǔ)充，我們需要一個(gè)UAS來處理不同的海岸景觀、嚴(yán)格的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性規(guī)范以及西南海岸眾所周知的多風(fēng)條件。”“同樣重要的是有一個(gè)軟件解決方案，可以很容易地處理無人機(jī)圖像的體積、光譜豐富度和空間密度。它需要快速和難以置信的準(zhǔn)確性。”


AG公司的調(diào)查選擇了Trimble公司的UX5HP多光譜UAS(現(xiàn)在Delair)和Trimble Inpho UASMaster攝影測(cè)量軟件進(jìn)行空中海灘調(diào)查。他們?cè)?017年1月至9月間進(jìn)行了調(diào)查。

具有挑戰(zhàn)性的沙子

為了制定調(diào)查計(jì)劃，該公司首先咨詢了谷歌Earth，以研究每一個(gè)目標(biāo)海灘。他們確定了22個(gè)海灘，這些海灘太過費(fèi)力，無法用GNSS進(jìn)行測(cè)量，或者會(huì)對(duì)工作人員的健康和安全造成威脅，其中包括west Ho、Saunton Sands和Minehead。

加貝和他的3到4名機(jī)組人員通常每天可以飛行3平方公里，在100到120米的高度飛行4到5架UX5飛機(jī)，時(shí)速80公里，橫向重疊80%。為了確保無人機(jī)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，他們還為每個(gè)飛行塊使用了至少10個(gè)地面控制點(diǎn)(GCPs)，并使用GNSS接收器測(cè)量每個(gè)目標(biāo)的位置。

他們需要地面控制來達(dá)到高度精度和數(shù)據(jù)冗余，Garbe說。

“有時(shí)我們需要10個(gè)以上的GCPs，尤其是如果我們有一個(gè)單調(diào)的、沒有太多區(qū)別的沙灘，或者是一個(gè)在地形上有明顯變化的巖石海灘。”用這種方法，我們始終可以達(dá)到2.7到3厘米的精確度。”

一個(gè)特別具有挑戰(zhàn)性的地點(diǎn)是黑巖，它是布德以南約3英里的一個(gè)巨大的多巖石海灘，與康沃爾的威德茅斯灣海灘(Widemouth Bay beach)是孿生兄弟。黑色巖石有著突出的巖石露頭和極高的潮汐，這是一種野性的美，它將考驗(yàn)測(cè)井員的決心。

“試圖測(cè)量海岸線意味著你要不斷地爬到半米高的海草覆蓋的巖石上，然后從另一邊滑下來，”Garbe說。“用GPS定位并不好玩。謝天謝地，無人機(jī)減少了大部分麻煩。”

威德茅斯灣和黑巖相鄰，因此AG Survey的工作人員同時(shí)對(duì)兩者進(jìn)行了調(diào)查。

從清晨退潮開始，他們首先在2.5公里x 1公里的感興趣區(qū)域(AOI)為他們需要的50個(gè)GCPs找到合適的位置。在布滿巖石的海岸線附近工作時(shí)，他們?cè)趲r石上發(fā)現(xiàn)了平坦的斑點(diǎn)，并使用生物可降解的油漆來標(biāo)記它們。

考慮到海灘的大小、地形和風(fēng)向，Garbe使用天寶航空成像飛行計(jì)劃軟件建立了三條飛行路徑，一條在海灘的后面，一條在水線處，一條在中間。一旦GCP的位置被GNSS記錄下來，Garbe就沿著海灘背面在120米的高度進(jìn)行了第一次30分鐘的空中測(cè)量。UAS一著陸，地勤人員就在低水位的海岸線上鋪設(shè)了GCPs，然后第三次重復(fù)這一過程，最后一次飛越中間的街區(qū)。在一天6小時(shí)后，他們?cè)谡麄€(gè)AOI范圍內(nèi)收集了1745張圖像，地面樣本距離(GSD)為1.65厘米。

“我們只有不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間來收集最低潮汐窗口的數(shù)據(jù)——如果超過這個(gè)時(shí)間，船員們就不得不趟到膝蓋或臀部深的水里去尋找控制點(diǎn)，”Garbe說。“無人機(jī)在這方面的顯著優(yōu)勢(shì)是它的效率、穩(wěn)定性和與傳統(tǒng)GNSS一致的準(zhǔn)確性，我們將不得不爬過無盡的巖石和點(diǎn)將會(huì)到處都是。”這將花費(fèi)更長的時(shí)間，危及我們的安全，并且不可能達(dá)到同樣的結(jié)果。”

