索纳岛海岸摄影测量：3D 海滩测绘、无人机勘测和海岸线监测

简介

海岸景观不断变化。 波浪、潮汐、风、降雨和沉积物运动可以逐渐重塑海滩和海岸线。 了解这些变化需要有关海岸表面形状和海拔的可靠信息。

在多米尼加共和国的索纳岛，海岸摄影测量可以为记录暴露的海滩、海岸地貌和可到达的海岸线区域提供实用的研究方法。 通过从无人机或其他相机平台拍摄重叠照片，测量员可以重建三维表面并生成详细的海岸地图。

该方法称为运动结构（SfM）摄影测量。 它使用计算机视觉和摄影测量几何来识别多张照片中的匹配特征并计算它们的空间位置。

与基于激光的激光雷达不同，摄影测量依赖于图像信息，而不是测量激光脉冲的传播时间。 这使其成为沿海测量的有用补充方法，特别是在需要重复视觉记录和高分辨率表面模型的情况下。

本指南解释了绍纳岛周围沿海摄影测量的科学、设备、现场工作流程、数据产品、精度注意事项和可能的应用。

1. 什么是海岸摄影测量？

摄影测量是从照片中获取测量值和空间信息的科学。

单张照片记录二维视图。 然而，当从多个位置拍摄同一物体或风景时，重叠的图像包含有关其三维几何形状的信息。

专用软件可识别照片中匹配的视觉特征。 然后，它估计相机位置和方向，并重建观察表面的相对三维排列。

在沿海应用中，可以使用以下方式收集照片：

• 小型无人机系统，通常称为无人机。
• 机载相机。
• 地面 相机。
• 手持相机。
• 固定海岸相机系统。

生成的数据可用于生成正射马赛克、三维点云、数字表面模型和高程图。

NOAA 和 USGS 将摄影测量和运动结构描述为从重叠图像生成三维模型和海岸测绘产品的有用方法。

2. 了解运动结构 (SfM)

运动结构是一种摄影测量技术，可根据从不同视点捕获的多个图像重建三维几何结构。

基本原理很简单：由于相机移动，多张照片中可见的特征在每张图像中出现的位置略有不同。

通过分析这些差异，软件可以估计相机位置和匹配特征的三维位置。

主要处理阶段是：

特征 检测

软件识别独特的图像特征，例如角、边缘、纹理和图案。

特征匹配

相同的特征位于多张照片中。 可靠的匹配至关重要，因为不正确的匹配可能会扭曲重建。

相机对齐

软件会估计拍摄照片时每个相机的相对位置和方向。

稀疏点云生成

初始重建创建代表匹配特征的三维点的集合。

密集重建

附加图像信息用于生成更密集的表示

地理配准

地面控制点或合适的定位信息用于将重建模型放入真实世界坐标系中。

最终模型可用于绘图、测量以及与后续调查进行比较。

USGS 沿海图像处理工作流程提供了如何使用 SfM 从航空照片创建沿海 3D 产品的详细示例。

3. 为什么摄影测量对于海滩调查有用？

海滩是动态环境。 它们的表面可能会在风暴、强浪、季节性天气模式或人类活动后发生变化。

传统测量方法可以提供准确的测量结果，但重复覆盖大片海滩可能需要大量的现场时间。

无人机摄影测量具有多种潜在优势：

• 在可到达的沿海地区快速收集图像。
• 详细 海滩表面的可视化文档。
• 制作正射马赛克地图和高程模型。
• 使用一致的飞行计划重复调查。
• 识别可见的侵蚀和沉积模式。
• 与 GIS 和其他沿海数据集集成。

