無人機遙感系統(tǒng)在岸線勘測中的應用

麻德明，鄧才龍，徐文學，田梓文，劉焱雄

(1.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院 青島 266100)

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無人機遙感系統(tǒng)在岸線勘測中的應用

麻德明1,2，鄧才龍1，徐文學1，田梓文1，劉焱雄1

(1.國家海洋局第一海洋研究所 青島 266061； 2.中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院 青島 266100)

文章介紹了無人機遙感系統(tǒng)的主要組成和作業(yè)流程，重點探討了無人機遙感在岸線勘測中的關鍵技術，并以青島小島灣為例，開展了基于無人機影像的岸線提取，利用現(xiàn)場實測岸線數(shù)據(jù)和基于激光雷達數(shù)據(jù)提取的岸線進行比對，以驗證提取岸線的正確性。結果表明：基于無人機開展岸線勘測是經(jīng)濟可行的，而且效率比較高，能夠滿足大比例成圖精度要求。

無人機遙感；相機檢校；像控測量；影像拼接與糾正

1 前言

海岸線是海岸帶的重要標志之一，它不僅標識了陸地與海洋的分界線，而且還蘊含了豐富的環(huán)境信息，并對沿海的灘涂利用、濕地生態(tài)系統(tǒng)的興衰等具有重要的指示作用[1]。海岸線可分為大陸海岸線和島嶼海岸線，我國海岸線綿長，北起鴨綠江口，南至北侖河口，總長度3.2萬km，其中大陸海岸線1.8萬km。在我國海岸線定義為多年大潮平均高潮位時的海陸分界線[2]，是重要的基礎地理要素，也是劃分海洋與陸地行政管理區(qū)域的基準線，快速而又準確地獲取岸線的位置及其動態(tài)變化信息，對于海域使用管理具有十分重要的意義。

以往對岸線的勘定極其動態(tài)監(jiān)測，大都通過人工實地測量和衛(wèi)星遙感影像解譯[3-7]，由于岸線地形復雜，有些區(qū)域難以到達，現(xiàn)場測量困難，而且外業(yè)工作量大；而遙感影像解譯獲取岸線的精度不高，難以滿足大比例尺成圖要求。隨著信息化建設和科學技術的不斷進步和發(fā)展，無人機與航空攝影測量相結合，成為航空對地觀測的新遙感平臺，加上數(shù)碼相機的引入，使得無人機遙感系統(tǒng)成為航空遙感領域的一個嶄新發(fā)展方向[8-9]。無人機低空航拍攝影技術作為一項空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，與前兩種方式相比，具有機動靈活、影像快速獲取、高危地區(qū)探測、成本低、高分辨率、低空大比例尺制圖等優(yōu)點，還可針對重點水域、岸線、海島等進行重點和大頻次監(jiān)測，彌補了現(xiàn)有衛(wèi)星遙感、航空遙感和現(xiàn)場監(jiān)測技術手段的不足。

2 無人機系統(tǒng)組成及其應用

無人機航攝系統(tǒng)是以無人機為飛行平臺，利用高分辨率相機獲取影像數(shù)據(jù)，通過飛控和地面站控制系統(tǒng)實現(xiàn)影像的自動獲取，同時實現(xiàn)航跡規(guī)劃和監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)壓縮和自動傳輸、影像預處理等功能，是具有高智能化程度、穩(wěn)定可靠、作業(yè)能力強的低空遙感系統(tǒng)。具體包括：飛行導航與控制系統(tǒng)、無人機航攝平臺、移動地面站監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)、野外保障系統(tǒng)以及附設設備等[10]。其核心功能是進行低空、小范圍、實時快速的航空攝影，以獲取高分辨率的影像。

無人機系統(tǒng)作為一種新型低空遙感信息獲取與監(jiān)測手段，因其運輸便利、升空準備時間短、起降受限小、操控簡單、運行成本低、可快速響應等特點，已得到廣泛的應用和推廣，在國民經(jīng)濟發(fā)展的諸多方面發(fā)揮著越來越重要的作用，特別是在地圖測繪、氣象水文信息探測、遙感測繪、礦產資源與開發(fā)、土地利用與調查、防災減災、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等領域，為用戶提供了一種快速進行數(shù)據(jù)獲取、處理、應用分析一體化的新型遙感手段，及時提供了現(xiàn)實性強的大比例尺地形圖和正攝影像圖數(shù)據(jù)成果，并逐漸成為眾多遙感監(jiān)測任務的最佳選擇，為當?shù)氐纳鐣?、?jīng)濟建設提供快捷方便的高分辨率影像測繪保障服務。

3 工作流程

海岸線地處海岸帶區(qū)域，地形復雜多變，各處潮汐差異較大，灘涂種類性質多樣，岸線被開發(fā)利用的方式眾多，使海岸帶地區(qū)航攝面臨很多的問題，需制訂相應的作業(yè)流程?？傮w作業(yè)流程主要分為以下幾大步：數(shù)碼相機檢校、航線規(guī)劃設計、像控點測量、內業(yè)數(shù)據(jù)處理(影像拼接、空中三角測量、正射影像制作等)、成果檢查與驗收等。具體無人機航測作業(yè)流程如圖1所示。

