面向海岸線修測(cè)的無(wú)人機(jī)照片視頻獲取及管理研究

孫玉超，曾紀(jì)勝，田 松，劉顯傅，黃財(cái)京，邵先成

（1. 國(guó)家海洋局南海規(guī)劃與環(huán)境研究院，廣東 廣州 510300；2. 國(guó)家海洋局南海信息中心，廣東 廣州 510300）

海岸線是多年大潮平均高潮位時(shí)海陸分界痕跡線。海岸線作為陸域和海域的分界線，具有重要的資源和生態(tài)價(jià)值[1]。2005 年，原國(guó)家海洋局開展“我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)”（簡(jiǎn)稱“908”專項(xiàng)），同時(shí)于2007—2008 年開展了海岸線修測(cè)任務(wù)[2-3]。根據(jù)《我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)專項(xiàng)海岸線修測(cè)技術(shù)規(guī)程（試行本）》要求，海岸線修測(cè)要準(zhǔn)確地測(cè)量海岸線的位置并統(tǒng)計(jì)海岸線的長(zhǎng)度，明確陸域和海域的管理界線，為政府部門的各項(xiàng)管理活動(dòng)提供法律界定的管理基準(zhǔn)線[4-5]。修測(cè)的海岸線為海洋功能區(qū)劃、海洋生態(tài)紅線以及海岸線調(diào)查與統(tǒng)計(jì)等領(lǐng)域相關(guān)文件的制定提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[1]。

受自然因素和人為因素的雙重影響，海岸線處于動(dòng)態(tài)變化之中[6]。目前，2008 年修測(cè)的海岸線已不能真實(shí)反映海岸線實(shí)際狀況，在管理中存在的很多實(shí)際困難亟需通過(guò)新一輪海岸線修測(cè)加以解決。為全面查清2008 年以來(lái)海岸線主要變化，準(zhǔn)確掌握海岸線的位置、長(zhǎng)度、類型及開發(fā)利用現(xiàn)狀等基本情況，2019 年7 月，自然資源部辦公廳印發(fā)了《關(guān)于開展全國(guó)海岸線修測(cè)工作的通知》，組織開展全國(guó)大陸和有居民海島海岸線修測(cè)工作，并頒布了《全國(guó)海岸線修測(cè)技術(shù)規(guī)程》。本文以2019 年廣東省海岸線修測(cè)工作為例，介紹無(wú)人機(jī)照片視頻獲取方法以及無(wú)人機(jī)照片視頻管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

1 海岸線修測(cè)照片視頻獲取要求

根據(jù)《全國(guó)海岸線修測(cè)技術(shù)規(guī)程》要求，此次海岸線修測(cè)工作需充分利用現(xiàn)代先進(jìn)成熟的航空攝影測(cè)量、高分辨率衛(wèi)星遙感和連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站（Continuously Operating Reference Stations, CORS）等地理空間信息技術(shù)，大幅提高海岸線修測(cè)精度，對(duì)可到達(dá)的岸段，需全部通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查和實(shí)地調(diào)訪，并對(duì)每段海岸線進(jìn)行照片拍攝、視頻資料采集，作為反映調(diào)查岸段現(xiàn)狀和判定岸線類型的證明資料，同時(shí)要求照片要附帶經(jīng)緯度、拍攝時(shí)間和方位角信息；視頻應(yīng)反映海岸線全貌，時(shí)長(zhǎng)不小于15 s；在重要拐點(diǎn)、分界點(diǎn)等特征點(diǎn)處可以采用360°全景拍攝。

根據(jù)上述要求，廣東省在開展海岸線修測(cè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，除了采用手機(jī)或手持?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行海岸線測(cè)量點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)照片和視頻獲取外，還充分利用無(wú)人機(jī)對(duì)全省可飛行岸段進(jìn)行了多類型的照片和視頻采集，并對(duì)獲取的無(wú)人機(jī)照片視頻進(jìn)行分析和入庫(kù)管理，作為海岸線類型研判和內(nèi)業(yè)處理的依據(jù)，同時(shí)也是重要的海岸線修測(cè)成果。