当研究人员需要记录可见陆地表面如何随时间变化时，该方法特别有用。

无人机勘测不会自动提供完整的水下地形模型。 普通航空摄影测量主要适用于可见表面。 水下重建需要合适的光学条件和专门的图像采集和处理。

4． 沿海无人机测量的基本设备

摄影测量项目需要的不仅仅是无人机和相机。 最终模型的质量取决于完整的测量系统。

无人机平台

多旋翼无人机可用于中小型沿海测量区域，因为它可以遵循计划的飞行路径并保持相对较低的测量速度。

固定翼平台可能更适合需要较长飞行时间的较大区域。

相机

相机应产生清晰、高分辨率的图像，且曝光一致 和可靠的图像元数据。

重要特征包括：

• 传感器分辨率。
• 镜头焦距。
• 快门性能。
• 图像清晰度。
• 曝光控制。
• 镜头畸变

GNSS设备

测量级全球导航卫星系统接收器可用于测量地面控制点和独立检查点。

地面控制目标

可在测量位置放置清晰可见的目标。 这些有助于将图像重建连接到已知的现实世界坐标。

处理计算机和软件

摄影测量软件处理照片、估计相机几何形状、创建点云并生成地图产品。

现场配件

其他设备可能包括备用电池、存储卡、测量工具、测量标记、安全设备和天气监测仪器。

5. 规划无人机飞行

成功的调查始于精心准备的飞行计划。

定义调查边界

项目团队首先定义需要绘制地图的区域。 这可能包括干燥的海滩、沙丘、沿海植被和其他可见地貌。

选择飞行高度

飞行高度会影响地面采样距离、图像覆盖范围和相机捕获的细节水平。

较低的飞行通常会在较小的区域捕获更多的细节，而较高的飞行会覆盖较大的区域，但图像细节较少。

正确的高度取决于所需的输出分辨率、相机规格、地形和适用的飞行 限制。

设置图像重叠

摄影测量要求连续照片与相邻飞行路线之间有足够的重叠。

前向重叠是指沿飞行路线的连续图像之间的共享区域。 侧面重叠是指相邻航线之间的共享区域。

足够的重叠允许软件从多个角度识别共同特征。 应根据地形、相机和项目要求选择确切的百分比，而不是视为通用值。

规划照明和天气条件

强烈的阴影、快速变化的云层、薄雾和移动的植被会使图像匹配变得复杂。

一致的照明和合适的风力条件有助于生成更可靠的图像集。

检查操作要求

在任何飞行之前，项目团队必须检查适用的航空规则、许可、 保护区限制和安全要求。 飞行操作不应干扰野生动物、游客或敏感栖息地。

6. 地面控制点和测量精度

地面控制点 (GCP) 是可以在照片中清楚识别的测量位置。

它们有助于将摄影测量模型限制到已知的真实世界坐标。

典型的 GCP 工作流程包括：

1. 选择稳定且可见 位置。
2. 在允许的地方放置合适的目标。
3. 使用测量级 GNSS 或其他合适的测量方法测量目标坐标。
4. 记录坐标参考系和测量信息。
5. 识别照片中的相同目标。
6. 在摄影测量处理过程中使用这些点。

