基于無人機(jī)平臺的海域監(jiān)管關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用

雷伊娉 李學(xué)恒 雷靜 劉雯婷

摘要：隨著無人機(jī)測繪技術(shù)的迅速發(fā)展，其在近海海域監(jiān)管領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。文章介紹無人機(jī)高精度定位和傾斜攝影關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，開展海面和海岸一體化的近海海域綜合監(jiān)測應(yīng)用。研究結(jié)果表明：無人機(jī)測繪技術(shù)能夠滿足監(jiān)測作業(yè)的精度要求，極大地提高海域監(jiān)測智能化的程度，其應(yīng)用可為廣州市海域監(jiān)管提供實(shí)時(shí)有效的數(shù)據(jù)支撐，并為海洋資源的可持續(xù)發(fā)展提供有力的技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);海域監(jiān)管;海洋測繪;航攝;三維模型

中圖分類號：P23;P715文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1005-9857（2019）12-0076-04

The Key Technologies of Sea Area Supervision Based on UAV Platform and Its Application

LEI Yiping1，LI Xueheng1，LEI Jing2，LIU Wenting3

（1Geological Survey of Guangzhou，Guangzhou 510440，China;

2Guangdong Institute of Standardization，Guangzhou 510220，China;

3Guangzhou Development Fuel Port Co，Ltd，Guangzhou 510457，China）

Abstract：With the rapid development of UAV mapping technology，it is playing an increasingly important role in the field of offshore supervision.This paper introduced the key technologies of UAV highprecision positioning and tilt photography，and carried out the integrated offshore monitoring application of sea surface and coast by combining advanced computer software technology and database management technology.The application results showed that UAV mapping technology could meet the requirements of monitoring accuracy and greatly improve the intelligence of sea area monitoring.The application of UAV mapping technology provided realtime and effective data support for the supervision of Guangzhou sea area and provided a strong technical guarantee for the sustainable development of the utilization of marine resources.

Key words：Unmanned aerial vehicle，Sea area supervision，Marine surveying and mapping，Aerial photography，Threedimensional model

0引言

隨著“一帶一路”建設(shè)的深入實(shí)施，我國海洋事業(yè)蓬勃發(fā)展，近海海域使用需求持續(xù)增長，用海規(guī)模不斷擴(kuò)大，行業(yè)用海矛盾日益突出，依靠傳統(tǒng)的人力手段開展大面積的近海海域監(jiān)管已無法滿足現(xiàn)實(shí)需求。無人機(jī)航測技術(shù)是空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，憑借無人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、高效快速和成本低廉的特點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于海洋測繪、海域監(jiān)管和海島巡查等領(lǐng)域。隨著無人機(jī)搭載的專用設(shè)備和系統(tǒng)智能化程度的不斷提高，無人機(jī)在近海海域監(jiān)管領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用[1-2]。

1關(guān)鍵技術(shù)

11無人機(jī)高精度定位

無人機(jī)在監(jiān)管作業(yè)中的飛行航線依賴于導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可根據(jù)定位系統(tǒng)獲取的信息讓無人機(jī)在指定時(shí)間內(nèi)完成航測任務(wù)，其精準(zhǔn)度與所搭載設(shè)備的定位技術(shù)直接相關(guān)。以載波相位差分技術(shù)（RTK）為核心的高精度衛(wèi)星定位技術(shù)的運(yùn)用，不僅實(shí)現(xiàn)高精度（厘米級）定位，而且極大減少傳統(tǒng)海域測繪作業(yè)中的“搬站”次數(shù)，提高了作業(yè)效率[3-5]。同時(shí)，與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，基于高精度 RTK技術(shù)的無人機(jī)作業(yè)具有數(shù)據(jù)可靠性高、累計(jì)誤差低和作業(yè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)測繪技術(shù)較難作業(yè)的區(qū)域可輕松作業(yè)。

無人機(jī)機(jī)載RTK集成系統(tǒng)如圖1所示。

（1）衛(wèi)星接收單元。衛(wèi)星接收單元利用有源天線，將接收的衛(wèi)星信號放大、濾波和限幅，將修正后的衛(wèi)星定位信號完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入相關(guān)器，再經(jīng)過一系列的載波和信號剝離，完成信號的捕獲、跟蹤和數(shù)據(jù)同步。

