無(wú)人機(jī)無(wú)人船海陸空間信息一體化測(cè)繪方法研究

汪大超，柳華橋，向榮，唐琨

(天津市測(cè)繪院有限公司，天津 300381)

1 引 言

隨著近海水域的不斷開(kāi)發(fā)和城市化建設(shè)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等非載人式勘測(cè)技術(shù)在水下地形應(yīng)用中越來(lái)越受到行業(yè)重視[1，2]，其非接觸式的特點(diǎn)能保障作業(yè)人員的生命安全，其靈活、機(jī)動(dòng)、低成本的特點(diǎn)能大幅提高生產(chǎn)效率，陸海多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)愈發(fā)成熟，將多種無(wú)人技術(shù)綜合應(yīng)用于測(cè)繪實(shí)踐的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

在內(nèi)湖等測(cè)量領(lǐng)域，尤其是淺水區(qū)的水深測(cè)量中，單波束無(wú)人船是一種應(yīng)用比較廣泛的自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備[3]。在內(nèi)湖水深測(cè)量時(shí)，無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)無(wú)須搭載人員，安全系數(shù)高，數(shù)據(jù)采集量大等特點(diǎn)大幅降低了人員落水風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)強(qiáng)度[4]。但在淺灘、礁石、漁網(wǎng)等出水地物較多的復(fù)雜水域中，傳統(tǒng)載人船測(cè)量手段可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況隨時(shí)調(diào)整航行路線(xiàn)，而無(wú)人船受其搭載的衛(wèi)星影像的精度和現(xiàn)勢(shì)性問(wèn)題，不能反映水面的實(shí)際工作狀態(tài)，導(dǎo)致無(wú)人船在復(fù)雜水域的擱淺風(fēng)險(xiǎn)增大，甚至無(wú)法開(kāi)展自動(dòng)導(dǎo)航的工作。此時(shí)，作業(yè)員只能采用手動(dòng)作業(yè)模式，對(duì)視線(xiàn)附近的水上障礙物進(jìn)行合理規(guī)避，但對(duì)于遠(yuǎn)灘或遠(yuǎn)岸的障礙物，當(dāng)船體離操控者太遠(yuǎn)，或遮擋物較多，其自動(dòng)規(guī)劃航線(xiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景大大受限。會(huì)大量增加操控量，使船體安全面臨較大風(fēng)險(xiǎn)，極大限制無(wú)人船的應(yīng)用場(chǎng)景。全部采用人工操控的方法又對(duì)作業(yè)員要求很高，低矮視角導(dǎo)致無(wú)法規(guī)避所有障礙等因素，嚴(yán)重制約了復(fù)雜水域的作業(yè)效率。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)為解決上述難題提供了一種新的解決方案[5]。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，則具有機(jī)動(dòng)性高、地形分辨率高、自動(dòng)化程度高、正射影像現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以將無(wú)人機(jī)生成的正射影像作為無(wú)人船的工作底圖[6]，合理地規(guī)劃無(wú)人船的航線(xiàn)，規(guī)避淺灘、礁石、漁網(wǎng)等各類(lèi)出水地物，實(shí)現(xiàn)空域和水域的協(xié)同作業(yè)。為此，本文提出無(wú)人機(jī)無(wú)人船在內(nèi)湖等淺水條件下的海陸空間信息一體化測(cè)繪方法，工程實(shí)踐說(shuō)明了方法的有效性。

2 無(wú)人機(jī)無(wú)人船海陸空間信息一體化測(cè)繪方法

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、分辨率高，操作簡(jiǎn)單，能提供包括DOM、DSM、三維模型等多種數(shù)據(jù)成果[7]，被廣泛應(yīng)用于工程測(cè)繪、大比例尺地形測(cè)繪等領(lǐng)域中[8]。其配合無(wú)人船水下測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)導(dǎo)航功能，既能實(shí)現(xiàn)船體航線(xiàn)依據(jù)實(shí)時(shí)影像的自動(dòng)規(guī)劃、自動(dòng)航行、自動(dòng)返航等指令的實(shí)施，還能充分利用無(wú)人船的自動(dòng)避障、人工介入、畫(huà)面回傳等功能，提高船體操控的安全性，實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)內(nèi)水上和水下地形的無(wú)接觸式、全覆蓋、高精度測(cè)量。

無(wú)人機(jī)無(wú)人船海陸空間信息一體化測(cè)繪方法首先通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行攝影測(cè)量工作，獲取測(cè)區(qū)的實(shí)時(shí)正射影像，然后將此影像作為工作底圖進(jìn)行無(wú)人船的測(cè)區(qū)劃分和航線(xiàn)規(guī)劃等工作[9]。再由無(wú)人船開(kāi)展水深數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集，通過(guò)軟件生成水下DEM模型。最后與無(wú)人機(jī)空三模型構(gòu)建的水上DEM模型融合處理，獲取海陸空間信息一體化成果，用以計(jì)算出測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的土方量等應(yīng)用[10]。

無(wú)人機(jī)無(wú)人船海陸空間信息一體化測(cè)繪方法作業(yè)流程如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)融合是將水上水下的柵格DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、坐標(biāo)系統(tǒng)、高程基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采樣間隔等，然后刪除無(wú)人機(jī)采集的水面DEM數(shù)據(jù)，只保留出水部分的數(shù)據(jù)，即將重疊區(qū)域的數(shù)據(jù)刪除，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和重采樣，最后輸出整合后的DEM數(shù)據(jù)。