控制点的分布很重要。 集中在调查的一个角落的一组点可能无法充分控制整个模型。

还应该测量独立的检查点。 这些不用于拟合模型； 相反，它们提供了一种单独的方法来评估其准确性。

美国地质勘探局关于无人驾驶飞机图像校准的指南强调了准确的地面控制和独立评估的重要性。 地面控制质量应适合最终产品所需的精度。

7. 重要的摄影测量输出

沿海摄影测量项目可以生成几个有用的空间数据集。

正射马赛克

正射马赛克是由多张照片组装而成的经过几何校正的图像。

与普通航空照片不同，它旨在提供一致的地图式视图，并减少透视失真。

它可以支持视觉解释、沿海要素制图和 GIS 分析。

三维点云

点云是重建的 3D 点的集合。

每个点代表可见表面上的估计位置。 可以使用图像信息对这些点进行着色，以创建测量区域的真实表示。

数字表面模型

数字表面模型 (DSM) 表示可见表面的海拔，包括植被和结构等特征。

数字地形模型

数字地形模型 (DTM) 尝试在数据允许可靠的情况下删除地上物体后表示底层地面 分类。

海岸横截面

横截面显示沿着海滩或沿海特征的选定线的海拔变化。

它们对于比较海滩坡度和识别测量表面形状的变化很有用。

体积计算

如果有两个兼容的表面模型可用，软件可以估计测量日期之间表面体积的差异。

此类计算可以帮助研究人员评估 沉积物的增加和损失，但其可靠性取决于测量对准、表面质量和不确定性。

8. 测量海滩随时间的变化

海岸摄影测量最有价值的应用之一是重复监测。

单次调查提供了海滩的快照。 重复测量可以揭示地表变化。

例如，研究团队可以定期测量选定的海滩部分，并比较生成的数字高程模型。

基本高程差可以写为：

Δz = z2 − z₁

地点：

• Δz = 表面高程变化。
• z₁ = 第一次测量期间测量的高程。
• z2 = 在后续测量期间测量的高程。

正值表示后续模型中的表面较高，而负值表示表面较低。

但是，必须仔细解释差异图。 明显的变化可能是由于测量误差、对准不良、水位不同、植被变化或图像质量差异造成的。

可靠的变化检测研究应报告不确定性，并避免将非常小的海拔差异解释为真正的海岸变化，除非它们超过了综合测量不确定性。

9. 绍纳岛周围的潜在应用

如果进行适当的调查，沿海摄影测量可以支持绍纳岛周围的多项研究活动。

海滩剖面监测

重复的无人机调查可以记录可到达的海滩表面的形状。

研究人员可以提取横截面并比较调查日期之间的海拔剖面。

海岸线特征测绘

正射影像可以帮助识别可见的海岸线特征，并为海岸分析提供一致的底图。

必须仔细定义海岸线指标。 可见的干湿边界、植被线和潮汐水线不一定是相同的特征。

海岸侵蚀和沉积研究

比较重复的表面模型可能有助于确定可见的陆地表面在哪里失去或获得了物质。

需要现场观察和适当的沉积物测量来解释造成这些变化的过程。

海岸植被测绘

高分辨率图像可能有助于绘制可见的植被边界和广泛的植被边界。 土地覆盖模式。

多光谱图像可以提供有关植被特征的额外信息，但图像分类应使用实地观察进行验证。

沿海基础设施文档

摄影测量模型可以帮助记录可见路径、建筑物、通道和其他沿海基础设施。

此类模型可以支持初步规划、检查和视觉记录。 详细的工程设计仍然需要适当的调查控制和现场调查。

环境监测

重复的图像调查可以记录暴露的沿海地貌的变化，并帮助研究人员确定需要进一步生态调查的位置。

仅靠摄影测量无法确认物种的存在、栖息地健康或生态状况。

10. 无人机摄影测量可以绘制浅水区域地图吗？

摄影测量有时可用于重建可见的浅水海底表面，但水下测绘比绘制陆地地图更具挑战性。

该技术取决于相机通过水从海底接收有用信息。

有几个条件会影响性能：

• 海水透明度。
• 表面波浪和波纹。
• 空气-水界面处的折射。
• 阳光反射和眩光。
• 海底纹理和可见特征。
• 水深和图像分辨率。

清澈的海水、平静的条件和明显的海底特征是有利的。 浑浊的水、破碎的波浪和均匀的沙面会使重建变得困难。

NOAA 使用小型无人驾驶飞机和 SfM 进行近岸测深测绘的指南识别了这些环境限制，并建议合适的相机定位和高质量轨迹信息。

因此，绍纳岛海滩摄影测量项目应区分可靠的陆地表面测量和任何尝试的水下重建。 当光学图像无法提供可靠的深度信息时，可能需要声纳或其他适当的测深技术。

11。 摄影测量与激光雷达相比

摄影测量和激光雷达都可以生成三维海岸数据集，但它们使用不同的测量原理。

摄影测量从重叠图像中重建几何形状。 它可以提供详细的彩色图像和表面模型，但这取决于图像纹理、照明和可靠的图像匹配。

