基于無人機(jī)聯(lián)合無人船的航道測繪分析

湯倩 馬新國

摘要：文章利用無人機(jī)實(shí)施二維重建，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行無人船測區(qū)劃定和測線布設(shè)，解決了無人船航測存在的問題，并根據(jù)航測后照片開展空三建模，獲取出水部分地物的三維模型，聯(lián)合無人機(jī)和無人船完成了航道測繪。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);無人船;航道測繪

中圖分類號(hào)：U612文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006—7973（2022）05-0075-03

目前，相對于測量船，無人船因吃水淺、機(jī)動(dòng)性高的優(yōu)勢在航道測繪中的應(yīng)用越來越普及，尤其是在淺灘水域的測量中得到了較好的應(yīng)用成效。隨著無人船在航道測繪中的應(yīng)用，眾多學(xué)者也進(jìn)行了深入的研究和分析，發(fā)現(xiàn)淺灘水域的航道測繪中無人船在實(shí)際應(yīng)用中還存在兩個(gè)方面的缺陷：一方面自動(dòng)化測量中的避障能力較弱，容易發(fā)生碰撞;另一方面視角較矮，難以滿足手動(dòng)操作的要求，且圖傳延遲。鑒于此有學(xué)者提出利用無人機(jī)的正射影像輔助無人船進(jìn)行測繪。本次研究基于無人機(jī)與無人船的聯(lián)合，通過協(xié)同作業(yè)完成淺灘水域的航道測繪，為該方面的研究提供有效參考。

1無人船測深系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

無人船測深系統(tǒng)包含任務(wù)模塊、推進(jìn)模塊、電源模塊、數(shù)傳模塊以及船體。岸基系統(tǒng)包含基站、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程控制軟件，如圖1所示。底部分別是測深儀、主控系統(tǒng)、羅盤、電源等，船上分別是數(shù)據(jù)傳輸天線、遙控器天線、GPS、攝像頭、避障雷達(dá)等等。

1.2無人船操作

1.2.1自動(dòng)航行模式

如圖2所示，自動(dòng)航行的應(yīng)用原理是根據(jù)坐標(biāo)文件或者是衛(wèi)星影像劃定測區(qū)，根據(jù)比例尺自動(dòng)生成路線開展航行，在不借助外界手動(dòng)遙控的基礎(chǔ)上完成測量工作。一般來說，自動(dòng)航行模式在開闊無障礙的水域較為適用，且能夠較大程度上降低外業(yè)測量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了超視距作業(yè)。

1.2.2手動(dòng)遙控模式

如圖3所示，手動(dòng)遙控模式主要是作業(yè)人員控制遙控器，通過對視野的判斷來決定無人船的行動(dòng)方向。手動(dòng)遙控模式一般適用于岸線較為復(fù)雜且具有出水障礙的水域中，對操控人員的要求較高。但是因船載攝像頭存在視野盲目、網(wǎng)絡(luò)圖傳輸延遲的劣勢，因此不能超視距作業(yè)。

1.3無人船航測優(yōu)勢

在航道測繪中，無人船的優(yōu)勢較為明顯，比如體積小、吃水淺和操作靈活，并且減少了儀器的安裝調(diào)試和船舶租賃的時(shí)間，通過和基站的功能結(jié)合還能降低測量中的勞動(dòng)強(qiáng)度，在淺灘水域的測量中較為適用[1]。

1.4無人船航測缺陷

無人船航測的范圍包含淺水區(qū)域、洲灘區(qū)域以及大船無法達(dá)到的區(qū)域，因?qū)嶋H地形與衛(wèi)星影像存在較大的差異，在不同水位下岸線的變化也存在較大的區(qū)別，因此自動(dòng)航行下較為容易發(fā)生擱淺或碰撞，通過手動(dòng)遙控操控也會(huì)出現(xiàn)視野盲區(qū)發(fā)生偏航，或者因水淺發(fā)生擱淺，導(dǎo)致航測工作難以開展。

2無人機(jī)航測系統(tǒng)

2.1無人機(jī)航測系統(tǒng)構(gòu)成

如圖4所示，飛行平臺(tái)、飛控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及空三三維建模是組成無人機(jī)航測系統(tǒng)的主要構(gòu)成。在本次實(shí)驗(yàn)中所選用的是大疆精靈4RTK無人機(jī)，在飛行平臺(tái)上集成了航測相機(jī)、差分定位模塊以及校準(zhǔn)模塊，遙控器終端通過飛控系統(tǒng)、圖傳和航線規(guī)劃完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]。

