無人機航拍技術配合遙感的海岸帶規(guī)劃應用

何原榮，鄭淵茂

（廈門理工學院計算機與信息工程學院，福建廈門3631024）

無人機航拍技術配合遙感的海岸帶規(guī)劃應用

何原榮，鄭淵茂

（廈門理工學院計算機與信息工程學院，福建廈門3631024）

隨著科技進步和市場需求，部分傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感影像存在分辨率低、判讀難、現(xiàn)勢性差等缺點，在地形復雜的海岸帶調(diào)查與規(guī)劃應用效果并不理想，無人機遙感技術是由無人機和遙感技術組成的新技術，該技術引入海岸帶調(diào)查與規(guī)劃具有諸多技術增強作用。以廈門市翔安海岸帶功能規(guī)劃的實際項目為依托，利用DJI inspire1低空無人機遙感進行海岸帶視頻和影像野外拍攝，在Adobe Premiere Pro CS6，Photoshop等軟件的支持下進行大寬幅數(shù)據(jù)拼接校正與視頻加工。最后在ArcGIS軟件的支持下，完成了海岸功能規(guī)劃的制圖與綜合分析。應用結果驗證了無人機航拍技術在海岸帶規(guī)劃項目的應用中具有較好的經(jīng)濟適用性。

無人機遙感；Adobe Premiere Pro CS6；Photoshop；翔安海岸帶規(guī)劃

海岸帶作為海洋與陸地相互作用的交匯區(qū)，它擁有豐富的海洋資源、優(yōu)越的自然環(huán)境以及便利的交通區(qū)位，使得該區(qū)域經(jīng)濟高速發(fā)展、人口活動快速集聚，往往成為人類生存家園的重點區(qū)域[1]。當前，國際上多數(shù)國家已經(jīng)開展海岸帶區(qū)域土地資源的各類規(guī)劃，但我國在該領域的研究和實踐工作相對滯后，沿海區(qū)域?qū)嵤┩恋刭Y源規(guī)劃與管理的要求非常迫切，尤其是廈門翔安海岸帶區(qū)域經(jīng)濟正處于高速發(fā)展的關鍵時期，未來將成為東南沿海重要的區(qū)域，對翔安海岸帶進行科學規(guī)劃相當重要[2]。目前，遙感技術具有快速、大面積獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，已在國土規(guī)劃以及資源管理方面做出巨大貢獻，為我國經(jīng)濟發(fā)展提供了強有力的科技服務平臺[3]。但在海岸帶數(shù)據(jù)采集中，獲取的部分衛(wèi)星遙感影像存在現(xiàn)勢性差、分辨率低、判讀難等缺點，不能滿足當前生產(chǎn)規(guī)劃對地理空間數(shù)據(jù)的高精度要求。無人機遙感技術是由無人機和遙感技術組成的新型技術，將該技術引入海岸帶調(diào)查與規(guī)劃具有諸多技術增強作用，下面以無人機遙感技術應用于海岸帶規(guī)劃提高的效益進行簡要論述。

1 海岸帶規(guī)劃應用遙感無人機航拍技術的必要性

隨著科學和技術的進步，市場上產(chǎn)生了一種新型的低空無人機遙感技術，該技術具有影像實時傳輸、高危地區(qū)遙感、機動靈活及成本經(jīng)濟等優(yōu)點，越來越成為采集空間數(shù)據(jù)的重要手段，是衛(wèi)星遙感與航空遙感的強有力補充，開始得到廣泛的應用[4]。低空無人機遙感技術相對于衛(wèi)星遙感應用于海岸帶規(guī)劃的數(shù)據(jù)采集具有無可比擬的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）現(xiàn)勢性好。在海岸帶規(guī)劃數(shù)據(jù)獲取過程中，利用傳統(tǒng)衛(wèi)片是存檔的影像圖，這些影像圖具有歷史現(xiàn)勢性，不能反應當前翔安海岸帶最新的地貌現(xiàn)狀，比如正在建設的翔安機場、翔安新區(qū)等一大批大型基礎建設項目的開展，地表變化較大。而新型的低空無人機遙感技術可以隨時在翔安區(qū)海岸帶定點航拍，獲取地表變化大的最新地物地貌狀況，使采集的規(guī)劃數(shù)據(jù)最具時效性。

（2）高分辨率。傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感是高空間遙感、高光譜遙感和高時間遙感，受空間距離大因素的影響，所得到的是低分辨率、低清晰度的影像圖。低空無人機遙感技術在提高分辨率方面具有獨特的優(yōu)勢，低空無人機可以飛得足夠低，在近地面進行航拍攝影，獲取足夠高分辨率、高清晰度的地面影像圖。