2 無(wú)人機(jī)照片視頻獲取及預(yù)處理

根據(jù)海岸線修測(cè)照片視頻獲取要求，廣東省采用大疆系列無(wú)人機(jī)進(jìn)行海岸線現(xiàn)場(chǎng)照片和視頻獲取，獲取的照片和視頻數(shù)據(jù)包括無(wú)人機(jī)傾斜照片、正射照片、全景照片和無(wú)人機(jī)視頻。

2. 1 無(wú)人機(jī)傾斜照片獲取及預(yù)處理

無(wú)人機(jī)傾斜照片是指無(wú)人機(jī)相機(jī)在空中以一定傾斜角度對(duì)著地面拍照獲取的照片。無(wú)人機(jī)傾斜照片獲取時(shí)，將無(wú)人機(jī)飛行至海岸線上空靠海一側(cè)，沿著海岸線方向飛行，并將相機(jī)傾斜角度設(shè)置成45°左右，朝向海岸線靠陸一側(cè)進(jìn)行拍攝，拍攝的照片中陸域部分約占2/3，海域部分約占1/3，無(wú)人機(jī)傾斜照片獲取時(shí)需確保一定的航向重疊。獲取的無(wú)人機(jī)傾斜照片可以從不同角度反映海岸線及周邊地物現(xiàn)狀，可作為海岸線類型研判的重要參考資料。

無(wú)人機(jī)傾斜照片獲取后，照片拍攝位置、拍照時(shí)間、拍攝角度和相機(jī)型號(hào)等信息寫入到了照片的屬性中（表1），通過(guò)讀取并分析照片的屬性信息，可提取無(wú)人機(jī)傾斜照片的位置和拍攝角度等屬性。

表1 大疆無(wú)人機(jī)照片部分屬性編碼說(shuō)明

2.2 無(wú)人機(jī)正射照片獲取及預(yù)處理

無(wú)人機(jī)正射照片是指無(wú)人機(jī)相機(jī)在空中垂直向下對(duì)著地面拍照獲取的照片。無(wú)人機(jī)正射照片獲取時(shí)，將無(wú)人機(jī)飛行至海岸線正上空，沿著海岸線方向飛行，并將相機(jī)拍攝角度設(shè)置成垂直向下進(jìn)行拍攝，拍攝時(shí)需確保一定的航向重疊。獲取的無(wú)人機(jī)正射照片可以從垂直視角查看海岸線及周邊地物，經(jīng)過(guò)快速地理定位的無(wú)人機(jī)正射照片可以作為海岸線位置及走向的重要參考數(shù)據(jù)。

無(wú)人機(jī)正射照片獲取后，從照片屬性信息（表1）中讀取拍照中心點(diǎn)的緯度（B0，換算成投影坐標(biāo)后為X0）、經(jīng)度（L0，換算成投影坐標(biāo)后為Y0）、相對(duì)高度（A）、航向角（k）、照片寬度（W0）和照片高度（H0），結(jié)合拍照相機(jī)焦距（f），可以計(jì)算正射照片四個(gè)角點(diǎn)投影到地面的平面坐標(biāo)，計(jì)算示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 正射照片四個(gè)角點(diǎn)投影坐標(biāo)計(jì)算示意圖

照片四個(gè)角點(diǎn)投影坐標(biāo)計(jì)算公式如下：

說(shuō)明：大疆無(wú)人機(jī)自帶云臺(tái)，俯仰角和翻滾角當(dāng)作0°處理。

根據(jù)照片四個(gè)角點(diǎn)平面坐標(biāo)以及照片寬度和高度，可以計(jì)算生成照片對(duì)應(yīng)的地理校正文件（*.jgw 格式），地理校正文件用于記錄照片的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放等參數(shù)，可以將無(wú)人機(jī)正射照片校正到對(duì)應(yīng)的投影坐標(biāo)系。地理校正文件參數(shù)計(jì)算公式如下：

