海域無人機(jī)全景監(jiān)視監(jiān)測技術(shù)及其應(yīng)用

王飛 陳一鶴 趙建華 王鵬 張建麗 景昕蒂

摘要：為充分利用先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，提高我國海域使用動態(tài)監(jiān)管水平，文章介紹無人機(jī)全景技術(shù)及其作業(yè)流程，并分析大筆架山海域無人機(jī)全景監(jiān)視監(jiān)測實例。研究結(jié)果表明：目前全景圖主要利用普通相機(jī)拍攝的照片經(jīng)專業(yè)圖像軟件后期處理生成，在多個行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，結(jié)合無人機(jī)的利用可大大擴(kuò)展視野，具有快速高效、安全可靠和操作簡便等優(yōu)勢，但在測量、自動化和視距等方面仍存在局限性;無人機(jī)全景圖作業(yè)主要包括方案制訂、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和圖像發(fā)布4個步驟;海域無人機(jī)全景監(jiān)視監(jiān)測工作的開展為大筆架山海域使用動態(tài)監(jiān)管提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：全景圖;遙感技術(shù);圖像拼接;航拍;海域使用動態(tài)監(jiān)管

中圖分類號：TP79;X834文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-9857（2019）10-0065-04

Panoramic Surveillance and Monitoring Technology of Unmanned Aerial Vehicle in Sea Area and Its Application

WANG Fei1，CHEN Yihe2，ZHAO Jianhua1，WANG Peng1，ZHANG Jianli1，JING Xindi1

（1National Marine Environmental Monitoring Center，Dalian 116023，China;

2Jinzhou Natural Resources Service Center，Jinzhou 121007，China）

Abstract： In order to make full use of advanced equipment and technology，improving the dynamic supervision level of China′s sea area use，this paper introduced UAV panoramic technology and its operation process，and an example of UAV panoramic surveillance and monitoring in Dabijiashan sea area was analyzed.The results showed that：at present，panorama was generated by postprocessing of professional image software using photographs taken by ordinary cameras.Application in multiple industries，combining the use of UAV could greatly expand the field of vision.It was fast，efficient，safe，reliable and easy to operate.However，there were still limitations in measurement，automation and visual distance.UAV panoramic work mainly includes 4 steps：plan formulation，data acquisition，data processing and image publishing.The panoramic monitoring and monitoring of UAVs provides strong data support for the dynamic supervision of large scale mountain waters.

Key words：Panorama，Remote sensing technology，Image mosaic，Aerial photography，Dynamic supervision of sea area use

1無人機(jī)全景技術(shù)

11全景技術(shù)

全景技術(shù)屬于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用相機(jī)拍攝的照片，通過技術(shù)模擬和還原拍攝位置的視場，使觀眾裸眼即可環(huán)視四周，獲得身臨其境的感覺，大大開闊人們的視野。

19世紀(jì)全景相機(jī)出現(xiàn)，人們以機(jī)械旋轉(zhuǎn)的方式獲取全景圖，但由于設(shè)備造價較高和圖像普遍存在形變，這種方式應(yīng)用率較低。隨著圖像拼接技術(shù)的發(fā)展，尤其是20世紀(jì)末SIFT算法的提出，利用普通相機(jī)拍攝的照片經(jīng)專業(yè)圖像軟件后期處理也能生成質(zhì)量較高的全景圖，為全景圖的廣泛應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)[1]。全景圖可在本地瀏覽或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的全景圖支持手機(jī)等多種客戶端的在線瀏覽，具有數(shù)據(jù)量小、可跨平臺和無需安裝軟件等特點(diǎn)。21世紀(jì)初，許多專業(yè)地圖軟件紛紛推出街景查看功能，全景圖被迅速熟知[2-3]，并擴(kuò)展應(yīng)用至多個行業(yè)領(lǐng)域。