2.2無人機(jī)航測優(yōu)勢

與傳統(tǒng)人工作業(yè)的方式相比，無人機(jī)技術(shù)較為靈活，外業(yè)數(shù)據(jù)采集的效率較高，并且設(shè)備的成本較低，操作較為簡單，通過自動(dòng)化操作系統(tǒng)能夠降低外業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。與此同時(shí)無人機(jī)技術(shù)還能夠提供實(shí)景三維模型、DSM等等測繪成果，實(shí)現(xiàn)了免接觸時(shí)測量，在較為復(fù)雜的地理環(huán)境中同樣適用[3]。

此外，無人機(jī)的視野較為開闊，受益于RTK模塊、、三軸云臺(tái)和空三團(tuán)建算法以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，通過三維模型的構(gòu)建和正射影像的獲取能夠有效的滿足無人船航測規(guī)劃的需求，與傳統(tǒng)的GPS測量作業(yè)模式相比，精準(zhǔn)度較高。利用同步定位、地圖構(gòu)建和影像正射糾正算法，將其應(yīng)用在無人機(jī)操作中，實(shí)現(xiàn)了二維正射影像的實(shí)時(shí)生成。通過無人機(jī)與無人船的聯(lián)合應(yīng)用，代替了衛(wèi)星影像，能夠生成實(shí)時(shí)正射影像，在無人船自動(dòng)化測量和手動(dòng)操作應(yīng)用的過程中，解決了傳統(tǒng)模式中存在的弊端，在淺灘水域具有良好的應(yīng)用。除此之外兩者聯(lián)合的精準(zhǔn)度和時(shí)效性較高，滿足了無人船科學(xué)航線規(guī)劃的實(shí)際要求，也能夠保障無人船作業(yè)過程的安全性[4]。

3基于無人機(jī)無人船聯(lián)合應(yīng)用的航測作業(yè)流程

基于無人機(jī)聯(lián)合無人船，在航道測繪的過程中其作業(yè)流程如圖5所示。

4案例分析

某長江航道整治建筑物位于某省界內(nèi)，要求實(shí)時(shí)測量整治建筑物范圍外延100m內(nèi)的水下、岸上地形以及建筑物根部陸地區(qū)域地形測至坡頂后50m范圍。河道地形圖的比為1：1000，針對洲頭鎖壩的圖比加密至1：500。本區(qū)域內(nèi)在不同水位條件下出水范圍變化較大，存在多處出水丁壩，拋石護(hù)灘帶，對于吃水較深、水深較淺的大船難以抵達(dá)，有人駕駛的測量船在航道測繪的過程中也存在一定的危險(xiǎn)性[5]。為了有效的分析區(qū)域內(nèi)的變化情況，先通過無人機(jī)和無人船的聯(lián)合實(shí)現(xiàn)全覆蓋的航道測量。

4.1無人機(jī)航測實(shí)時(shí)二維重建

本次航道測繪中采用大疆精靈4RTK無人機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行中利用衛(wèi)星影像規(guī)劃航線，無人機(jī)實(shí)施航測，并實(shí)時(shí)構(gòu)建二維影像，將衛(wèi)星影像與二維影像進(jìn)行對比，兩者之間的差距如圖6所示，因前后變化的差距較大，因此難以用作航線規(guī)劃方案[6]。

4.2二維影像重建下的無人船航線規(guī)劃

本次采用華微型號(hào)無人機(jī)進(jìn)行航測，輕便靈活，單人就可以完成操作，在淺灘水域的航道測繪中較為適用[7]。

重建二維影像規(guī)劃航道測繪的路線，將無人船適宜作業(yè)的區(qū)域規(guī)劃出來，之后利用系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)化的測深作業(yè)，如圖7所示，其航線的規(guī)劃如圖8所示。

4.3空三建模、陸域3D測圖

在無人機(jī)獲取航測照片之后進(jìn)行空三建模，采用Context Capture軟件獲取實(shí)景，通過3D測圖開展陸域地形的采集工作[8]。

5總結(jié)

本文針對無人機(jī)聯(lián)合無人船在淺灘水域的航道測繪中提供了有效的作業(yè)方案，并通過案例分析對無人機(jī)無人船的聯(lián)合應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了舉例說明，從而證實(shí)了無人機(jī)與無人船的聯(lián)合協(xié)同在較為復(fù)雜的淺灘水域能夠高效地完成測量任務(wù)。另外在文章的研究中還得出相關(guān)的結(jié)論：無人船在航道測繪的過程中具有輕便靈活的特點(diǎn)，吃水淺，在淺水、洲灘以及岸線的航道測繪中較為適用。另外無人機(jī)的應(yīng)用有效的滿足了無人船二維建模的規(guī)劃要求，并且最大程度上規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了高精準(zhǔn)化測量。除此之外無人機(jī)無人船的聯(lián)合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)，和傳統(tǒng)模式相比，兩者結(jié)合的模式在較為復(fù)雜的淺灘水域仍然適用，且能夠完成全覆蓋測量任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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