綜上所述，從現(xiàn)勢性、分辨率以及調(diào)查效率等方面具體分析，采用低空無人機技術輔助遙感進行翔安海岸帶規(guī)劃是非常有必要的。因此，本文主要研究低空無人機配合遙感在翔安海岸帶規(guī)劃應用的效益性。

2 海岸帶規(guī)劃應用遙感無人機航拍技術的設計方案

2.1 無人機航拍技術構成

低空無人機是指具有動力裝置，不載操作人員，攜帶多種設備、執(zhí)行多種任務，并能重復使用的無人駕駛飛行器[5]。低空無人機根據(jù)形狀體積的不同，分為大型無人機；中型無人機；小型無人機。根據(jù)機翼種類的不同，分為固定翼無人機；旋轉(zhuǎn)翼無人機。其中旋轉(zhuǎn)翼無人機分為直升機和多旋翼無人機等，多旋翼無人機又包括四旋翼、六旋翼和八旋翼等。本文的主要研究內(nèi)容是旋轉(zhuǎn)翼無人機中的四旋翼無人機。該無人機主要由飛行器系統(tǒng)、飛行控制器系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和信息獲取系統(tǒng)構成。其中飛行器系統(tǒng)是無人機航拍的基礎，是飛行動力提供及飛行的執(zhí)行部分，也是搭載攝像機進入高空的載體；控制系統(tǒng)是在無人機起航升空和降落著地時，通過控制各旋翼的動力來改變無人機整體驅(qū)動力方向和大小從而控制無人機的上升、下降、轉(zhuǎn)彎等飛行姿態(tài)；傳感系統(tǒng)可以量測飛行器在空中的飛行角度、加速度、瞬時速度等空中姿態(tài)，讓操控者了解飛行實時狀態(tài)，確保飛行安全；信息獲取系統(tǒng)包含360°無死角旋轉(zhuǎn)的云臺和高分辨率攝像頭，均是獲取高質(zhì)量航拍數(shù)據(jù)的保證。

2.2 設計方案的技術路線及數(shù)據(jù)采集

首先獲取翔安區(qū)地理空間數(shù)據(jù)影像圖和空間布局規(guī)劃圖，具體包括經(jīng)過圖形、幾何坐標糾正后的遙感影像圖以及翔安空間布局規(guī)劃圖的規(guī)劃區(qū)范圍和道路框架圖；疊加上最新拍攝的低空無人機實地調(diào)查獲得高清視頻影像、超大寬幅影像和地理坐標影像資料，作為歷史與現(xiàn)狀資料。然后對翔安海岸線的歷史、現(xiàn)狀、布局及地理區(qū)位進行綜合分析；最后得出海岸線規(guī)劃和海岸帶功能區(qū)劃分，輸出海岸帶規(guī)劃專題地圖。具體技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

獲取翔安地理空間數(shù)據(jù)影像圖和空間布局規(guī)劃圖后，在航拍外業(yè)數(shù)據(jù)獲取過程中，重點是開展外業(yè)實地調(diào)查。低空無人機飛行高度可達600 m，直線最遠距離2 km，為翔安海岸帶提供高效便捷的調(diào)查工具。接到任務后，低空無人機可對調(diào)查區(qū)域進行快速數(shù)據(jù)采集。本文以”DJI Inspire 1”型四旋翼無人機進行航拍采集數(shù)據(jù)，低空無人機航拍攝影數(shù)據(jù)獲取主要包括任務及需求分析、資料收集與整理、飛行場地選擇、飛行方案設計、起飛前和著落后飛行設備系統(tǒng)檢查、飛行質(zhì)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查、飛行資料整理等步驟。其中飛行方案設計中包含：選取低空無人機航行方式、確定云臺攝影角度和方式以及制定無人機最佳航拍路線；檢查飛控系統(tǒng)中，還包含舵身、空速、轉(zhuǎn)速、旋翼等的檢查，智能電池、糾正云臺相機以及GPS定位、遙控顯示器等檢查。同時，在數(shù)據(jù)采集中，著重對翔安海岸帶馬巷鎮(zhèn)的瓊頭村，新店鎮(zhèn)的劉五店港和蔡厝村，大嶝街道的田乾村、蟳窟村、嶝崎村，小嶝島的小嶝村等7個復雜海岸帶區(qū)域進行無人機航拍外業(yè)工作。

2.3 無人機航拍技術數(shù)據(jù)分析與決策

老頭子說話像吵架一般。王婆給平兒縫汗衫上的大口，她感動了，想到亡國，把汗衫縫錯了！她把兩個袖口完全縫住。

高清視頻影像，具有高分辨率、高清晰度的特點，能夠提供野外人工難以到達的區(qū)域的數(shù)據(jù)，可作為野外調(diào)查重點屬性內(nèi)容，也是規(guī)劃匯報與咨詢溝通的媒介。受到無人機動力電池的使用時間限制以及翔安區(qū)海岸帶地貌植被等地理要素面積較大等因素，無法通過一次飛行完成大片的地理要素的航拍視頻數(shù)據(jù)的獲取工作，因此，在無人機獲取多段航拍視頻后，需要利用Adobe Premiere Pro CS6視頻剪輯軟件進一步對航拍視頻進行后期的剪輯制作，主要包括視頻剪輯、添加文本說明、添加背景音樂等。

