無人機(jī)航攝系統(tǒng)在海洋領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用

□ 王雪寶 陳 沖

（浙江省海洋技術(shù)與信息中心，浙江 杭州 310012）

0.引言

近年來，隨著飛行器制造和電子技術(shù)的進(jìn)度以及精密定位、通訊、數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)的成熟，利用無人機(jī)系統(tǒng)以高分辨率機(jī)載傳感器、快速的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)為技術(shù)支撐，無人機(jī)遙感技術(shù)在我國海洋領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但高分辨率無人機(jī)遙感影像在海洋資源調(diào)查、海洋災(zāi)害、海洋環(huán)境以及海洋執(zhí)法等領(lǐng)域的應(yīng)用還是比較少的。

本項(xiàng)目利用無人機(jī)系統(tǒng)以技術(shù)創(chuàng)新帶動海洋執(zhí)法、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源、災(zāi)害應(yīng)急等管理水平的提升，對航空影像數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)一步加強(qiáng)，提升海洋綜合管控能力，為浙江省海洋綜合管理、浙江漁場振興修復(fù)、“一打三整治”工作拓展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障手段。本文的無人機(jī)系統(tǒng)通過其作業(yè)時(shí)效性、成果可靠性及海洋測繪質(zhì)量的整體優(yōu)越性及低成本已超越了常規(guī)海洋測繪范疇，本項(xiàng)目成果的有效利用解決了現(xiàn)實(shí)難題，實(shí)現(xiàn)了多方共贏，為進(jìn)一步加強(qiáng)海洋綜合管理，整合海洋資源提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1.無人機(jī)航攝系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由無人機(jī)飛行平臺、遙感傳感器系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、GPS實(shí)時(shí)動態(tài)差分定位系統(tǒng)、地面控制站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。

1.1 無人機(jī)飛行平臺

該飛行平臺為滑跑起降油動固定翼無人機(jī)（如圖1所示），機(jī)長2.2m，翼展3.4m，全高為0.7m，空機(jī)重量18kg，最大起飛重量 35kg，最大載荷重量10kg，燃料類型97號汽油，最大續(xù)航時(shí)間8h，最大飛行高度5000m，抗風(fēng)能力6級（非持續(xù)側(cè)風(fēng)），巡航速度100km/h。具體作業(yè)能力（如表1所示）。

表1 無人機(jī)系統(tǒng)航測作業(yè)能力

圖1 無人機(jī)平臺

1.2 遙感傳感器

傳感器為尼康D810相機(jī)，傳感器類型CMOS，有效像素 3635萬，像元尺寸4.9μm，最高分辨率7360×4912，鏡頭光圈F2.0～F22，焦距范圍35mm，鏡頭長度43.5mm。該機(jī)身重量約810g，鏡頭重量205g，內(nèi)存卡32GB，快門速度30-1/8000s。

1.3 GPS實(shí)時(shí)動態(tài)差分系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用GPS實(shí)時(shí)差分技術(shù)，即無人機(jī)設(shè)備上加載GPS接收機(jī)，在地面已知點(diǎn)上架設(shè)GPS基準(zhǔn)站，通過接收衛(wèi)星信號，確定無人機(jī)的空間位置。該系統(tǒng)由GPS接收機(jī)、地面GPS基準(zhǔn)站、地面基站GPS數(shù)據(jù)發(fā)射器、GPS數(shù)據(jù)差分處理器組成。執(zhí)行自主飛行作業(yè)時(shí)，必須是GPS實(shí)時(shí)差分模式。

1.4 地面站系統(tǒng)

地面站控制是無人飛行器的飛行監(jiān)控和控制平臺，主要由電源、計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、圖像采集和處理設(shè)備組成。地面站主要功能為：向飛行器發(fā)送各種飛行指令，監(jiān)控并顯示飛行器狀態(tài)和各個(gè)傳感器，在地圖上跟蹤飛行器航線，進(jìn)行航線規(guī)劃，配置飛控的各種參數(shù)，控制任務(wù)載荷等。

2.飛行作業(yè)與數(shù)據(jù)處理

2.1 作業(yè)區(qū)域概況

本次作業(yè)區(qū)域?yàn)闇刂菔猩n南縣大漁灣（如圖2所示），作為溫州最大的海灣之一，這里淺海灘涂資源豐富，擁有魚類、甲殼類等近百種底棲生物，有7萬畝“海上耕田”。蒼南縣大漁灣口為該縣主要紫菜養(yǎng)殖區(qū)域,距縣城東南21.8km,東臨大海,西靠鶴峰，最高峰約400m,海域面積約100km2。

