內河航道管理中無人機的應用分析

嚴秀秀

（安徽省港航管理局淮河航道局，安徽 蚌埠 233000）

傳統(tǒng)的內河航道管理工作通常采用汽艇巡邏方式，以人工肉眼進行觀察，工作效率低，工作量大，不能及時發(fā)現(xiàn)問題，特別是對于地理條件較為惡劣的河段，難以實施有效的管理。無人機可攜帶多角度攝像機，結合機器視覺分析技術，快速實現(xiàn)針對性巡查，準確獲取位置信息，具有視角大、響應快、方便取證等特點，非常適合航道管理應用[1-2]。本文研究淮河航道管理中的無人機應用情況，對常見的應用場景進行分析，用實際數(shù)據(jù)對無人機航拍測量的光束法空中三角測量的精度進行論證。

1 無人機在航道管理中的應用

淮河安徽段具有險灘密布、沼澤遍布、植被密布、地形復雜等特點，全線航道管理困難。無人機可搭載多鏡頭高清攝像系統(tǒng)，具有視角大、響應及時、方便取證、準確度高等諸多優(yōu)點，可以很好地解決淮河航道巡視管理的難題。無人機在淮河的航道管理中有如下應用。

1）用于航道沿線構筑物的觀測。許多沿線構筑物會在枯水期露出水面，利用無人機對航道沿線構筑物進行觀測，完成點位坐標測量，開展巡檢工作，針對構筑物的變化情況和損毀情況進行統(tǒng)計。

2）用于臨河設施的測量?；春友鼐€的碼頭數(shù)量較多，浮式碼頭與水位的變化關系密切，無人機能快速測繪碼頭的數(shù)據(jù)，提供精確的位置變化信息。

3）用于岸線和險灘的測量。無人機進行航道測繪，精度高，效率高，能夠真實反映險灘與岸線的變化情況。

4）用于船舶位置的監(jiān)測。無人機可識別船只，準確測量船舶位置，對非法采砂等違法行為進行調查取證。

無人機在航道管理中的實際應用涉及無人機航拍測量，下文將對無人機航拍的測量原理進行闡述，并用實際數(shù)據(jù)評價測量精度。

2 無人機空中三角測量

2.1 光束法空中三角測量原理

無人機攜帶相機對地面的目標進行測量，通常采用光束法空中三角測量。測量時，由像片的一束光線組成平差單元，平差的基礎方程由中心投影的共線方程確定，然后通過投影空間的旋轉變換和平移變換，實現(xiàn)待測目標的光線交匯，形成公共點[3]。將整個待測區(qū)域的最佳交匯點融入到已知的控制點坐標系中，進行平差計算，進而確定地面坐標。測量原理見圖1。

圖1 光束法空中三角測量

目前，無人機航拍空間測量采用全自動處理的空三軟件，即利用上述原理，在無人機航拍的圖像中自動識別航向和旁向的像素點，將待測區(qū)域中各個航帶網(wǎng)融入到比例尺統(tǒng)一的坐標系統(tǒng)中，組成區(qū)域網(wǎng)。通過計算確認每張像片的外方位元素和地面點坐標的概略位置，然后根據(jù)外業(yè)控制點，逐點建立誤差方程式和改化方程式，求解方程得出每張像片的外方位元素和加密點的地面坐標[4]。對于一個待測區(qū)域來說，通常會有幾條甚至幾十條航帶，像片數(shù)將有幾十張甚至幾千張。通過疊加修正運算即可得到準確的測點地面坐標。光束法空中三角測量計算流程見圖2。

圖2 空中三角測量法的計算流程

2.2 無人機測量系統(tǒng)

本文使用的無人機巡航系統(tǒng)是大疆M300RTK+PSDK102S系統(tǒng)。技術參數(shù)見表1。PSDK102S系統(tǒng)是一款三軸五鏡頭傾斜攝像系統(tǒng)，中間鏡頭為主攝像鏡頭，能夠拍攝正視圖像，四周均布設4個傾斜鏡頭，可以拍攝傾斜圖像。5個鏡頭拍攝的圖像進行疊加運算，可得到修正的綜合圖像。

表1 大疆M300RTK+PSDK102S系統(tǒng)參數(shù)

2.3 無人機測量的精度分析

平面測量相對誤差和高程測量相對誤差是評價無人機在測量時精度的重要指標[5]。平面測量相對誤差的計算表達式為

高程測量相對誤差的計算表達式為

式（1）和式（2）中：Δx為x方向實測控制點的坐標值與無人機航拍測得的坐標值之差；Δy為y方向實測控制點的坐標值與無人機航拍測得的坐標值之差；Δh為高度方向Δh實測控制點的坐標值與無人機航拍測得的坐標值之差。