大寬幅影像，能夠快速辨別大面積的海岸帶全景圖，可以作為地理坐標影像糾正的基礎圖件和編制規(guī)劃展示圖冊。大寬幅影像是在Photoshop軟件下，將相鄰的具有一定重疊區(qū)域的兩幅或多幅圖像進行拼接，從而完成大寬幅全景影像圖。拼接過程包括圖像預處理、圖像配準、圖像融合三大步驟。

地理坐標影像可以疊加遙感影像圖作為重要地物識別的標志。地理坐標影像指正射影像圖的地理坐標糾正，是在ArcGIS軟件基礎上將正射投影圖糾正成為具有一定坐標方向的專題正射影像圖，并成功驗證地理坐標影像的準確性；最后，在糾正后的正射投影圖進行測距、量測面積，為規(guī)劃提供數(shù)據(jù)和專題地圖準備。

翔安海岸線類型規(guī)劃依據(jù)，具體到沿岸線各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為：馬巷鎮(zhèn)中，由于沿岸空間布局為商住用地、工業(yè)用地和村鎮(zhèn)居民用地較為密集，岸線類型規(guī)劃以休閑、科普以及生態(tài)的修復與保護為主的生態(tài)岸線和生活岸線；新店鎮(zhèn)中，在滿足必要的生態(tài)保護和工業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)需求，盡量以生活岸線為主；大嶝島鎮(zhèn)，該鎮(zhèn)是以島嶼為主，主要促進海島生態(tài)保護、旅游開發(fā)與對臺合作與交流，調(diào)節(jié)機場建設帶來的強熱島區(qū)微氣候變化，因此，岸線規(guī)劃以生態(tài)岸線和生活岸線為主[6]。

規(guī)劃采取的方法是：基于QuickBird影像（0.61 m）作為背景數(shù)據(jù)，輔助以SPOT影像數(shù)據(jù)以及低空無人機影像資料，通過遙感現(xiàn)狀數(shù)據(jù)解譯量算，翔安海岸線長度為78.65 km。按規(guī)劃依據(jù)并進行綜合分析，海岸線規(guī)劃為23段：生活岸線10段總共38.20 km，生態(tài)岸線8段總共28.50 km，生產(chǎn)岸線5段總共11.95 km，翔安海岸線類型的具體空間分布及詳細統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 岸線功能劃分分段統(tǒng)計

最后，對翔安海岸線功能類別進行數(shù)據(jù)綜合分析處理，輸出制圖，得到沿海岸帶3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的海岸線功能類型的類別規(guī)劃如圖2所示。

翔安海岸帶功能分區(qū)規(guī)劃依據(jù)：以翔安空間布局規(guī)劃圖的規(guī)劃區(qū)范圍和道路為框架，基于對歷史、現(xiàn)狀和規(guī)劃數(shù)據(jù)對用地類型識別，將道路以外的區(qū)域按生態(tài)功能分區(qū)、生產(chǎn)功能分區(qū)、生活功能分區(qū)3類功能分區(qū)。其中，生態(tài)功能分區(qū)包括生態(tài)紅線劃定區(qū)、公共綠地、生產(chǎn)防護綠地、水域以及山體5個子類；生產(chǎn)功能分區(qū)包括一類工業(yè)用地、二類工業(yè)用地、倉儲用地、對外交通用地、特殊用地、耕地、和發(fā)展控制用地7個子類；生活功能分區(qū)包括一類居住用地、二類居住用地、市鎮(zhèn)設施用地、村鎮(zhèn)居住用地、道路廣場用地、行政辦公用地、商業(yè)金融用地、文化設施用地、醫(yī)療衛(wèi)生用地、教育科研設施用地、中小學用地以及體育用地12個子類。最終，得到翔安海岸帶功能分區(qū)規(guī)劃圖，如圖3所示。

圖2 海岸線類型規(guī)劃

圖3 海岸帶功能區(qū)域規(guī)劃

3 海岸帶規(guī)劃應用遙感無人機航拍技術的評估與前景

3.1 規(guī)劃應用的評估

本文充分探討先進的低空無人機航拍技術配合遙感衛(wèi)星影像，為翔安海岸帶數(shù)據(jù)采集提供較為捷徑的途徑。該技術在數(shù)據(jù)調(diào)查與規(guī)劃方面具有諸多技術增強作用，并且論證該技術的可行性和實用性，為海岸帶信息采集工作提供了可靠參考：