近年來紫菜養(yǎng)殖效益可觀，紫菜養(yǎng)殖面積高達(dá)5萬畝，海灣內(nèi)養(yǎng)殖面積已經(jīng)飽和，隨著新養(yǎng)殖戶的增加，搶“地盤”現(xiàn)象日益凸顯，鎮(zhèn)與鎮(zhèn)、村與村、戶與戶之間的邊界糾紛時(shí)常發(fā)生。為破解養(yǎng)殖用海亂象，創(chuàng)新實(shí)施大漁灣養(yǎng)殖用海二級承包工作，開展利用無人機(jī)航測的技術(shù)確定戶與戶、村與村、鎮(zhèn)與鎮(zhèn)之間的養(yǎng)殖區(qū)域的經(jīng)緯度界線，避免因養(yǎng)殖區(qū)域交叉而導(dǎo)致糾紛。

圖2 作業(yè)范圍圖

2.2 作業(yè)技術(shù)流程

2.2.1 航攝情況

本次作業(yè)時(shí)間為2016年11月11日，晴，無霧霾，微風(fēng)，氣溫 21℃～10℃，上午 10：00 開始準(zhǔn)備，起飛地點(diǎn)為新修的水泥公路上，寬約8m，離作業(yè)區(qū)域中心位置約12km，10：30開始航攝，航攝完成歷時(shí)5h，共計(jì)兩架次，航攝面積95km2，設(shè)計(jì)南北航線為34條，航線總長度為355km；共拍攝像片2907張，有效像片2875張；設(shè)計(jì)地面分辨率為10cm，航高為550m,航向重疊度為85%，旁向重疊度為65%；相機(jī)類型為尼康D810，單像片大小為5500像素×4500像素，相機(jī)焦距35mm。

2.2.2 航線設(shè)計(jì)及單像片成果展示

第一架次航線設(shè)計(jì)圖（如圖3所示）

精確航線設(shè)計(jì)：設(shè)置坐標(biāo)范圍、傳感器參數(shù)、重疊度、地面分辨率、攝影比例尺，進(jìn)行航線編輯，設(shè)計(jì)飛行方向、補(bǔ)飛措施，統(tǒng)計(jì)輸出導(dǎo)航文件。

圖3 航線設(shè)計(jì)圖

單像片成果展示（如圖4所示）

圖4 單像片成果展示

2.2.3 工藝流程（如圖5所示）

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 空中三角測量

本項(xiàng)目采用航空影像數(shù)據(jù)處理軟件Pix 4DMapper進(jìn)行空三加密。在Pix 4DMapper上直接導(dǎo)入數(shù)碼相機(jī)參數(shù)和控制點(diǎn)成果，通過自動匹配相關(guān)影像產(chǎn)生自動匹配點(diǎn)，對海面點(diǎn)位不足區(qū)域，以養(yǎng)殖圍桿為基準(zhǔn)進(jìn)行人工加點(diǎn)。本項(xiàng)目忽略高程注記。在像片上量測外業(yè)控制點(diǎn)后，通過光束法平差后，輸出加密成果。

2.3.2 數(shù)字正射影像圖（DOM）生產(chǎn)

使用Pix 4DMapper完成DOM的數(shù)據(jù)采集拼接，并由PhotoShop來完成DOM后期調(diào)色處理。數(shù)字正射影像（DOM）的地面分辨率為0.1m，成圖范圍為內(nèi)圖廓線外擴(kuò)10個(gè)像素并且無影像區(qū)域自然留白。

2.3.3 DEM獲取

圖5 DOM工藝流程

將空三成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入Pix 4DMapper生成DEM。像對定向，在全數(shù)字?jǐn)z影測量立體采編系統(tǒng)的測區(qū)管理模塊下，將影像數(shù)據(jù)、加密成果導(dǎo)入該系統(tǒng)內(nèi)，由系統(tǒng)自動完成像對定向。單片糾正，利用全數(shù)字?jǐn)z影測量立體采編系統(tǒng)測區(qū)管理的正射影像制作功能，以像片為單位，按照每個(gè)像對的范圍，以像主點(diǎn)為中心，片片糾正，生成單片正射影像。