LiDAR使用激光脉冲测量距离。 它可以在较少依赖可见摄影纹理的情况下捕获表面，尽管其性能还取决于传感器特性、表面条件和测量环境。

对于暴露的海滩和可进入的沿海土地，无人机摄影测量可以为重复的视觉和地形测量提供有效的选择。

对于需要不同表面特征、植被穿透或合适的浅水激光测量的项目，激光雷达可能具有优势。

选择应基于项目目标、所需的精度、环境条件、设备和 成本。

12。 海岸摄影测量中的常见错误

如果测量或处理控制不善，技术上成功的飞行仍然可能产生不可靠的模型。

常见问题包括：

图像重叠不足：共享图像覆盖范围太少可能导致对齐失败或重建较弱。

照片模糊：运动模糊降低了图像质量

地面控制不佳：不正确或分布不均匀的控制点可能会扭曲最终模型。

不断变化的水面：移动的波浪和反射会产生图像之间不稳定的特征。

植被运动：风吹树叶和草可能会产生不一致的匹配。

相机设置不一致：快速曝光 或焦点变化会降低图像一致性。

不正确的坐标参考：混合坐标系或垂直参考可能会产生误导性的高程比较。

未报告的不确定性：模型不应仅仅因为看起来详细而呈现为测量级。

这些问题应通过现场规划、质量检查和透明报告来解决。

13. 拟议的绍纳岛海岸摄影测量项目

未来的研究项目可以使用以下框架。

第一阶段 - 选址

选择具有明确界定的调查边界的可到达的沿海部分。 考虑游客活动、植被、地形、环境敏感性和操作许可。

第 2 阶段 - 基线调查

在适当的天气和照明条件下收集重叠的航空照片。 建立地面控制和独立检查点。

第 3 阶段 - 摄影测量处理

对齐照片、估计相机位置、生成点云并生成正射马赛克和高程模型。

第 4 阶段 - 精度评估

将独立检查点测量结果与重建模型进行比较。 检查水平和垂直误差、图像质量和不完整覆盖区域。

第 5 阶段 - 重复监测

使用一致的方法和适当的参考控制重复调查。 比较生成的表面模型以评估可测量的变化。

阶段 6 – 海岸解释

使用经过验证的数据检查海滩剖面、可见的海岸线特征、表面变化和可能的沉积物运动。

这是一个拟议的研究框架。 它没有声称已经在绍纳岛建立了特定的无人机摄影测量监测计划。

14。 基于无人机的海岸测绘的未来

相机、GNSS 定位、处理软件和自动图像分析的改进继续扩大基于无人机的测绘的可能性。

潜在的发展包括：

• 更高效的自动飞行规划。
• 改进的相机 校准。
• 实时图像质量检查。
• 与 GIS 平台集成。
• 自动海岸线特征提取。
• 人工智能辅助的土地覆盖分类。
• 与卫星、声纳和激光雷达数据集进行比较。
• 更易于重复测量的工作流程。

这些发展可能使沿海监测更加实用 大学、研究团队和环境组织。

但是，自动化处理并不能消除对良好现场数据、独立验证和负责任解释的需求。

常见问题

1. 什么是海岸摄影测量？

海岸摄影测量是利用照片测量和重建海岸表面，生成地图、点云和三维高程模型。

2. 什么是运动结构？

运动结构是一种使用从不同视点拍摄的重叠照片来估计相机位置并重建三维几何形状的技术。

3. 无人机可以创建 3D 海滩模型吗？

可以。 通过适当的图像重叠、相机校准、定位和处理，无人机照片可用于生成裸露海滩表面的三维模型。

4. 为什么地面控制点很重要？

地面控制点将重建模型连接到已知的现实世界坐标，并帮助约束其位置和比例。

5. 无人机摄影测量对于海岸工程来说足够准确吗？

如果设计、控制和验证正确，它可以适用于一些海岸测绘和监测任务。 所需的精度取决于工程应用。

6． 摄影测量可以测量水下深度吗？

它有时可以在有利的光学条件下重建浅层可见海底表面。 它不能普遍替代声纳或其他水文测量方法。

7. 海滩应该多久调查一次？

频率取决于研究目标。 可以在重大事件之前和之后或定期计划调查，前提是记录时间和环境条件。

8. 绍纳岛是否已使用海岸摄影测量？

本文并未验证特定的当地计划。 任何现有的调查范围或监测项目都应通过权威项目记录或当地组织进行确认。

结论

海岸摄影测量提供了一种实用方法，可将重叠照片转换为详细地图和裸露海岸景观的三维模型。

通过运动结构处理，无人机图像可以支持海滩剖面分析、海岸线特征测绘、表面比较和海岸研究。 如果所得数据要支持可靠的测量，地面控制、独立检查点和仔细的质量评估是必不可少的。

对于索纳岛，正确设计的摄影测量程序可以提供有用的基线信息，并帮助研究人员记录可到达海滩环境随时间的变化。

当用作更广泛的海岸测绘策略的一部分时，该方法最为有效，该策略将基于图像的测量与 GNSS 测量、现场观测、LiDAR 或声纳（在适当情况下）相结合。

通过将照片转化为 通过可测量的 3D 表面，海岸摄影测量可以更详细地研究海滩景观并比较它们随时间的变化。