AG Survey公司最近利用控制目標、GNSS接收器和無人機技術(shù)，在英國西南海岸調(diào)查了80個不同的海灘，以對應潮汐和天氣。該項目是由英國環(huán)境、食品和農(nóng)村事務部資助的國家海岸監(jiān)測計劃的一部分，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，他們的目標是在潮汐窗口內(nèi)勘察5至7個海灘，最長可達7天。

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

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

“歷史上，該項目的所有海灘地形測量都是用GPS技術(shù)完成的，每5米測量一次，”Garbe說。“我們認為，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。”

這是一個很好的想法。

通過購買無人機, AG survey成為英國第一家正式使用無人機來測量海灘并確認海岸監(jiān)測技術(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，開辟了新的商業(yè)機會。

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)和地方項目進行評估和監(jiān)控的。2011年，環(huán)境局將6個現(xiàn)有的區(qū)域海岸監(jiān)測項目整合起來，形成了全國區(qū)域海岸監(jiān)測項目網(wǎng)絡(luò)(NNRCMP)，旨在為區(qū)域監(jiān)測工作提供一個全國統(tǒng)一的保護傘。

NNRCMP計劃在五年的時間內(nèi)使用一系列數(shù)據(jù)收集源，如航拍、激光雷達、GNSS和波浪浮標，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險，并幫助海岸管理者做出可持續(xù)的海岸線管理決策。在2011年實施NNRCMP的第一個5年階段后，EA在2016年發(fā)布了2017-2021年活動的所有6個地區(qū)的投標。招標項目的其中一項要求是基于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量。

“在第一個監(jiān)測項目中，我們用GPS做了所有的海灘調(diào)查，這是非常勞動密集的，”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15米，因此時間非常重要。根據(jù)我們之前的經(jīng)驗，我們相信基于無人機的系統(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)細節(jié)。”

在為第一個監(jiān)測項目成功測量了北康沃爾的一些海灘后，AG公司的測量項目獲得了西南地區(qū)四個指定區(qū)域中的三個。

項目區(qū)域從南海岸的St Austell開始，在Land 's End的西南點附近，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個大小、形狀和地形各異的海灘。每項研究都需要進行一項基線調(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)置的預定義線，并且在線的每一邊的10厘米內(nèi)進行GNSS測量。

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

Garbe說:“作為基于gnss的海灘調(diào)查的補充，我們需要一個UAS來處理不同的海岸景觀、嚴格的數(shù)據(jù)準確性規(guī)范以及西南海岸眾所周知的多風條件。”“同樣重要的是有一個軟件解決方案，可以很容易地處理無人機圖像的體積、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攝影測量軟件進行空中海灘調(diào)查。他們在2017年1月至9月間進行了調(diào)查。

具有挑戰(zhàn)性的沙子

為了制定調(diào)查計劃，該公司首先咨詢了谷歌Earth，以研究每一個目標海灘。他們確定了22個海灘，這些海灘太過費力，無法用GNSS進行測量，或者會對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，時速80公里，橫向重疊80%。為了確保無人機數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，他們還為每個飛行塊使用了至少10個地面控制點(GCPs)，并使用GNSS接收器測量每個目標的位置。

他們需要地面控制來達到高度精度和數(shù)據(jù)冗余，Garbe說。

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

一個特別具有挑戰(zhàn)性的地點是黑巖，它是布德以南約3英里的一個巨大的多巖石海灘，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，它將考驗測井員的決心。

“試圖測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的工作人員同時對兩者進行了調(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GCPs找到合適的位置。在布滿巖石的海岸線附近工作時，他們在巖石上發(fā)現(xiàn)了平坦的斑點，并使用生物可降解的油漆來標記它們。

考慮到海灘的大小、地形和風向，Garbe使用天寶航空成像飛行計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米的高度進行了第一次30分鐘的空中測量。UAS一著陸，地勤人員就在低水位的海岸線上鋪設(shè)了GCPs，然后第三次重復這一過程，最后一次飛越中間的街區(qū)。在一天6小時后，他們在整個AOI范圍內(nèi)收集了1745張圖像，地面樣本距離(GSD)為1.65厘米。

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

圖像被下載到他們的集成Trimble業(yè)務中心(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和他的團隊首先將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)導入TBC。利用UX5的機載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照片點之間精確的短基線——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)建一個密集的點云和整個AOI的無縫正射影像。

“我們使用UASMaster的原因之一是它的攝影測量能力，”Garbe說。“它非常擅長自動空中三角測量和搭配點匹配，用于點云的創(chuàng)建和后續(xù)的正射影像。對于同質(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中預處理的，UASMaster已經(jīng)有了每個照片與其相鄰位置的基本地理參考。為了生成點云，該程序使用來自地面控制和每個照片中心的坐標來計算內(nèi)部方向(圖像平面和UAS相機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。當軟件找到匹配點時，它會使用三角剖分來計算這些點的三維坐標，這是一個人工智能過程，會產(chǎn)生密集的三維高度模型。該程序還會自動對每個點進行顏色編碼，以表明它們是什么——沙子、卵石、巖石。

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

UASMaster在兩天內(nèi)生成了一個3厘米的點云和Widemouth灣和黑巖的正射影像，這個過程用手工攝影技術(shù)需要一個多星期才能完成。而且，Garbe說，無人機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)果絕對令人驚訝，”Garbe說。“我們制作了一個顏色編碼，5厘米的網(wǎng)格點云，你可以放大和查看整個海灘，包括懸崖面和邊緣，從不同的角度。這是一個荒謬的數(shù)量的三維數(shù)據(jù)，我不認為你可以得到這種細節(jié)和可視化任何其他方式。”

對于22個由UAS導出的海灘測量，AG測量提供了點云、正射影像、剖面線測量，以及一份詳細的比較文件，其中列出了UX5點和最近的GNSS測量點的測量精度，以驗證UAS技術(shù)的精度。

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