無人機(jī)遙感技術(shù)在海域管理中的應(yīng)用

吳濤 張彥彥 吳立珍 趙明

摘要：無人機(jī)遙感技術(shù)是集無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)于一體的一種技術(shù)。2011年江蘇連云港首創(chuàng)將無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于海域管理，經(jīng)過近3年的實(shí)踐應(yīng)用，取得良好效果。文章以實(shí)際工作為依托，闡述了無人機(jī)遙感技術(shù)在海域管理中的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；遙感技術(shù)；海域管理；海洋開發(fā)

中圖分類號(hào)：P246 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）29-0035-03

1 概述

隨著海洋開發(fā)力度的加大，我國圍填海等近?；顒?dòng)日益頻繁，這對海域使用、海洋資源利用和保護(hù)提出了更高的管理要求，在此思路上，2011年起連云港市海域使用保護(hù)動(dòng)態(tài)管理中心與國家衛(wèi)星遙感101所、中測新圖（北京）遙感技術(shù)有限責(zé)任公司等單位合作，首創(chuàng)將無人機(jī)遙感技術(shù)引入海洋管理領(lǐng)域，充分利用無人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低、效率高等優(yōu)勢構(gòu)建立體海域監(jiān)管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)管業(yè)務(wù)信息與地理信息的高效融合，提高海域使用、海洋資源環(huán)境信息的利用率，為決策部門科學(xué)決策提供科學(xué)依據(jù)。利用無人機(jī)技術(shù)所獲取的遙感影像分辨率高達(dá)0.1m，遠(yuǎn)高于衛(wèi)星遙感影像，且彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感更新滯后的不足，提高了海洋管理部門對重點(diǎn)海域和重點(diǎn)項(xiàng)目的監(jiān)管水平，增強(qiáng)海洋綜合管控能力。文章將以工作實(shí)際為主線，詳細(xì)闡述基于無人機(jī)遙感技術(shù)在海域管理中的應(yīng)用實(shí)例。

2 總體概況

2.1 建設(shè)目標(biāo)

利用無人遙感飛機(jī)對重點(diǎn)海域監(jiān)管應(yīng)用試點(diǎn)，并結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)、航空航天遙感技術(shù)、低空無人機(jī)遙感技術(shù)及地面勘察技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從高空到地面全方位的海域立體監(jiān)管。通過示范區(qū)的建設(shè)與試點(diǎn)，建立三維海域動(dòng)態(tài)監(jiān)測流程與技術(shù)方法，為應(yīng)對海上發(fā)事故、實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)用海項(xiàng)目的高精度監(jiān)測提供新手段。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

2.2.1 無人機(jī)海域海島遙感影像獲取及無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理。建設(shè)海域無人機(jī)低空遙感測繪系統(tǒng)，采用測繪型無人機(jī)，獲取連云港市沿海岸帶全部約400km2范圍（示范區(qū)航攝面積約35km2）。

采用遙感影像快速處理系統(tǒng)，對無人機(jī)影像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要包括空中三角測量、數(shù)字高程模型編輯制作、數(shù)字正射影像制作以及制圖數(shù)據(jù)。

2.2.2 連云港市重點(diǎn)海域三維模型構(gòu)建。建設(shè)重點(diǎn)海域區(qū)域建筑物三維立體模型，實(shí)現(xiàn)三維可視化。

2.2.3 探索無人機(jī)遙感在海域監(jiān)管的應(yīng)用。探索無人機(jī)在海域監(jiān)管的應(yīng)用技術(shù)，建立海域無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)規(guī)程等。

2.3 任務(wù)區(qū)概況

連云港市東部沿海區(qū)域，整個(gè)地勢自西北向東南傾斜，境內(nèi)平原、海洋、高山齊全，河湖、丘陵、灘涂俱備。東部沿海平原海拔3～5m，主要為山前傾斜平原、洪水沖積平原及濱海平原三類，總面積5409km2，約占連云港市土地面積70%。沿海主要是700km2鹽田及480km2灘涂。沿海島礁共21個(gè)，其中島嶼9個(gè)，面積為6.06km2。具體為東西連島、鴿島、竹島、羊山島、開山島、秦山島、車牛山島、達(dá)山島、平島等，其中東西連島為江蘇第一大海島，面積達(dá)5.4km2。

北部海域各基巖島的岸線曲折，水深陡峭，山體拔海而起。由于跨海西大堤的建成，東西連島南岸的大路口南灣及廟前灣一帶岸線的泊位條件及水深條件比較好，成為連云港港口岸線規(guī)劃的一部分，規(guī)劃為泊位、碼頭、倉儲(chǔ)或其他用途。