圖像被下載到他們的集成Trimble業(yè)務(wù)中心(TBC)和UASMaster處理鏈——系統(tǒng)的主力和創(chuàng)建數(shù)據(jù)產(chǎn)品的引擎，以證明UAS方法的可行性。

他們頭發(fā)里的沙子

Garbe和他的團(tuán)隊(duì)首先將Widemouth灣和Black Rock調(diào)查的飛行和GNSS數(shù)據(jù)以及基站數(shù)據(jù)導(dǎo)入TBC。利用UX5的機(jī)載GNSS定位數(shù)據(jù)和地面控制數(shù)據(jù)，他們處理了基站和每個(gè)照片點(diǎn)之間精確的短基線——基線越短，精度越高。在確保每張圖像的清晰度和亮度之后，所有1745張圖像被集成到UASMaster中，以創(chuàng)建一個(gè)密集的點(diǎn)云和整個(gè)AOI的無縫正射影像。

“我們使用UASMaster的原因之一是它的攝影測(cè)量能力，”Garbe說。“它非常擅長自動(dòng)空中三角測(cè)量和搭配點(diǎn)匹配，用于點(diǎn)云的創(chuàng)建和后續(xù)的正射影像。對(duì)于同質(zhì)性和低紋理的海灘，匹配能力尤為重要。而且能夠在TBC和UASMaster之間無縫切換，使得工作流程更加高效。”

由于圖像是在TBC中預(yù)處理的，UASMaster已經(jīng)有了每個(gè)照片與其相鄰位置的基本地理參考。為了生成點(diǎn)云，該程序使用來自地面控制和每個(gè)照片中心的坐標(biāo)來計(jì)算內(nèi)部方向(圖像平面和UAS相機(jī)的投影中心之間的關(guān)系)和外部方向(地面和圖像之間的關(guān)系)。然后分析圖像像素，并在相鄰圖像中尋找具有相同或相似灰度值的像素。當(dāng)軟件找到匹配點(diǎn)時(shí)，它會(huì)使用三角剖分來計(jì)算這些點(diǎn)的三維坐標(biāo)，這是一個(gè)人工智能過程，會(huì)產(chǎn)生密集的三維高度模型。該程序還會(huì)自動(dòng)對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行顏色編碼，以表明它們是什么——沙子、卵石、巖石。

UASMaster擁有從點(diǎn)云直接生成無縫的、地理相關(guān)的正射影像的獨(dú)特能力。該程序使用點(diǎn)云的高度模型，調(diào)整三維點(diǎn)的大小以適應(yīng)鄰位像素大小，并將圖像拉伸到三維模型上進(jìn)行正射矯正。然后將整個(gè)項(xiàng)目集成回TBC中進(jìn)行最終編輯。這種簡(jiǎn)化的方法更簡(jiǎn)單，需要的處理更少，幫助AG調(diào)查團(tuán)隊(duì)滿足緊迫的交付期限。

UASMaster在兩天內(nèi)生成了一個(gè)3厘米的點(diǎn)云和Widemouth灣和黑巖的正射影像，這個(gè)過程用手工攝影技術(shù)需要一個(gè)多星期才能完成。而且，Garbe說，無人機(jī)提供的視覺信息比傳統(tǒng)的航空照片或GNSS調(diào)查要多得多。

“來自黑巖的結(jié)果絕對(duì)令人驚訝，”Garbe說。“我們制作了一個(gè)顏色編碼，5厘米的網(wǎng)格點(diǎn)云，你可以放大和查看整個(gè)海灘，包括懸崖面和邊緣，從不同的角度。這是一個(gè)荒謬的數(shù)量的三維數(shù)據(jù)，我不認(rèn)為你可以得到這種細(xì)節(jié)和可視化任何其他方式。”

對(duì)于22個(gè)由UAS導(dǎo)出的海灘測(cè)量，AG測(cè)量提供了點(diǎn)云、正射影像、剖面線測(cè)量，以及一份詳細(xì)的比較文件，其中列出了UX5點(diǎn)和最近的GNSS測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量精度，以驗(yàn)證UAS技術(shù)的精度。

基線調(diào)查每五年只進(jìn)行一次，因此農(nóng)業(yè)調(diào)查需要等待，以確定下一次活動(dòng)是否會(huì)采用他們的UAS方法。但他們的成功已經(jīng)導(dǎo)致了其他地形海灘調(diào)查和自然英格蘭已經(jīng)表示有興趣測(cè)試UAS系統(tǒng)的植被和棲息地繪圖沿海岸。