在淮河某段航道5 km范圍內，設定20個基準控制點，無人機沿預定航線進行平面測量和高程測量，航拍測量參數(shù)見表2?；鶞庶c的數(shù)量會影響加密運算精度，選擇以4～20的雙數(shù)基準控制點，共9種情況進行對比分析，獲取圖像共計50 000張，用于測量精度統(tǒng)計分析。

表2 無人機航拍測量參數(shù)

對平面測量和高程測量的結果進行分類統(tǒng)計，按照式（1）和式（2）計算測量結果的相對誤差，得到基于傾斜圖像的測量相對誤差（見表3），基于正視圖像的測量相對誤差數(shù)據(jù)（見表4），基于綜合圖像的測量相對誤差數(shù)據(jù)（見第66表5）。

表3 傾斜圖像測量的相對誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表4 正視圖像測量的相對誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由表3數(shù)據(jù)可知，基于傾斜圖像的測量結果中，平面測量的相對誤差最大為1.63%，高程測量的相對誤差最大為0.96%，均是出現(xiàn)在只有4個基準控制點的情況下。隨著基準控制點數(shù)增多，精度得到了明顯改善，當基準點數(shù)量達到12個時，平面測量相對誤差降至1%以內，測量精度尚可接受。

由表4數(shù)據(jù)可知，基于正視圖像的測量結果中，平面測量的相對誤差最大為1.05%，高程測量的相對誤差最大為0.56%，也是出現(xiàn)在基準控制點數(shù)最少的情況下。隨著基準控制點數(shù)增多，測量精度得到了大幅提升。

由表5數(shù)據(jù)可知，平面測量的相對誤差最大為0.73%，高程測量的相對誤差最大為0.31%，相應的變化規(guī)律與傾斜圖像和正視圖像測量數(shù)據(jù)反映的規(guī)律一致。

表5 綜合圖像測量的相對誤差統(tǒng)計數(shù)據(jù)

為了進行綜合對比分析，將傾斜圖像、正視圖像和綜合圖像得到的平面測量誤差數(shù)據(jù)繪制成曲線（見圖3），高程測量誤差數(shù)據(jù)繪制成曲線（見圖4）。

圖3 平面測量誤差數(shù)據(jù)曲線

圖4 高程測量誤差數(shù)據(jù)曲線

由圖3和圖4可知，基于傾斜圖像的測量誤差是最大的，傾斜攝像機在實際拍攝過程中，由于像片傾斜會引起像點位移，從而導致測量精度較低。相應的，基于綜合圖像的測量誤差，在平面測量和高程測量中，相對誤差均最小。綜合圖像是由5個攝像機拍攝的圖像疊加運算而成，系統(tǒng)對圖像進行了修正運算，因此測量精度最高?；谡晥D像的測量精度介于二者之間，但明顯優(yōu)于基于傾斜圖像的測量精度，在航道巡檢測量要求不高的任務中，可直接使用，減少系統(tǒng)運算量，進一步提高效率。此外，隨著基準點數(shù)量的增加，無人機測量系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)修正的能力增強，平面測量和高程測量的精度都得到了顯著提高。由此可見，選擇合適數(shù)量的基準控制點非常關鍵。

3 無人機在淮河航道管理中的運用

近期淮河流域遭遇嚴重氣象干旱，淮河全線水位快速下降，吳家渡附近水位降至11.35 m，已接近最低通航水位。津浦鐵路橋位于吳家渡水文站附近，此處的淺灘和礁石現(xiàn)已露出水面，嚴重影響船舶的航行安全。為保障淮河船舶航行安全，進一步掌握津浦鐵路橋附近淺灘的詳細情況，淮河航道局組織專業(yè)技術人員赴現(xiàn)場進行詳細勘測。測繪人員采用無人機對津浦鐵路橋附近淺灘進行弓字形多維度航拍，繪制高分辨率正視圖像，并拍攝了視頻資料，形成了津浦鐵路橋附近淺灘的詳實資料（見圖5）。為淮河航道的養(yǎng)護奠定了科學的數(shù)據(jù)基礎，同時，無人機等先進設備的應用也為淮河航道日常管理和應急保障提供了有力支撐。

圖5 重生成的二維影像圖

另外，無人機在淮河航道發(fā)生洪災、船舶碰撞等安全事故時，在救援人員不能及時抵達現(xiàn)場的情況下，無人機能及時掌握現(xiàn)場情況，為決策者提供第一手資料。

4 結束語

本文對無人機在淮河航道管理的應用場景進行了分析，闡述了光束法空中三角測量的原理，并對3種圖像得到的實際測量數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計。結果表明，基于綜合圖像的測量，在平面測量和高程測量方面，精度最高；基于正視圖像的測量精度次之；基于傾斜圖像的測量精度最低；隨著基準點數(shù)量的增加，3種圖像的測量精度得到了明顯改善。無人機在內河航道的巡檢，效率高，方便迅捷，測量準確，在航道管理上有很多優(yōu)勢。