上述方法可以對(duì)無(wú)人機(jī)正射照片進(jìn)行快速地理定位，將照片“投影”到地面后，可以作為海岸線位置走向的參考數(shù)據(jù)。經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證，在沿海地形平坦的區(qū)域，采用帶實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分系統(tǒng)（Real-time Kinematic，RTK）的無(wú)人機(jī)獲取的正射照片，地理定位后的照片中地物可以達(dá)到米級(jí)甚至亞米級(jí)的位置精度。由于該地理定位方法未做真正意義上的正射校正，無(wú)法消除地形影響，對(duì)于地形起伏較大的區(qū)域，照片上地物位置精度并不可靠，建議僅在平坦區(qū)域使用該定位方法。

2.3 無(wú)人機(jī)全景照片獲取及預(yù)處理

無(wú)人機(jī)全景照片是指無(wú)人機(jī)相機(jī)在不同飛行高度并朝不同角度拍照后，拼接成的包含360°完整場(chǎng)景范圍的照片。無(wú)人機(jī)全景照片獲取時(shí)，將無(wú)人機(jī)飛行至海岸線正上空，采用全景圖像自動(dòng)拍攝模式進(jìn)行全景照片采集，不支持全景圖像自動(dòng)拍攝的無(wú)人機(jī)需要按照一定規(guī)則進(jìn)行手動(dòng)全景照片采集。根據(jù)實(shí)際工作需要，無(wú)人機(jī)全景照片可以每隔一段間距，或者在海岸線重要拐點(diǎn)、分界點(diǎn)等特征點(diǎn)處進(jìn)行采集。無(wú)人機(jī)全景照片可以反映海岸線特征點(diǎn)上360°場(chǎng)景范圍的現(xiàn)狀，能夠更加直觀地展示海岸線類型及開發(fā)利用現(xiàn)狀等信息。無(wú)人機(jī)全景照片獲取后，可以參考傾斜照片進(jìn)行拍照位置等信息的提取。

2.4 無(wú)人機(jī)視頻獲取及預(yù)處理

無(wú)人機(jī)視頻是指在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中對(duì)著地面錄制的視頻。無(wú)人機(jī)視頻獲取時(shí)，將無(wú)人機(jī)飛行至海岸線上空靠海一側(cè)，并將相機(jī)傾斜角度設(shè)置成45°左右，沿著海岸線方向飛行并錄制視頻，視頻錄制時(shí)需開啟字幕，以便后續(xù)根據(jù)字幕信息提取飛行軌跡。無(wú)人機(jī)視頻可以連續(xù)記錄海岸線所在區(qū)域的開發(fā)利用現(xiàn)狀、海岸線類型、周邊地物及其動(dòng)態(tài)特征，是反映海岸線現(xiàn)狀的重要數(shù)據(jù)資料。

無(wú)人機(jī)視頻獲取后，每幀視頻錄制時(shí)的位置和姿態(tài)信息、飛行速度等屬性均寫入到了視頻字幕中（圖2），并存儲(chǔ)在視頻文件中，通過(guò)讀取并分析視頻字幕信息，可提取每幀視頻錄制時(shí)的位置，從而獲取完整的飛行軌跡。

圖2 大疆無(wú)人機(jī)視頻字幕信息

廣東省海岸線修測(cè)工作中共獲取了無(wú)人機(jī)視頻6 000 多個(gè)，各類型無(wú)人機(jī)照片60 多萬(wàn)張。根據(jù)《全國(guó)海岸線修測(cè)技術(shù)規(guī)程》要求，獲取的照片和視頻需要根據(jù)岸段和測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行分類整理。面向如此大數(shù)據(jù)量的照片視頻整理工作，研發(fā)一套無(wú)人機(jī)照片視頻綜合管理系統(tǒng)，并提供照片視頻自動(dòng)整理和批量導(dǎo)出等功能，顯得十分必要。