基于不同的投影方式，全景圖主要包括柱面全景圖、立方體全景圖和球面全景圖。柱面全景圖僅在水平方向投影，可實現(xiàn)水平360°環(huán)視效果;立方體全景圖和球面全景圖的視野更大，可實現(xiàn)水平360°和垂直180°環(huán)視效果，但觀眾對二者的視覺感受略有不同，其中立方體全景圖的缺點(diǎn)為2個面之間的拐角不連貫，而球面全景圖的缺點(diǎn)為形變較大。目前主流應(yīng)用立方體全景圖，海域使用動態(tài)監(jiān)管宜應(yīng)用球面全景圖和立方體全景圖[4-5]。

12我國無人機(jī)的發(fā)展及其在海域動態(tài)監(jiān)管中的應(yīng)用

無人機(jī)于1914年“一戰(zhàn)”期間由英國人發(fā)明。我國民用無人機(jī)起源于20世紀(jì)80年代，至21世紀(jì)初已在測繪、國土和氣象等多個行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷成熟，以大疆無人機(jī)為代表的消費(fèi)級多旋翼無人機(jī)快速發(fā)展，因其飛行穩(wěn)定和操作簡便，得到攝影愛好者和飛行愛好者的青睞，無人機(jī)逐漸走入尋常百姓家[6]。

2011年遼寧省海域動態(tài)監(jiān)管中心率先嘗試對大連市、盤錦市和錦州市重點(diǎn)海域開展無人機(jī)航拍工作。同年年底連云港市啟動海域無人機(jī)遙感監(jiān)視監(jiān)測試點(diǎn)工作。2013年遼寧省、江蘇省和海南省啟動第一批海域無人機(jī)遙感監(jiān)視監(jiān)測基地建設(shè)工作。至2018年我國海域無人機(jī)遙感監(jiān)視監(jiān)測已初步形成業(yè)務(wù)化工作體系，每年例行對重點(diǎn)海域和區(qū)域用海規(guī)劃開展無人機(jī)遙感監(jiān)視監(jiān)測[7-8]。

13無人機(jī)全景圖的優(yōu)勢和局限性

受周圍物體的遮擋影響，采用常規(guī)方法在地面拍攝的照片視野有限，而利用無人機(jī)在空中拍攝將使視野大大擴(kuò)展。經(jīng)測試，飛行高度達(dá)到100 m時的有效視距為500～1 000 m，且拍攝的全景圖包含豐富的目標(biāo)背景信息，可更加便利和清晰地了解目標(biāo)所處環(huán)境，極大地提高監(jiān)視監(jiān)測效率，為海域使用動態(tài)監(jiān)管提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

利用無人機(jī)獲取全景圖主要具有3個優(yōu)勢。①快速高效：根據(jù)經(jīng)驗，1幅全景圖從數(shù)據(jù)獲取到發(fā)布用時僅約1 h，其中數(shù)據(jù)獲取約15 min、全景圖生成約20 min、平臺制作和發(fā)布約30 min，非常適用于應(yīng)急現(xiàn)場監(jiān)視監(jiān)測;②安全可靠：無人機(jī)主要在可視范圍內(nèi)飛行，無須規(guī)劃航線，且飛行高度較低和距離較近，事故率低;③操作簡便：利用消費(fèi)級無人機(jī)，人員無須專業(yè)訓(xùn)練即可完成飛行作業(yè)。

與此同時，利用無人機(jī)獲取全景圖主要存在3個方面的局限性。①全景圖只能用于場景展示，而無法對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，其原因是全景圖僅是對圖像的拼接，而未計算像素空間的坐標(biāo)點(diǎn)位;②由于無人機(jī)與第三方軟件存在兼容性問題，目前有效的自動獲取全景圖數(shù)據(jù)的軟件較少且價格昂貴，全景圖數(shù)據(jù)獲取以人工拍攝為主，當(dāng)目標(biāo)所在位置距無人機(jī)起飛點(diǎn)位較遠(yuǎn)或天氣條件較差時，人工拍攝工作較辛苦;③飛行高度達(dá)到100 m時的有效視距為500～1 000 m，但進(jìn)一步增加飛行高度并不能增加有效視距，因此當(dāng)目標(biāo)面積較大時，數(shù)據(jù)獲取過程中的現(xiàn)場點(diǎn)位較多，工作量較大，須合理布設(shè)點(diǎn)位。

