無人機正射影像輔助無人船測深作業(yè)方法探討

欒 天,聶仁奇

(1.青島市勘察測繪研究院,山東 青島266000；2.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司,山東 青島266032；3.青島市海陸地理信息集成與應(yīng)用重點實驗室,山東 青島266032)

近年來,搭載單波束測深儀的無人船被越來越廣泛地應(yīng)用于近海與內(nèi)水的水深測量工作中,相較于傳統(tǒng)測量船測深,無人船具有操作簡便、吃水淺、機動性高等優(yōu)點,能夠大大降低作業(yè)成本和勞動強度[1],尤其在淺水區(qū)和小型獨立水域作業(yè)相較于傳統(tǒng)測量船具有明顯優(yōu)勢[2],結(jié)合RTK三維定位技術(shù)與無驗潮測深模式的推廣[3-4],無人船測深技術(shù)也日益成熟。對于無人船測深的實際應(yīng)用,國內(nèi)學(xué)者進行了大量的研究與實踐[5-7]。在測區(qū)面積較大且存在岸線邊界、出露淺灘、礁石、漁網(wǎng)區(qū)、水上設(shè)施等障礙物的復(fù)雜水域環(huán)境下,無人船測深系統(tǒng)作業(yè)模式受到限制,當(dāng)操控者與無人船相距過遠(yuǎn)或無人船不在操控者視線范圍內(nèi)時,操控者難以判斷無人船與周邊障礙物的相對位置關(guān)系,會導(dǎo)致測繪工作難以完成。本研究提出了一種利用無人機正射影像輔助無人船測深的方法,采用無人機快速采集并拼接完成正射影像,以正射影像作為底圖劃定測繪邊界及水上障礙物范圍并據(jù)此規(guī)劃設(shè)計無人船自動航行路線,并開展了應(yīng)用實踐,證明了該方法能有效提高無人船測深作業(yè)效率并保障無人船的作業(yè)安全。

1 無人船測深系統(tǒng)

無人船測深系統(tǒng)由岸基控制系統(tǒng)與測深船兩部分組成[8]。岸基控制系統(tǒng)一般由通信基站、遙控器以及導(dǎo)航測深所需要的筆記本電腦組成(圖1),若采用單基站RTK方式定位,則岸基還需增加RTK基站等輔助設(shè)施。測深船集成了主控系統(tǒng)、GPS、羅盤、測深儀、電源、推進部件以及用于輔助航行的攝像頭、避障雷達等。

圖1 無人船測深系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagra m of the un manned ship sounding system

無人船測深作業(yè)模式包括自動航行和手動遙控兩種:自動航行是無人船在大、中型水域作業(yè)時的主要模式,通過DXF格式坐標(biāo)文件或衛(wèi)星影像圖中劃定測區(qū),根據(jù)測區(qū)范圍在導(dǎo)航軟件中規(guī)劃自動航行路線(圖2),按照設(shè)計航線自動進行航行測量；手動遙控主要用于無需布設(shè)測線的小型水域和作為自動航行未到達的周邊不規(guī)則區(qū)域的補充測繪手段,在實際工作中一般需2種方式結(jié)合使用。

無人船的遙控人員無需登船進行導(dǎo)航,大大降低了人的勞動強度和安全風(fēng)險。在復(fù)雜水域中,傳統(tǒng)測量船導(dǎo)航人員可根據(jù)岸線、水上水下障礙物與船的相對位置關(guān)系隨時修正航行線路,而無人船雖然配備了衛(wèi)星影像圖作為工作底圖來輔助測繪,但由于衛(wèi)星影像圖中水位與實際存在差異,且更新慢、分辨率低,常常無法滿足復(fù)雜水域環(huán)境的測區(qū)劃定和測線布設(shè)需求。

實際操作中需要采用手動遙控模式,圈定測區(qū)岸線邊界和水中障礙物范圍來解決上述問題,導(dǎo)致操控者需跟隨無人船移動,不僅增大了工作量,當(dāng)岸區(qū)條件惡劣時還增加了作業(yè)安全風(fēng)險。對于相對靠近岸邊的出露淺灘、礁石等水上障礙物能夠粗略圈定,而遠(yuǎn)離岸邊的水上障礙物則無法進行測繪。