3 無(wú)人機(jī)照片視頻管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

結(jié)合上述研究并參考海岸線修測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)管理研究的經(jīng)驗(yàn)[7-9]，本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

3.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)分為矢量數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)兩部分。矢量數(shù)據(jù)為無(wú)人機(jī)照片和視頻位置、軌跡及地面覆蓋范圍提取后生成的矢量圖層，矢量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ArcGIS 個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)（Personal Geodatabase，PGDB） 中，PGDB 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 是Microsoft Office Access 數(shù)據(jù)庫(kù)格式，可以同時(shí)存儲(chǔ)矢量圖層和屬性數(shù)據(jù)，系統(tǒng)矢量圖層設(shè)計(jì)見(jiàn)表2；文件數(shù)據(jù)包括無(wú)人機(jī)照片和視頻等文件，該部分?jǐn)?shù)據(jù)按照統(tǒng)一規(guī)則進(jìn)行命名后存儲(chǔ)在指定的文件夾位置。矢量數(shù)據(jù)與文件數(shù)據(jù)通過(guò)文件存儲(chǔ)路徑進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

表2 系統(tǒng)矢量圖層設(shè)計(jì)

3.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括三大功能模塊（圖4），分別是無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)查詢模塊和海岸線照片視頻導(dǎo)出模塊。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)入庫(kù)模塊主要包括無(wú)人機(jī)照片入庫(kù)和無(wú)人機(jī)視頻入庫(kù)等功能；無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)查詢模塊主要包括無(wú)人機(jī)照片查詢和無(wú)人機(jī)視頻查詢等功能；海岸線照片視頻導(dǎo)出模塊主要包括海岸線照片視頻掛接和海岸線照片視頻導(dǎo)出等功能。

圖4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)圖

3.4 系統(tǒng)軟硬件環(huán)境介紹

本系統(tǒng)擬采用Visual Studio C# 2010 對(duì)ArcGIS 10.2進(jìn)行二次開發(fā)。系統(tǒng)開發(fā)所需軟硬件環(huán)境見(jiàn)表3。

表3 系統(tǒng)開發(fā)軟硬件環(huán)境

4 無(wú)人機(jī)照片視頻管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)主界面

本系統(tǒng)主界面（圖5）包括菜單欄、工具欄、圖層列表、地圖窗口、制圖窗口和狀態(tài)欄等信息，系統(tǒng)主要功能模塊存放在菜單欄中。地圖窗口中主要加載項(xiàng)目無(wú)人機(jī)照片位置數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)正射照片覆蓋范圍、無(wú)人機(jī)視頻錄制軌跡、海岸線和地理底圖等數(shù)據(jù)。

圖5 廣東省海岸線修測(cè)照片視頻管理系統(tǒng)主界面

4.2 無(wú)人機(jī)照片視頻批量入庫(kù)

4.2.1 無(wú)人機(jī)照片批量入庫(kù) 無(wú)人機(jī)照片包括傾斜照片、正射照片和全景照片。無(wú)人機(jī)照片入庫(kù)時(shí)，根據(jù)無(wú)人機(jī)相機(jī)拍攝傾斜角度自動(dòng)區(qū)分正射照片和其他照片，根據(jù)照片尺寸和寬高比例自動(dòng)區(qū)分全景照片和傾斜照片。無(wú)人機(jī)照片入庫(kù)時(shí)，程序自動(dòng)解析存儲(chǔ)在照片屬性中的位置和姿態(tài)等信息，并將照片拍攝位置以及正射照片地面覆蓋范圍存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的矢量圖層中；無(wú)人機(jī)視頻文件按照拍攝時(shí)間、飛機(jī)型號(hào)及拍攝角度等信息命名后，存儲(chǔ)到指定文件夾下。