圖1 無人機航測作業(yè)流程

4 岸線勘測關鍵技術

4.1 相機檢校

無人機航攝平臺上安裝的一般都是非量測型數(shù)碼相機，由于非量測數(shù)碼相機存在著鏡頭畸變的較大影響，在航攝前必須對其進行檢校，才能保證獲取高質量的影像數(shù)據(jù)。通過建立室外相機檢校場，利用畸變改正公式進行參數(shù)校正。非量測相機的畸變校準主要確定相機的焦距誤差、主像點誤差、徑向畸變系數(shù)、偏心畸變系數(shù)和電荷耦合元件(CCD)非正方形比例系數(shù)，檢校應滿足以下要求[11]：① 相機檢校參數(shù)應包括：主點坐標、主距和畸變差方程系數(shù);② 相機檢校時應在地面或空中對檢校場進行多基線多角度攝影，通過攝影測量平差方法得到相機參數(shù)最終解，并統(tǒng)計精度報告;③ 檢校精度應滿足主點坐標中誤差不應大于10 μm，主距中誤差不應大于5 μm，經(jīng)過畸變差方程式及測定的系數(shù)值擬合后，殘余畸變差不應大于0.3像素。

4.2 像控測量

像片控制點(亦稱野外控制點)是航測內業(yè)加密控制點和測圖的依據(jù)，主要分為平面控制點、高程控制點和平高控制點3種。其中，平面控制點應選在線狀地物的交叉點或明顯拐角上；高程控制點盡量選擇在高程變化緩慢的地形特征點上；平高控制點則需要兩者兼顧。由于受攝取地形條件、攝影資料以及信息處理方式的不同，像控點的布設方案也不盡相同，像控點的選擇和布設都需遵循一定原則[12-13]，其數(shù)量和分布都會影響精度。像控點一般應立體、均勻地分布在攝區(qū)內，并且要加強測區(qū)邊緣的控制，兼顧中部，對于地形起伏的區(qū)域應適當加密，較為平坦的可酌情刪減，為提取岸線，沿海岸應適當加密。

4.2.1 特殊標靶點布設

岸線位置區(qū)域往往無明顯的特征點或者特征點稀疏，為便于影像中岸線辨識，提高岸線提取的精度，在無人機航攝前需在測區(qū)岸線位置上布設標靶點，宜采用正方形或圓形，顏色要便于識別(如紅底白心)，正方形規(guī)格邊長不小于0.6 m×0.6 m，圓形半徑不小于0.3 m。

4.2.2 一般像控點布設

首先對測區(qū)進行分區(qū)，根據(jù)測區(qū)地形地貌特征和成圖比例尺，確定像控點間隔距離，對地形起伏較大區(qū)域，應適當加密像控點，且最高和最低區(qū)域均應布設，在滿足精度的情況下，平坦區(qū)域可適當減少像控點分布。按照上述像控點布設原則實地選點，對無明顯特征地物的區(qū)域，應布設人工標靶點，規(guī)格參考特殊標靶點。

岸線勘定及動態(tài)監(jiān)測區(qū)域屬于特殊地形，宜采用全野外布點，以能最大限度地控制測繪面積為原則。一般采用GPS-RTK方法測定像控點的平面坐標和高程；當RTK方法無法使用時，可采用GPS快速靜態(tài)定位方法測量像控點。可充分利用各地的CORS網(wǎng)精化測量成果，點位應滿足GPS觀測對環(huán)境條件的各種要求，如避開高樓、大樹、大片水域、高壓電線、微波發(fā)射天線等。如果不能滿足觀測條件時，可采用其他辦法(如光電測距導線法)測定控制點的坐標和高程。

4.3 影像快速拼接與糾正

無人機航攝一個架次獲取的影像上千張，達10多個GB的量級，除了性能出眾的攝影測量工作站硬件支持外，更需要針對其影像特點、相機參數(shù)、飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)以及相關幾何模型，通過空中三角測量加密軟件，對多幅無人機影像進行圖像的幾何糾正配準和鑲嵌勻色，實現(xiàn)影像的快速拼接，最后生成正射遙感影像產品。目前，國內外比較通用的支持此類后期數(shù)據(jù)處理的商業(yè)軟件也很多，例如：Pixel Grid、Virtuozo AAT-PATB、Image Station SSK、MAP-AT、DPGrid、Pixel Factory、Inpho全數(shù)字攝影測量等軟件，可根據(jù)實際作業(yè)需求，并結合各軟件的優(yōu)缺點和性價比進行合理的選擇。