無人機(jī)遙感影像整體攝區(qū)范圍約397km2，示范區(qū)位于連云港市東部沿海區(qū)，面積約35km2。航攝示范區(qū)內(nèi)最高海拔450m，整個(gè)攝區(qū)沿海岸線向海里延伸800m，向內(nèi)陸2000m，山地延伸1500m。沿海大面積分布的港口、碼頭地勢平坦，其他區(qū)域以丘陵地為主。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 技術(shù)路線

技術(shù)路線如圖1所示：

3.2.2 無人機(jī)航攝作業(yè)實(shí)施。無人機(jī)航攝作業(yè)主要包括現(xiàn)場踏勘資料收集、航攝設(shè)計(jì)、飛行實(shí)施、成果整理提交等。

（1）資料收集、現(xiàn)場踏勘、資料準(zhǔn)備。收集航攝區(qū)域的高分辨率衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，用于無人機(jī)遙感影像獲取航攝設(shè)計(jì)與任務(wù)規(guī)劃；在航攝飛行前，進(jìn)行示范區(qū)現(xiàn)場踏勘，選擇地面平整、空曠的地點(diǎn)進(jìn)行無人機(jī)起飛降落。由于攝區(qū)覆蓋面積較大，在飛行過程中需要轉(zhuǎn)場完成飛行，找到3個(gè)場地作為起飛場地完成飛行。起飛場地空域比較合適，路面比較平整，適合無人機(jī)的起降，在無人機(jī)作業(yè)時(shí)，將道路兩端封閉，在無人機(jī)起飛后道路進(jìn)行放行，無人機(jī)著陸時(shí)，提前十分鐘將道路封閉，盡量滿足無人機(jī)的起降要求，又不影響道路的正常運(yùn)行。

（2）航攝設(shè)計(jì)。無人機(jī)一般都是執(zhí)行小區(qū)域的數(shù)碼航攝，與傳統(tǒng)航攝不同的是在航線設(shè)計(jì)時(shí)無需考慮地球曲率變化，也無需非常準(zhǔn)確地知道地面點(diǎn)高程。傳統(tǒng)航攝有明確的操作規(guī)范和流程，必須使用1∶10000或1∶50000地形圖或利用已有的DEM進(jìn)行基準(zhǔn)面的設(shè)計(jì)，必要時(shí)（高差大于1/4航高時(shí)）需設(shè)定攝影分區(qū)，必要時(shí)也可設(shè)定加密分區(qū)。對于低空數(shù)碼航攝而言，一般情況下，已知攝區(qū)四角坐標(biāo)即可進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。

第一，航攝分區(qū)劃分。由于航攝范圍較大，將攝區(qū)進(jìn)行分區(qū)，各分區(qū)范圍如圖2所示：

圖2 無人機(jī)航攝分區(qū)示意圖

第二，航攝設(shè)計(jì)成果。連云港示范區(qū)航攝飛行面積35km?，連云港海岸帶航攝飛行設(shè)計(jì)總面積為362.96km?。根據(jù)航攝范圍，以及地面分辨率要求，結(jié)合當(dāng)?shù)氐母叱?，分別進(jìn)行航攝設(shè)計(jì)。

第三，航線設(shè)計(jì)檢查。航線設(shè)計(jì)完成后，必須進(jìn)行設(shè)計(jì)情況的檢查，即主要檢查攝區(qū)最高點(diǎn)的重疊度情況和最低點(diǎn)的地面分辨率。設(shè)計(jì)時(shí)，在保證不超過最大解析度的情況下，適當(dāng)抬高基準(zhǔn)面以保證航向和旁向重疊度。設(shè)計(jì)完后，應(yīng)計(jì)算攝區(qū)最高處重疊度和最低處地面分辨率。具體公式如下：

3.3 無人機(jī)海域遙感數(shù)據(jù)處理

本項(xiàng)目無人機(jī)數(shù)據(jù)處理主要基于PixelGrid軟件。高分辨率遙感影像一體化測圖系統(tǒng)PixelGrid作為衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)處理的能力和效率在生產(chǎn)過程中已經(jīng)得到了很好的驗(yàn)證，具有適用范圍廣、處理效率高等特點(diǎn)。

收集航攝資料成果、外業(yè)像控點(diǎn)進(jìn)行無人機(jī)數(shù)據(jù)處理，主要包括空三加密、DEM制作、DOM制作等處理環(huán)節(jié)，其作業(yè)流程如圖3所示：

圖3 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

3.3.1 資料收集整理。在無人機(jī)數(shù)據(jù)處理前需要收集原始無人機(jī)影像數(shù)據(jù)、相機(jī)檢校文件、控制資料、航線結(jié)合表（航線索引圖，包括飛行信息）等。