（2）實(shí)時(shí)解算單元。RTK實(shí)時(shí)解算過程是基準(zhǔn)站與流動(dòng)站同步觀測所有可見衛(wèi)星，基準(zhǔn)站將其精確的位置信息與載波相位觀測值通過數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)搅鲃?dòng)站，流動(dòng)站將來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)信息和自身接收到的來自同一組衛(wèi)星的觀測信息組成差分觀測值，通過基線解算方法獲得流動(dòng)用戶接收機(jī)的精確空間坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位[6]。為提高定位精度，還須進(jìn)行衛(wèi)星信號整周模糊度解算、周期跳變探測和修復(fù)以及誤差參數(shù)減小和消除等步驟。

（3）控制單元?？刂茊卧捎酶咝阅芴幚砥骱蛢?nèi)存，內(nèi)部集成大容量的EMMC，確保具有足夠的數(shù)據(jù)處理能力。采用平臺化的移植嵌入式系統(tǒng)，將各功能模塊通過驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)控制和管理，對于不同需求采用不同應(yīng)用軟件，完成相應(yīng)的軟件功能，以增強(qiáng)設(shè)備的擴(kuò)展性和易用性。

（4）無線鏈路。采用藍(lán)牙、WIFI、4G和UHF電臺等多種數(shù)據(jù)鏈，確保在不同的應(yīng)用場景都有合適的數(shù)據(jù)鏈，保障數(shù)據(jù)通信。

（5）終端。使用Web UI功能設(shè)置終端接收機(jī)，通過手機(jī)等設(shè)備打開無線網(wǎng)絡(luò)，查找主機(jī)編號命名的熱點(diǎn)并連接，可查看設(shè)備的工作狀態(tài)和坐標(biāo)等信息以及設(shè)備的編號、硬件版本、BOOT版本和固件信息等驅(qū)動(dòng)信息，同時(shí)提供測繪數(shù)據(jù)下載等功能。

12無人機(jī)傾斜測繪

在近海海域使用設(shè)施和海島等監(jiān)管領(lǐng)域，須對相關(guān)地貌和地物進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)監(jiān)測，而面對廣闊和復(fù)雜的地貌和地物，傳統(tǒng)測繪技術(shù)存在時(shí)效性不強(qiáng)、作業(yè)效率低以及人力和物力耗費(fèi)大等不足。利用無人機(jī)多鏡頭傾斜攝影測繪技術(shù)，可通過高效數(shù)據(jù)采集設(shè)備和專業(yè)數(shù)據(jù)處理流程生成數(shù)據(jù)成果，直觀地反映地貌和地物的外觀、位置和高度等屬性，可大范圍、高精度和高清晰度地全面感知復(fù)雜場景并建模[7-9]。同時(shí)，該技術(shù)的運(yùn)用大大降低數(shù)據(jù)采集的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本，減少操作人員，可在海域地貌和地物監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

無人機(jī)多鏡頭傾斜攝影測繪技術(shù)是在無人機(jī)平臺上搭載多臺攝影傳感器，采用等距拍攝的方式，從垂直和傾斜多個(gè)不同角度采集地貌和地物影像，并通過先進(jìn)定位、融合和建模等技術(shù)生成地貌和地物的三維模型[10]。

無人機(jī)多鏡頭傾斜攝影測繪系統(tǒng)如圖2所示。

（1）無人機(jī)多鏡頭傾斜攝影采集技術(shù)。在無人機(jī)飛行平臺上同時(shí)搭載多臺攝影傳感器，在航攝作業(yè)中從垂直地面的角度拍攝獲取影像的正攝影片，同時(shí)通過與地面形成一定夾角的鏡頭拍攝獲取影像的傾斜影片，實(shí)現(xiàn)多角度獲取地貌和地物的完整精確信息。

（2）無人機(jī)傾斜攝影紋理映射技術(shù)。該技術(shù)基于多鏡頭傾斜航攝三維重建自動(dòng)紋理映射的方法，主要分為幾何建模和紋理映射2個(gè)步驟。通過計(jì)算影像覆蓋范圍，找到包含目標(biāo)地貌和地物的所有影像，通過刺點(diǎn)獲得其像點(diǎn)量測坐標(biāo)并轉(zhuǎn)成像平面坐標(biāo)，然后通過多基線前方交會的方法構(gòu)建地貌和地物白模。利用視角法優(yōu)選成像角度好的影像作為紋理數(shù)據(jù)源，對優(yōu)選的紋理影像進(jìn)行幾何糾正，利用反解法數(shù)字微分糾正的方法處理，即可得到最終的地貌和地物的紋理影像。