4.2.2 無(wú)人機(jī)視頻批量入庫(kù) 無(wú)人機(jī)視頻入庫(kù)時(shí)，程序自動(dòng)解析存儲(chǔ)在視頻字幕中的位置和姿態(tài)信息，并按照1 s 間隔提取視頻字幕中的位置信息，連接成軌跡后，存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的矢量圖層中；視頻文件按照獲取時(shí)間及視頻時(shí)長(zhǎng)等信息命名后，存儲(chǔ)在指定的文件夾下。

4.3 無(wú)人機(jī)照片視頻查詢統(tǒng)計(jì) 本系統(tǒng)提供無(wú)人機(jī)照片視頻空間范圍查詢和屬性查詢?？臻g范圍查詢是指通過(guò)在地圖上框選待查詢的區(qū)域，系統(tǒng)將列出框選范圍內(nèi)所有的無(wú)人機(jī)照片視頻記錄；屬性查詢是指通過(guò)無(wú)人機(jī)照片對(duì)應(yīng)的相機(jī)類型、照片所在行政區(qū)域以及照片拍照高度等屬性條件進(jìn)行記錄篩選。查詢到的無(wú)人機(jī)照片或視頻可以直接瀏覽（圖6），也可以根據(jù)照片或視頻位置在地圖上定位；無(wú)人機(jī)正射照片還可以采用快速地理定位方式“投影”到地圖中，與海岸線和底圖影像數(shù)據(jù)對(duì)比（圖7）。

圖6 無(wú)人機(jī)照片視頻查看界面

圖7 無(wú)人機(jī)正射照片快速地理定位

本系統(tǒng)還提供所有已入庫(kù)無(wú)人機(jī)照片和視頻數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計(jì)功能，并可按照照片類型、相機(jī)類型和所在行政區(qū)域等屬性進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

4.4 無(wú)人機(jī)照片視頻導(dǎo)出

根據(jù)《全國(guó)海岸線修測(cè)技術(shù)規(guī)程》要求，外業(yè)獲取的照片視頻需要根據(jù)海岸線測(cè)量點(diǎn)和岸段進(jìn)行逐點(diǎn)和逐段整理。利用無(wú)人機(jī)照片視頻的空間位置與海岸線矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析，并結(jié)合拍照角度等信息將海岸線附近的照片和視頻文件掛接到對(duì)應(yīng)的岸段中，最后根據(jù)掛接結(jié)果以及照片視頻成果格式要求，逐測(cè)量點(diǎn)或逐岸段進(jìn)行照片和視頻導(dǎo)出。

5 結(jié) 論

本文結(jié)合廣東省海岸線修測(cè)實(shí)際工作，采用設(shè)定的方法進(jìn)行海岸線無(wú)人機(jī)照片和視頻獲取，并通過(guò)對(duì)ArcGIS 軟件進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建了一套無(wú)人機(jī)照片視頻管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)照片視頻文件的批量入庫(kù)和快速瀏覽、無(wú)人機(jī)照片位置和視頻軌跡的自動(dòng)提取、無(wú)人機(jī)單張正射照片的快速地理定位、以及海岸線照片視頻自動(dòng)掛接和導(dǎo)出等功能，在海岸線修測(cè)工作中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。本文研究主要成果包括：（1）利用無(wú)人機(jī)照片中的位置和姿態(tài)信息對(duì)正射照片進(jìn)行快速地理定位，將照片“投影”到地面上，定位結(jié)果具有較高的位置精度，在特定場(chǎng)景下可以將無(wú)人機(jī)照片快速應(yīng)用于空間分析和信息提??；（2）將無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取及管理與海岸線修測(cè)工作結(jié)合，探索了無(wú)人機(jī)照片視頻在外業(yè)調(diào)查取證和資料獲取中的系統(tǒng)性應(yīng)用，為消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在海洋行業(yè)的應(yīng)用提供了借鑒。