AG Survey公司最近利用控制目標、GNSS接收器和無人機技術，在英國西南海岸調查了80個不同的海灘，以對應潮汐和天氣。該項目是由英國環境、食品和農村事務部資助的國家海岸監測計劃的一部分，并通過環境局(EA)收集全國各地的地形海灘調查報告。
AG survey的董事總經理安德里亞斯•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據——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提供每個海灘的測量數據。這是一個全面、無情的時間循環，包括時間計算、調查、處理和傳遞數據。”
agsurvey決定使用無人機(一種未經驗證的海灘測量技術)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技術完成的，每5米測量一次，”Garbe說。“我們認為，利用無人飛行系統的速度和數據深度，我們可以更有效、更全面地調查許多指定的泳灘。”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測技術可行性的公司。而且，通過將航空技術與智能的、快速的數據處理軟件相結合，新的解決方案為他們提供了結果和專業知識，開辟了新的商業機會。
漲潮和新月
傳統上，英格蘭大約5670公里的海岸前線是通過地區和地方項目進行評估和監控的。2011年，環境局將6個現有的區域海岸監測項目整合起來，形成了全國區域海岸監測項目網絡(NNRCMP)，旨在為區域監測工作提供一個全國統一的保護傘。
NNRCMP計劃在五年的時間內使用一系列數據收集源，如航拍、激光雷達、GNSS和波浪浮標，來開發海灘和水深剖面——這些數據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年發布了2017-2021年活動的所有6個地區的投標。招標項目的其中一項要求是基于5米網格和3厘米數據高度精度的綜合基線地形海灘測量。
“在第一個監測項目中，我們用GPS做了所有的海灘調查，這是非常勞動密集的，”Garbe說。“在西南地區，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性，需要很多人力。”在該地區的北部，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。根據我們之前的經驗，我們相信基于無人機的系統可以提供與GPS相同的高度模型，但可以使我們更快地覆蓋更大的區域，并產生更好的數據細節。”
在為第一個監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四個指定區域中的三個。
項目區域從南海岸的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查——從一側到另一側、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查。配置文件調查遵循從海灘后面到MLWS線每50米設置的預定義線，并且在線的每一邊的10厘米內進行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兩次，農業測量必須制定一個緊湊的測量和數據交付時間表。
Garbe說:“作為基于gnss的海灘調查的補充，我們需要一個UAS來處理不同的海岸景觀、嚴格的數據準確性規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公司的調查選擇了Trimble公司的UX5HP多光譜UAS(現在Delair)和Trimble Inpho UASMaster攝影測量軟件進行空中海灘調查。他們在2017年1月至9月間進行了調查。
具有挑戰性的沙子
為了制定調查計劃，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%。為了確保無人機數據的可靠性和準確性，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據冗余，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的、沒有太多區別的沙灘，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，他們在巖石上發現了平坦的斑點，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了GCPs，然后第三次重復這一過程，最后一次飛越中間的街區。在一天6小時后，他們在整個AOI范圍內收集了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據——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勢是它的效率、穩定性和與傳統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果。”
圖像被下載到他們的集成Trimble業務中心(TBC)和UASMaster處理鏈——系統的主力和創建數據產品的引擎，以證明UAS方法的可行性。
他們頭發里的沙子
Garbe和他的團隊首先將Widemouth灣和Black Rock調查的飛行和GNSS數據以及基站數據導入TBC。利用UX5的機載GNSS定位數據和地面控制數據，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，用于點云的創建和后續的正射影像。對于同質性和低紋理的海灘，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部方向(圖像平面和UAS相機的投影中心之間的關系)和外部方向(地面和圖像之間的關系)。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、地理相關的正射影像的獨特能力。該程序使用點云的高度模型，調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調查團隊滿足緊迫的交付期限。
UASMaster在兩天內生成了一個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的航空照片或GNSS調查要多得多。
“來自黑巖的結果絕對令人驚訝，”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。這是一個荒謬的數量的三維數據，我不認為你可以得到這種細節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技術的精度。
基線調查每五年只進行一次，因此農業調查需要等待，以確定下一次活動是否會采用他們的UAS方法。但他們的成功已經導致了其他地形海灘調查和自然英格蘭已經表示有興趣測試UAS系統的植被和棲息地繪圖沿海岸。
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