（1）論述低空無人機的構成以及數(shù)據(jù)處理方法，為翔安海岸帶規(guī)劃進行高效的數(shù)據(jù)采集提供了堅實的理論依據(jù)。

（2）在Adobe Premiere Pro CS6，Photoshop，ArcGIS軟件的支持下對無人機影像進行高清視頻制作、大寬幅影像拼接以及地理坐標影像糾正，為規(guī)劃提供大量的數(shù)據(jù)采集成果，同時還可對規(guī)劃成果進行審核和修改。

（3）采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在無人機數(shù)據(jù)成果的支持下開展海岸帶發(fā)展規(guī)劃，驗證了低空無人機技術在項目開展的經(jīng)濟適用性，為推進低空無人機在海岸帶調(diào)查與規(guī)劃提供了技術借鑒。

（4）低空無人機的穩(wěn)定性、飛行姿態(tài)以及攝像頭角度的原因，均會影響到數(shù)據(jù)的成果。因此，在海岸帶數(shù)據(jù)獲取過程中每一步都要保證質(zhì)量。

總之，本文通過科學的方法研究，其結果證實了低空無人機配合遙感影像在海岸帶規(guī)劃中具有增強數(shù)據(jù)采集、整理、歸檔的高效性和實用性。

3.2 無人機應用前景

在信息的獲取方面，本文采用低空無人機上光學相機進行影像和視頻的拍攝，今后監(jiān)測與管理中搭載多元的傳感器，如搭載Lidar，在滿足進行生產(chǎn)精細規(guī)劃的同時，高效快速生產(chǎn)二維、三維的海岸帶地形測繪產(chǎn)品。再如，搭載熱紅外線傳感器，可用于海岸帶搜救。

在信息資源的開發(fā)方面，利用空間數(shù)據(jù)庫與Web-GIS技術，對規(guī)劃的基礎數(shù)據(jù)和成果資料進行整合構建，開發(fā)相應的GIS系統(tǒng)，為今后政府部門和公眾參與執(zhí)行海岸帶規(guī)劃和管理提供技術支撐。

注：本文通訊作者為鄭淵茂。

[1]孫榮生.海岸帶規(guī)劃與開發(fā)利用若干問題討論[J].海岸工程，1985（1）：78-83.

[2]楊英法.生態(tài)建設、古城保護與經(jīng)濟發(fā)展間互促共進機制的構建[J].中國環(huán)境管理干部學院學報，2015（1）：23-26.

[3]高珊，傅命佐，馬安青.3S技術在海岸帶調(diào)查中的應用[J].海洋湖沼通報，2009（4）：110-122.

[4]金偉，葛宏立，杜華強，等.無人機遙感發(fā)展與應用概況[J].遙感信息，2009（1）：88-92.

[5]呂厚誼.無人機發(fā)展與無人機技術[J].世界科技研究與發(fā)展，1998（6）：113-116.

[6]王如松，周啟星，胡聃.城市生態(tài)調(diào)控方法[M].北京：氣象出版社，2000.

Application of UAV remote sensing aerial photo technology in coastal zone planning

HE Yuanrong，ZHENG Yuanmao
（College of Computer and Information Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China）

With the technology progress and the increase of market demand，the remote sensing image of some traditional satellites has the disadvantages of low resolution，difficult interpretation，poor present situation，which has unsatisfied application effects in coastal zone investigation and planning under the conditions of complicated terrain.The UAV remote sensing technology is a novel technology which is composed of UAV and remote sensing technology，and has many technology enhancement effects in the coastal zone investigation and planning.Depending on the actual project of Xiang’an coastal zone planning in Xiamen，the coastal zone video and image field photographing are conducted with DJI inspire1 low-altitude UAV remote sensing technology，and then mosaic and revision of the wide-range data and video processing are carried out with the software support of Adobe Premiere Pro CS6 and Photoshop.With the support of ArcGIS software，the drawing and comprehensive analysis of the coastal zone function planning were completed.The application results verify that the UAV aerial photo technology has good economic applicability in the planning project of coastal zone.

UAV remote sensing；Adobe Premiere Pro CS6；Photoshop；Xiang’an coastal zone planning

TN926-34；TP7

A

1004-373X（2015）23-0024-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2015.23.007

何原榮（1977—），男，福建龍海人，博士后，副教授。研究方向為地圖制圖學與地理信息工程。

鄭淵茂（1991—），男，福建龍海人，碩士生。研究方向為導航信息工程。

2015-06-19

國家自然科學基金面上項目：“氣候變化下的沿海城市空間形態(tài)應對策略及規(guī)劃應用研究”的研究成果（43171205）