2.3.4 正射影像鑲嵌、重采樣與圖幅裁切

對圖幅范圍內(nèi)需要鑲嵌的所有單片正射影像，利用軟件對其進(jìn)行勻光、拼接、圖幅裁切和正射影像輸出，生成影像文件*.tif和影像定位信息文件*.tfw。拼接好的正射影像重采樣，采樣后地面分辨率為0.1m，圖幅裁切按照內(nèi)圖廓線范圍外擴(kuò)10像素裁切。

2.3.5 正射影像修飾

本著自然美觀的原則，應(yīng)對影像進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使影像清晰，色彩柔和，反差適中，幅與幅之間無明顯色差。最后，進(jìn)行DOM檢查輸出成果。

2.3.6 外業(yè)檢核點(diǎn)測量

利用浙江省級CORS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)，在GPS信號正常，固定解狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)。對每個(gè)檢核點(diǎn)采集兩次，測量結(jié)果平面位置較差小于5cm的取其均值作為最終測量成果。平面檢核點(diǎn)點(diǎn)位選取比較明顯且以判斷的地方，如房屋角、堤壩角等（如圖6所示）。因本項(xiàng)目僅需要平面位置信息，故高程信息并未作為本次的信息采集內(nèi)容。

檢核點(diǎn)測量情況。

2.3.7 精度統(tǒng)計(jì)

圖6 現(xiàn)場檢核圖

依據(jù)實(shí)地GPS RTK實(shí)測檢核點(diǎn)坐標(biāo)與在ArcCIS下讀取的同名像點(diǎn)坐標(biāo)的較差，按公式（1）進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)。

本項(xiàng)目無人機(jī)航攝要求影像分辨率優(yōu)于10cm，平面位置測量精度優(yōu)于1m。經(jīng)無人機(jī)專業(yè)軟件自動測試完畢后，本項(xiàng)目成果影像分辨率為8.57cm，滿足設(shè)計(jì)要求；由于區(qū)域位置情況特殊，平面檢核點(diǎn)選擇比較困難，最終外業(yè)測量平面檢核點(diǎn)32個(gè)。DOM精度統(tǒng)計(jì)情況（如表2所示）。

3.結(jié)束語

3.1 溫州市蒼南縣大漁灣紫菜養(yǎng)殖區(qū)調(diào)查首次采用無人機(jī)航攝作業(yè)，獲取高清晰無人機(jī)影像，無人機(jī)航攝高度550m，分辨率8.57cm，平面位置精度0.63m，完全能滿足紫菜養(yǎng)殖區(qū)范圍內(nèi)各行政村的養(yǎng)殖區(qū)域界線調(diào)查的需要。該無人機(jī)作業(yè)方式打破了常規(guī)海洋測繪、調(diào)查的作業(yè)模式，極大地提高了工作效率，節(jié)約了大量成本，只需要相關(guān)責(zé)任單位及人員在影像圖面標(biāo)出養(yǎng)殖界線界址點(diǎn)即可，為調(diào)查生成DLG圖提供了便利。由于本項(xiàng)目實(shí)施在沿海區(qū)域，相關(guān)檢核點(diǎn)主要選擇在岸線的陸地上，海域中尚無選擇檢核點(diǎn)。

表2 DOM精度檢查統(tǒng)計(jì)

3.2 本次無人機(jī)航攝系統(tǒng)作業(yè)取得了初步成果，是一次新技術(shù)的嘗試?？萍际堑谝簧a(chǎn)力，以技術(shù)創(chuàng)新帶動海洋執(zhí)法、海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源、災(zāi)害應(yīng)急等管理水平的提升，形成海域遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)采集能力，是海洋管理發(fā)展的方向。相信無人機(jī)航攝系統(tǒng)在海洋領(lǐng)域?qū)玫胶芎玫乩?，并會有廣闊的應(yīng)用前景。

3.3 本次海上無人機(jī)作業(yè)的順利實(shí)施，快速、有效地獲取了基礎(chǔ)海域數(shù)據(jù)，為蒼南縣養(yǎng)殖用海二級承包改革提供強(qiáng)力數(shù)據(jù)支撐，對強(qiáng)化國有海域有償使用、完善大漁灣養(yǎng)殖海域管制長效機(jī)制、促進(jìn)海域生態(tài)保護(hù)等具有積極意義，化解了社會矛盾、打破發(fā)展瓶頸，解放和發(fā)展生產(chǎn)力，增進(jìn)了人民福祉，并為浙江省探索一條養(yǎng)殖用海改革提供了基礎(chǔ)的技術(shù)保障。