2無人機(jī)全景圖作業(yè)流程

無人機(jī)全景圖作業(yè)主要包括4個步驟。①方案制訂：根據(jù)工作需求收集相關(guān)資料，規(guī)劃和確定空間點(diǎn)位、飛行高度和作業(yè)方式等;②數(shù)據(jù)獲取：開展現(xiàn)場調(diào)查，選擇起降場地和調(diào)整作業(yè)方案，并開展飛行作業(yè);③數(shù)據(jù)處理：對現(xiàn)場獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、預(yù)處理、拼接和成圖等;④圖像發(fā)布：通過各種平臺發(fā)布全景圖。

21外業(yè)數(shù)據(jù)獲取

外業(yè)數(shù)據(jù)主要利用旋翼無人機(jī)空中拍攝的方式獲取，在滿足飛行條件的情況下有2種數(shù)據(jù)獲取方式。

（1）以垂直方向為主要方向。①將鏡頭調(diào)整至水平方向，轉(zhuǎn)動無人機(jī)機(jī)頭，選擇1個方向并保持不動，讓鏡頭沿垂直方向向下拍攝，相鄰2張照片的重疊度不低于30%，直到鏡頭轉(zhuǎn)動至正對地面，從而完成第一組拍攝;②保持無人機(jī)位置不動，將鏡頭恢復(fù)至水平方向，轉(zhuǎn)動無人機(jī)機(jī)頭，使其畫面與第一組照片在水平方向的重疊度不低于30%，重復(fù)上述拍攝步驟，從而完成第二組拍攝。以此類推完成1個點(diǎn)位的360°拍攝。

（2）以水平方向為主要方向。①將鏡頭調(diào)整至水平方向，轉(zhuǎn)動無人機(jī)機(jī)頭，讓鏡頭沿水平方向拍攝，相鄰2張照片的重疊度不低于30%，直到無人機(jī)機(jī)頭旋轉(zhuǎn)360°，從而完成第一組拍攝;②保持無人機(jī)位置不動，向下調(diào)整鏡頭角度，使其畫面與第一組照片在垂直方向的重疊度不低于30%，重復(fù)上述拍攝步驟，直到拍攝全部角度，從而完成第二組拍攝。以此類推完成1個點(diǎn)位的拍攝。

在重疊度較低的情況下，每次須拍攝照片約30張，如在海邊建議適當(dāng)提高重疊度，以保證圖像拼接時有足夠的同名特征點(diǎn)。此外，由于缺少垂直向上的拍攝，全景圖將缺失天空信息，應(yīng)采用相同的方法拍攝天空照片或利用專業(yè)圖像軟件補(bǔ)充缺失信息。

22內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

目前全景圖的數(shù)據(jù)處理技術(shù)已較成熟，應(yīng)用較多的專業(yè)圖像軟件包括Photoshop、PTGui、Autopano Giga和Panorama Studio等。數(shù)據(jù)處理主要包括7個步驟：①選擇投影方式進(jìn)行圖像投影;②提取投影圖像的特征點(diǎn);③匹配圖像之間的特征點(diǎn);④根據(jù)匹配的特征點(diǎn)計算變換矩陣;⑤根據(jù)變換矩陣變換圖像;⑥拼接相鄰圖像;⑦生成全景圖。

對于拼接錯位較嚴(yán)重的區(qū)域，還須人工調(diào)整局部特征點(diǎn)，剔除錯誤的匹配特征點(diǎn)，增加人工特征點(diǎn)，從而保證全景圖的質(zhì)量。在實際應(yīng)用中，專業(yè)圖像軟件的自動化和智能化程度很高，通常20～60張的原始圖像約10 min即可拼接完成，大大提高工作效率。