（3）三維模型修飾。三維模型修飾主要用于修補(bǔ)海域水面區(qū)域出現(xiàn)的空洞。由于水面為平面，可利用獲取的邊界，通過構(gòu)建三角網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)修補(bǔ)。對于因航攝死角而出現(xiàn)的空洞，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法直接構(gòu)建三角網(wǎng)進(jìn)行修補(bǔ)，可在作業(yè)過程中采用Delaunay三角網(wǎng)進(jìn)行地形擬合，以實(shí)現(xiàn)三角網(wǎng)重構(gòu)。

（4）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。為提升圖像三維重建效率，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控臺引擎端，即主從模式網(wǎng)格計(jì)算系統(tǒng)。主控臺可通過圖形用戶接口，向軟件定義輸入數(shù)據(jù)、設(shè)置處理過程、提交過程任務(wù)、監(jiān)控任務(wù)處理過程以及將處理結(jié)果可視化等。

2技術(shù)應(yīng)用

運(yùn)用無人機(jī)獲取遙感和測繪等大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過海域監(jiān)管系統(tǒng)平臺的采集、建庫、處理、分析、更新、建模和數(shù)據(jù)查詢一體化處理，可為海域海島和海岸線資源調(diào)查、分類管理和保護(hù)利用以及自然岸線認(rèn)定和保有率統(tǒng)計(jì)等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，及時(shí)和準(zhǔn)確掌握重要海域海島和海岸線的動(dòng)態(tài)變化。

21方案設(shè)計(jì)

坐標(biāo)系統(tǒng)采用2000國家大地坐標(biāo)系（CGCS 2000），在高斯克呂格3°帶投影、中央經(jīng)線114°E、地面分辨率不低于10 cm和低潮期開展航攝作業(yè)。正攝遙感影像以Geo Tiff格式輸出成果，三維建模以*sxd和*3mx格式輸出成果并提交數(shù)字高程模型（DEM）。

采用的設(shè)備和軟件主要包括：①大面積航攝的飛行平臺采用天寶UX5無人機(jī)，固定翼類型，翼展為1 000 mm，機(jī)長為650 mm，續(xù)航時(shí)間為50 min，正常速度為80 kmh，彈射起飛，機(jī)腹著落，搭載相機(jī)為2 400萬像素，焦距為15 mm;②小面積航攝的飛行平臺采用大疆PHANTOM 4 PRO無人機(jī)，四旋翼類型，續(xù)航時(shí)間為30 min，搭載相機(jī)為2 000萬像素;③像控點(diǎn)設(shè)備采用Trimble SPS 985，RTK測量的水平精度和垂直精度均為8 mm+05 ppm RMS;④正射影像的數(shù)據(jù)處理采用Trimble UA Smaster軟件，三維傾斜影像的數(shù)據(jù)處理采用Context Capture軟件。

采用天寶SPS 985接收機(jī)，通過省級CORS網(wǎng)進(jìn)行像控點(diǎn)數(shù)據(jù)采集。采用天寶無人機(jī)和大疆無人機(jī)進(jìn)行外業(yè)航攝數(shù)據(jù)采集，并通過專業(yè)軟件處理生成正射影像和三維模型。作業(yè)流程如圖3所示。

22應(yīng)用成果

運(yùn)用無人機(jī)高精度定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對近海海域使用規(guī)劃的精確測繪。通過測繪數(shù)據(jù)的處理和輸出，可為近海海域使用規(guī)劃提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)性資料。例如：某用海單位申請使用某近海海域，申請面積為74162 3 hm2，無人機(jī)實(shí)地測算面積為74163 5 hm2，二者差值僅為0001 2 hm2，滿足精度和實(shí)際使用要求（圖4）。

運(yùn)用無人機(jī)多鏡頭傾斜攝影技術(shù)，可有效獲取近海海域資源環(huán)境、地貌和地物、功能區(qū)劃以及保護(hù)和開發(fā)利用等信息，為近海海域綜合管理提供信息和技術(shù)支撐。

3結(jié)語

無人機(jī)高精度定位技術(shù)和無人機(jī)多鏡頭傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展非常迅速，以其直觀、精確和三維空間分析等優(yōu)勢，被逐漸推廣至許多行業(yè)領(lǐng)域，并逐步成為空間地理信息數(shù)據(jù)框架的重要內(nèi)容。我國近海海域監(jiān)管在無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用方面尚處于起步階段，但應(yīng)用需求廣闊。與傳統(tǒng)海域監(jiān)管技術(shù)相比，無人機(jī)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，不僅滿足精度要求，而且高效快速，將為近海海域監(jiān)管工作提供巨大幫助，有力推動(dòng)我國海洋事業(yè)的發(fā)展。

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