圖2 測區(qū)劃定與測線布設(shè)Fig.2 Delineation of the surveying area and t he layout of the sur veying lines

2 無人機正射影像輔助無人船測深

2.1 無人機正射影像獲取

無人機技術(shù)因其靈活、快速且不受地形、環(huán)境等條件制約的特點,被廣泛應(yīng)用于大比例尺測繪中,且均取得了較好的成果[9]。利用無人機航空攝影獲取的正射影像替代衛(wèi)星影像輔助無人船測深,可以有效地解決復(fù)雜水域無人船測深的測線布設(shè)問題,其優(yōu)點在于現(xiàn)勢性與高分辨率:在無人船測量開始前的踏勘和控制布設(shè)階段根據(jù)水域復(fù)雜程度進行無人機的航空攝影。由于正射影像僅用于自動航行線路設(shè)計,其平面精度要求較低,因此對像控點數(shù)量、像控點布設(shè)方法、無人機航高、航向重疊范圍和天氣等要求也相對較低,目前國內(nèi)能夠?qū)o人機正射影像進行處理的軟件較多,精度及可靠性也均可保證[10]。

2.2 自動航行線路設(shè)計

經(jīng)像控點糾正和拼接后生成的正射影像成果即可作為自動航行線路設(shè)計的工作底圖,輔助進行岸線及水上障礙物范圍線的圈定。范圍線圈定應(yīng)綜合考慮定位精度、船體大小、航速、轉(zhuǎn)彎半徑、流速等因素以確保航行安全。在利用影像圈定的范圍線內(nèi)進行自動航行線路設(shè)計,對軟件生成的自動航行線路進行人工干預(yù)調(diào)整以提高作業(yè)效率和安全系數(shù)。

2.3 水位控制

水位的控制是此方法得以實現(xiàn)的重要保證,無人船測深作業(yè)水位不應(yīng)低于正射影像獲取水位。對于水位受潮汐影響巨大的海上作業(yè)區(qū),應(yīng)在正射影像獲取時記錄水位,在水位不低于正射影像拍攝水位時進行作業(yè),或根據(jù)水位適當(dāng)縮小測量范圍,以保證作業(yè)安全。在水位短期內(nèi)處于穩(wěn)定的水域,如河流、水庫、湖泊等影響較小。

3 實踐應(yīng)用

借助2019年開展的山東省大型水庫1∶2 000水下及近岸地形測量項目,開展了無人機正射影像輔助無人船測深技術(shù)在水庫水下地形測量和近岸地形測量的應(yīng)用實踐。實踐位置選在位于山東費縣的許家崖水庫,水庫面積約為29.36 k m2,水庫中存在大量被堤壩、橋梁等分割的小型獨立水域,常規(guī)測量船難以進入,極為適合無人船進行測深作業(yè)。位于水庫中心位置的一處大面積淺灘為本次實驗測區(qū)。

3.1 正射影像采集

在許家崖水庫使用烏克蘭進口AEROS-912動力三角翼飛機執(zhí)行航空攝影任務(wù),使用RIGEL VUX-1機載激光雷達系統(tǒng)執(zhí)行航攝,集成索尼A7R2相機,作業(yè)飛行高度可達1 000 m、絕對高程精度可達5 c m、多次回波、點頻可達600 k Hz、滿足大比例尺測圖要求,最終獲取了地面分辨率0.07 m正射影像。

3.2 無人船作業(yè)

項目采用了云洲SE40與華微5號兩種類型的無人船進行試驗作業(yè),兩艘無人船長度均為1.6 m,搭載電池及配件后總重量不超過40 kg,船體及測深儀吃水在0.2 m以內(nèi),均為輕便靈活、運輸方便的小型測量無人船,2名作業(yè)人員可以較為輕松地完成全部工作。在風(fēng)浪較小的水域,無人船實地自動航行軌跡線與設(shè)計測線間距誤差可達10～20 c m以內(nèi),是傳統(tǒng)測量船難以達到的。