23平臺圖像發(fā)布

全景圖完成后可通過Flash和網(wǎng)頁等形式在本地瀏覽，也可通過網(wǎng)絡(luò)平臺在手機(jī)等終端瀏覽。目前國內(nèi)主流平臺以網(wǎng)頁瀏覽為主，均提供全景圖上傳、編輯和發(fā)布服務(wù)，主要包括7項功能，用戶可根據(jù)需求選擇應(yīng)用。①上傳：將全景圖上傳至平臺進(jìn)行線上編輯;②初始視角：將全景圖某角度的初始位置作為初始視角，打開全景圖時即從該位置開始瀏覽;③熱點(diǎn)：熱點(diǎn)以圖標(biāo)的形式表現(xiàn)在全景圖中，可進(jìn)行全景圖切換以及添加文本、圖片、鏈接、音頻和視頻等操作，大大豐富全景圖的功能;④背景音樂：打開全景圖時可同時欣賞圖像和音樂，實現(xiàn)“人在景中”的效果;⑤特效：在全景圖中添加陽光和雨雪等動態(tài)渲染效果，從而烘托氣氛，展現(xiàn)逼真的現(xiàn)場環(huán)境;⑥遮罩：如全景圖數(shù)據(jù)不完整，天空或地面的中心會出現(xiàn)黑色空洞，可利用遮罩功能填補(bǔ)空洞;⑦沙盤：添加全景圖所在全部位置的圖片，類似于地圖，使觀眾了解當(dāng)前位置和視角。

3大筆架山海域無人機(jī)全景監(jiān)視監(jiān)測

遼寧省錦州市大筆架山是國家級海洋特別保護(hù)區(qū)，其“天橋”景觀是海底沙石受海水動力影響而天然形成的陸-島連接壩，隨潮水漲落時隱時現(xiàn)。隨著大筆架山海域周邊人為活動的日益增加，西側(cè)港口碼頭的修建完全阻隔西南向波浪對壩體的塑造過程，造成西側(cè)海灣的緩慢淤積，明顯改變壩體的物質(zhì)成分和地貌形態(tài)，嚴(yán)重破壞原生自然景觀[9-10]。

國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心于2018年5月對大筆架山海域開展持續(xù)5 d的無人機(jī)全景監(jiān)視監(jiān)測工作。利用的無人機(jī)為大疆精靈4 Pro V20，其動力系統(tǒng)為電動，軸數(shù)和軸距分別為4個和350 mm，最長飛行時間約30 min，最大飛行高度達(dá)6 000 m，鏡頭分辨率達(dá)2 000萬像素，完全滿足監(jiān)視監(jiān)測需求。布設(shè)點(diǎn)位覆蓋保護(hù)區(qū)全部范圍，受山體遮擋嚴(yán)重的區(qū)域點(diǎn)位布設(shè)較密集，且大部分設(shè)于拐角處，而開闊的海岸線點(diǎn)位布設(shè)則較稀疏，點(diǎn)位之間的距離根據(jù)監(jiān)視監(jiān)測需求和現(xiàn)場情況調(diào)整。

本次工作現(xiàn)場累計獲取16處場景數(shù)據(jù)和拍攝682張照片，利用全景拼接軟件拼接圖像。但是，由于該無人機(jī)的拍攝角度為水平向上30°和水平向下90°，生成的全景圖僅包括少量天空信息，仍須利用Photoshop軟件進(jìn)行補(bǔ)充，保證全景圖的完整性。全景圖制作完成后，通過“720云”客戶端發(fā)布。

作為海域使用項目事前監(jiān)管的重要組成部分，海域無人機(jī)全景監(jiān)視監(jiān)測完整記錄大筆架山整治修復(fù)前的海域和海島狀況，不僅為整治修復(fù)工作提供立體和直觀的參考資料，而且為下一步的項目事中和事后監(jiān)管打下堅實基礎(chǔ)和提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

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