圖1 無(wú)人機(jī)無(wú)人船一體化作業(yè)流程

3 工程應(yīng)用實(shí)例

位于天津市中新生態(tài)城某處鄰近渤海灣的待開(kāi)發(fā)地塊，要求實(shí)測(cè)測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的水下及岸上地形圖，并計(jì)算該區(qū)域的填挖土方量。該區(qū)域被分隔為多個(gè)獨(dú)立水域，總面積約 0.7 km2，各獨(dú)立水域內(nèi)還存在多處內(nèi)島、淺灘、養(yǎng)蝦網(wǎng)等出水地物，且在不同水位時(shí)期的岸線(xiàn)范圍變化較大，無(wú)論是用載人大船還是無(wú)人船自動(dòng)測(cè)圖都存在較大困難和擱淺風(fēng)險(xiǎn)。為充分采集該區(qū)域的水深和地面數(shù)據(jù)，需采用無(wú)人機(jī)無(wú)人船一體化作業(yè)模式。

3.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)采集正射影像

本項(xiàng)目航測(cè)作業(yè)采用大疆精靈4RTK無(wú)人機(jī)執(zhí)行影像采集任務(wù)，作業(yè)飛行高度設(shè)定為 150 m，地面分辨率為 4.11 cm，航測(cè)耗時(shí) 22 min，進(jìn)行實(shí)時(shí)正射影像重建耗時(shí) 30 min，短時(shí)間內(nèi)即生成了現(xiàn)勢(shì)高分辨率影像，衛(wèi)星影像與正射影像對(duì)比圖如圖2所示。由正射影像可見(jiàn)，在西側(cè)獨(dú)立水域的中心，有一處距岸邊 300 m，長(zhǎng)約 280 m，寬約 170 m的湖心島，該島在水位較淺時(shí)可外擴(kuò)約 50 m，并與周?chē)渌麥\灘連成一體，在高水位時(shí)，將進(jìn)一步縮小其岸線(xiàn)位置。因此，如果僅采用衛(wèi)星影像規(guī)劃無(wú)人船自動(dòng)航線(xiàn)，影像的現(xiàn)勢(shì)性無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)劃需求；如果采用作業(yè)員手動(dòng)操控?zé)o人船，則無(wú)法判斷船體與操控者、船體與湖心島岸邊的距離等問(wèn)題，容易造成擱淺、數(shù)據(jù)采集密度不足等問(wèn)題。采用無(wú)人機(jī)正射影像輔助無(wú)人船一體化作業(yè)，上述困難則迎刃而解。

圖2 衛(wèi)星影像(左)與正射影像(右)對(duì)比圖

3.2 無(wú)人船采集水深數(shù)據(jù)

本項(xiàng)目水深作業(yè)采用合眾思?jí)裊B100無(wú)人船，無(wú)人船自重約 10 kg，吃水深度 0.12 m，方便運(yùn)輸和操控。針對(duì)西側(cè)的獨(dú)立水域，使用正射影像規(guī)劃2條航線(xiàn)，導(dǎo)入無(wú)人船開(kāi)展自動(dòng)化測(cè)深作業(yè)。結(jié)合無(wú)人機(jī)正射影像的航線(xiàn)規(guī)劃如圖3所示。

圖3 航線(xiàn)規(guī)劃圖

3.3 數(shù)據(jù)融合和土方計(jì)算

數(shù)據(jù)采集完成后，使用Pix4D處理無(wú)人機(jī)的航測(cè)數(shù)據(jù)，使用楚航無(wú)人船岸基控制軟件V11.12處理水深數(shù)據(jù)，將無(wú)人船和無(wú)人機(jī)的高程數(shù)據(jù)融合，最后使用Autodesk Map3D進(jìn)行土方量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，得到該區(qū)域填挖至 3.5 m的土方量為 1 302 181.3 m3。DEM構(gòu)網(wǎng)模型及計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 依DEM計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種在內(nèi)湖等復(fù)雜水域中，利用無(wú)人機(jī)和無(wú)人船開(kāi)展水上、水下地形測(cè)量的一體化作業(yè)方法，并通過(guò)數(shù)據(jù)融合，生成測(cè)區(qū)的數(shù)字高程模型等成果。在天津市中新生態(tài)城某水域的實(shí)踐應(yīng)用中，證實(shí)了該方法在復(fù)雜水域開(kāi)展自動(dòng)化測(cè)圖的可行性，構(gòu)建出高精度的水下和水上模型，重現(xiàn)測(cè)區(qū)水底地貌，實(shí)現(xiàn)了基于TIN的土方量估算，既保障了儀器設(shè)備的安全和人員安全，又大幅提高數(shù)據(jù)采集的效率和密度，為該項(xiàng)目的順利實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)，節(jié)省大量成本。

無(wú)人機(jī)、無(wú)人船的海陸空間一體化測(cè)繪，既彌補(bǔ)了無(wú)人機(jī)無(wú)法測(cè)得水深數(shù)據(jù)的缺陷，又實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜水域條件下無(wú)人船自動(dòng)航線(xiàn)的合理規(guī)劃和施測(cè)，能夠解決復(fù)雜水域中傳統(tǒng)測(cè)量手段無(wú)法到達(dá)的問(wèn)題，提高作業(yè)效率和精度，為海陸空間信息一體化采集開(kāi)辟了新的道路。