根據(jù)衛(wèi)星影像圖(圖3)顯示,距離許家崖水庫岸邊約300 m有一處約215 m×60 m的淺灘,在高水位時該淺灘可完全淹沒在水中,在低水位時露出水面,遙控人員無法判斷其與無人船相對位置,本研究使用項目已獲取的地面分辨率0.07 m正射影像嘗試解決這一問題。

圖3 不同時期許家崖水庫衛(wèi)星影像Fig.3 Satellite i mages of the Xujiaya Reser voir in different periods

圖4為本次所獲取的正射影像,水涯線、水下淺灘礁石均較為清晰,出露淺灘南側(cè)存在人工養(yǎng)殖池,養(yǎng)殖池延伸至岸邊,此區(qū)域較難判定是否存在行船風(fēng)險,在圈定作業(yè)范圍線時先將此區(qū)域扣除,同時作業(yè)范圍線盡量避開水下淺灘、水下礁石,經(jīng)圖上測量,作業(yè)范圍線距離水涯線均在10～20 m。將劃定好的作業(yè)范圍線導(dǎo)入隨機軟件,按照20 m間距進行測線布設(shè),對生成的自動航行線路進行規(guī)劃設(shè)計(圖5),優(yōu)化航行路線并減少航行風(fēng)險,其中在最南側(cè)節(jié)點38-39處,無人船將自西向東穿越人工養(yǎng)殖池,此區(qū)域自動航行存在風(fēng)險,在實際操作時切換為手動模式進行穿越,在抵達39節(jié)點后切換回自動模式完成剩余測線,完成全部測繪工作后返回Ho me點。無人船外業(yè)數(shù)據(jù)采集前利用GPS-RTK方式測定水面高程,確定實時水位不低于正射影像采集時水位。

圖4 2019-07許家崖水庫正射影像Fig.4 Orthophoto of the Xujiaya Reservoir in July 2019

圖5 無人船自動航行線路Fig.5 Auto matic navigation route of the un manned ship

圖6為本次無人船所采集數(shù)據(jù)與機載LIDAR獲取的水上點云數(shù)據(jù)拼接整飾后生成的數(shù)字線劃圖,水下高程數(shù)據(jù)與水涯線間距在20～30 m,基本能夠達到1∶2 000比例尺水下地形圖圖上1 c m的要求,通過無人船采集數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測量船覆蓋區(qū)域檢核比對,測量誤差滿足精度要求。

圖6 許家崖水庫數(shù)字線劃Fig.6 Digital line drawing of the Xujiaya Reservoir

4 結(jié) 論

本研究提出了一種利用無人機正射影像輔助無人船測深的海天一體化作業(yè)方法,并對許家崖水庫中心區(qū)域進行了測繪實踐應(yīng)用,實踐結(jié)果表明,該方法能夠最大限度完成復(fù)雜水域的測繪任務(wù)并保障無人船的安全。研究得出以下結(jié)論:

1)目前無人船大多采用衛(wèi)星影像圖作為自動航行線路設(shè)計的工作底圖,但由于衛(wèi)星影像圖更新慢、分辨率低,且水位與實際存在差異,工作中常常無法滿足復(fù)雜水域環(huán)境測深作業(yè)需求,利用無人機正射影像作為無人船自動航行線路設(shè)計的工作底圖能夠解決以上問題。

2)利用高地面分辨率無人機正射影像結(jié)合對水位的控制能夠保證無人船在復(fù)雜水域中獲取的高程數(shù)據(jù)達到1∶2 000比例尺水下地形圖的測點間距要求。

3)采用此方法設(shè)計的無人船自動航行路線能夠有效避開復(fù)雜水域中的水上、水下障礙物,保障無人船的航行安全。同時自動航行路線設(shè)計完全在內(nèi)業(yè)工作中實現(xiàn),節(jié)約了外業(yè)現(xiàn)場手動航行圈定測繪邊界及水上障礙物范圍的時間,提高了作業(yè)效率。

4)無人機與無人船均具有輕便靈活、自動化、高效率的特點,各自在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用已非常普遍,將二者結(jié)合使用,能夠?qū)崿F(xiàn)水上水下一體化測繪,是“無人時代”海洋測繪發(fā)展的方向之一。