4.4 岸線識別與提取

根據(jù)《海岸帶調查技術規(guī)程》，海岸線分為自然岸線和人工岸線，自然岸線又包括基巖岸線、砂質岸線和泥質岸線。基巖海岸的海岸線位置界定在陡崖的基部；一般砂質海岸的岸線比較平直，在海灘上部常常堆成一條與岸平行的灘脊，岸線一般確定在灘脊的頂部向海一側，而具陡崖的海灘一般無灘脊發(fā)育，海灘與基巖陡岸直接相接，崖下灘、崖的交接線即為岸線；泥質海岸主要為由潮汐作用塑造的低平海岸，潮間帶寬而平緩，泥質岸線應根據(jù)海岸植被生長變化狀況、大潮平均高潮位時的海水痕跡線以及植物碎屑、貝殼碎片、雜物垃圾分布的痕跡線等綜合分析界定。人工岸線識別相對容易，通常以海岸工程等的外沿為其位置線。

5 實例及驗證

本試驗采用了TF-7型固定翼無人機系統(tǒng)：無人機長約2.5 m，翼展約3 m，飛行速度15～40 m/s，巡航速度30 m/s，工作高度500～1 200 m，升限不小于4 500 m，續(xù)航時間不小于2 h，抗風能力為四級風速，控制半徑不小于20 km，有效載荷3～5 kg。搭載相機為Canon EOS 5D Mark II，像幅分辨率為5 616像素×3 744像素，焦距35 mm。根據(jù)飛行區(qū)域地形特征和航攝的技術要求，設計飛行高度550 m，依據(jù)成圖要求和作業(yè)規(guī)范，確定基線長130 m，航線間隔寬度365 m。

選定小島灣區(qū)域，開展無人機航攝，并借助Inpho軟件制作正射遙感影像(圖2)，基于正攝影像提取小島灣岸線。同時，通過船載三維激光雷達對小島灣沿岸進行掃描，經(jīng)激光雷達數(shù)據(jù)處理軟件(Terrasolid)生成數(shù)字高程模型(DEM)，基于岸灘地區(qū)的DEM資料投影到海岸帶的實際位置，利用潮汐資料計算平均大潮的高潮線高程，通過理論深度基準面與國家85高程進行轉換，利用轉換后的岸線高程切割DEM，生成海岸線。此外，選取了區(qū)域內的一段砂質岸線，通過現(xiàn)場實測岸線，進行與基于影像和激光雷達提取的岸線進行比對(圖2和圖3)，分析評價影像判讀的準確度。從比對的圖像可以看出，基于無人機遙感影像提取的岸線與激光雷達提取和現(xiàn)場實測的岸線基本吻合。實際工作中可結合實測岸線和激光雷達掃描生成的岸線，對基于無人機影像提取的岸線位置進行修正。

圖2 小島灣正攝影像

圖3 砂質岸線比對

6 結論與討論

無人機遙感系統(tǒng)憑借其機動、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢，加上高效、自動化的無人機影像數(shù)據(jù)處理軟件的支持，極大地推動了其發(fā)展，應用領域與產業(yè)化前景可觀。上述試驗表明：基于無人機遙感系統(tǒng)，能夠快速地獲取海岸地區(qū)正攝影像，基于此影像可解譯出高精度的岸線信息，能夠滿足大比例尺成圖要求，因此，基于無人機開展岸線勘測是行之有效的。無人機遙感系統(tǒng)能及時、有效地獲取海岸帶地區(qū)的地形地貌數(shù)據(jù)，將成為岸線基礎信息獲取和動態(tài)監(jiān)測的重要手段。

目前，國家海洋局已在我國管轄海域大力推廣應用無人機遙感監(jiān)視監(jiān)測技術，以豐富和完善我國海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)。因此，把無人機對岸線的勘測與監(jiān)測納入全國海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測系統(tǒng)中，掌握其動態(tài)變化信息，有利于提升對岸線資源的有效監(jiān)管，同時也能為海域使用管理提供有效的技術支撐。

但是，無人機遙感也有不足之處，如荷載有限，抗風能力較差等，這都會影響無人機影像獲取的精度。在后續(xù)的研究中可從以下4個方面進一步深入研究，以便其在岸線勘測及其動態(tài)監(jiān)測以及區(qū)域用海規(guī)劃中等發(fā)揮更大的作用。

(1)從遙感影像上獲得的海岸線一般是某一時刻海水與陸地的瞬時交界線(也稱水邊線)，受潮汐等因素的影響，岸線在不斷變化。很難判斷提取的岸線位置是否完全準確，應加強與其他方法的綜合，來識別、提取、修正岸線。

(2)無人機有限的載荷，很難搭載高精度的IMU，實現(xiàn)無控制航空攝影。在現(xiàn)有的條件下，如何通過特殊的算法，盡量減少像控點的數(shù)量，同樣達到所需要的精度要求。

(3)在載荷允許的條件下，研究多傳感器融合，例如搭載三維激光雷達掃描儀，進一步提高岸線提取的精度。

(4)如何進一步解決攝影曝光時間誤差帶來像移所帶來空間分辨率的損失，真正達到1∶500的成圖精度。

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1005-9857(2015)04-0045-04