（1）影像數(shù)據(jù)整理。按航線整理無人機(jī)原始數(shù)據(jù)，影像格式可以為JPG、BMP、TIF等。

（2）相機(jī)檢校文件。相機(jī)檢校文件主要用于無人機(jī)數(shù)據(jù)畸變差改正。主要檢校參數(shù)包括相機(jī)像主點(diǎn)坐標(biāo)、相機(jī)焦距、像元大小、徑向畸變差系數(shù)（K1、K2）、切向畸變差系數(shù)（P1、P2）、CCD非正方形比例系數(shù)α、CCD非正交性的畸變系數(shù)β、像方坐標(biāo)系等（其單位為像素或毫米）。

（3）外業(yè)控制資料。外業(yè)控制資料包括外業(yè)實(shí)測控制點(diǎn)數(shù)據(jù)（測區(qū)控制點(diǎn)之記、控制點(diǎn)坐標(biāo)文件、外業(yè)現(xiàn)場照片）。收集到連云港示范區(qū)外業(yè)實(shí)測像控點(diǎn)

46個(gè)。

（4）航線結(jié)合表。航線結(jié)合表包括航線索引圖、飛行方向及飛行架次等。

3.3.2 空中三角測量。空中三角測量是為數(shù)字高程模型和正射影像等產(chǎn)品制作提供影像外方位元素及定向控制點(diǎn)，主要作業(yè)過程分為影像畸變差改正等影像預(yù)處理、相對定向構(gòu)建自由網(wǎng)、控制點(diǎn)量測、區(qū)域網(wǎng)平差。根據(jù)連云港測區(qū)內(nèi)地區(qū)地形特點(diǎn)，分為地物紋理豐富海岸地區(qū)和紋理稀少的灘涂及海水兩種地區(qū)，在數(shù)據(jù)處理中，分別采取不同的空三加密方法。

基于遙感影像快速影像處理系統(tǒng)PixelGrid，空中三角測量處理流程如下：

（1）建立測區(qū)目錄及準(zhǔn)備測區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：測區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)文件*.tif（畸變改正后影像），測區(qū)信息文件*.img、數(shù)碼相機(jī)文件*.cmr、控制點(diǎn)大地坐標(biāo)信息文件*.grd。

（2）生成金字塔影像，導(dǎo)入相機(jī)參數(shù)，自動(dòng)內(nèi)

定向。

（3）在加密區(qū)內(nèi)航線間選取航線拼接點(diǎn)、每張航片選取標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位點(diǎn)及地面控制點(diǎn)或進(jìn)行人工干預(yù)。

（4）進(jìn)行相對定向，即自動(dòng)匹配內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)、構(gòu)建自由網(wǎng)。

（5）在經(jīng)過多次人工修測人工點(diǎn)的粗差后、刪除或修測航線連接點(diǎn)、地面定向點(diǎn)、檢查點(diǎn)中的粗差點(diǎn)。

（6）將航片外方位元素作為觀測值導(dǎo)入作為初始值，與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合多項(xiàng)式整體平差和光束法整體平差。

（7）輸出最后空三加密成果。

3.3.3 產(chǎn)品制作。

（1）DEM生產(chǎn)制作。采集測區(qū)中必要的特征點(diǎn)、線，構(gòu)建三角網(wǎng)并內(nèi)插生成規(guī)則格網(wǎng)的DEM，格網(wǎng)間距為1m。

（2）DOM生產(chǎn)制作。將采集后的DEM按一定區(qū)域進(jìn)行拼接，然后利用加密成果對原始影像進(jìn)行數(shù)字微分糾正，最后拼接和裁切。按公里格網(wǎng)分幅，文件命名與DEM一致后加DOM，對于示范區(qū)內(nèi)的水域部分按正常分幅，用海面填充。

4 結(jié)語

（1）通過無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用于海域管理，首次將無人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)應(yīng)用于海域監(jiān)視監(jiān)測領(lǐng)域，為海域監(jiān)管水平，應(yīng)對海域監(jiān)視監(jiān)測突發(fā)事故、對重點(diǎn)用海項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測，提供了新手段和途徑。

（2）研究解決了稀少（無）控制的無人機(jī)低空遙感影像處理關(guān)鍵技術(shù)，并以海域使用監(jiān)管應(yīng)用為基礎(chǔ)，擴(kuò)展應(yīng)用至其他部門，發(fā)揮地理信息技術(shù)在海域使用監(jiān)視監(jiān)測信息化建設(shè)中的重要作用。

（3）研究形成一套完整的無人機(jī)海域監(jiān)管流程，為無人機(jī)在海域監(jiān)管領(lǐng)域中的應(yīng)用提供作業(yè)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] 百度百科：http：//baike.baidu.com/view/2996994.htm？fr=aladdin.

作者簡介：吳濤（1981-），男，安徽壽縣人，連云港市海域使用保護(hù)動(dòng)態(tài)管理中心科長，中級(jí)工程師，碩士，研究方向：海域管理與海洋技術(shù)。