無人機航攝系統在海洋領域的技術應用

□ 王雪寶 陳 沖

（浙江省海洋技術與信息中心，浙江 杭州 310012）

0.引言

近年來，隨著飛行器制造和電子技術的進度以及精密定位、通訊、數據處理等關鍵技術的成熟，利用無人機系統以高分辨率機載傳感器、快速的數據處理系統為技術支撐，無人機遙感技術在我國海洋領域得到了廣泛應用，但高分辨率無人機遙感影像在海洋資源調查、海洋災害、海洋環境以及海洋執法等領域的應用還是比較少的。

本項目利用無人機系統以技術創新帶動海洋執法、海洋環境監測、海洋資源、災害應急等管理水平的提升，對航空影像數據獲取與數據處理能力進一步加強，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、“一打三整治”工作拓展提供了強有力的技術保障手段。本文的無人機系統通過其作業時效性、成果可靠性及海洋測繪質量的整體優越性及低成本已超越了常規海洋測繪范疇，本項目成果的有效利用解決了現實難題，實現了多方共贏，為進一步加強海洋綜合管理，整合海洋資源提供了技術基礎。

1.無人機航攝系統結構

該系統由無人機飛行平臺、遙感傳感器系統、飛行控制系統、通信系統、GPS實時動態差分定位系統、地面控制站系統、數據處理系統組成。

1.1 無人機飛行平臺

該飛行平臺為滑跑起降油動固定翼無人機（如圖1所示），機長2.2m，翼展3.4m，全高為0.7m，空機重量18kg，最大起飛重量 35kg，最大載荷重量10kg，燃料類型97號汽油，最大續航時間8h，最大飛行高度5000m，抗風能力6級（非持續側風），巡航速度100km/h。具體作業能力（如表1所示）。

表1 無人機系統航測作業能力

圖1 無人機平臺

1.2 遙感傳感器

傳感器為尼康D810相機，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。該機身重量約810g，鏡頭重量205g，內存卡32GB，快門速度30-1/8000s。

1.3 GPS實時動態差分系統

該系統采用GPS實時差分技術，即無人機設備上加載GPS接收機，在地面已知點上架設GPS基準站，通過接收衛星信號，確定無人機的空間位置。該系統由GPS接收機、地面GPS基準站、地面基站GPS數據發射器、GPS數據差分處理器組成。執行自主飛行作業時，必須是GPS實時差分模式。

1.4 地面站系統

地面站控制是無人飛行器的飛行監控和控制平臺，主要由電源、計算機、通信設備、圖像采集和處理設備組成。地面站主要功能為：向飛行器發送各種飛行指令，監控并顯示飛行器狀態和各個傳感器，在地圖上跟蹤飛行器航線，進行航線規劃，配置飛控的各種參數，控制任務載荷等。

2.飛行作業與數據處理

2.1 作業區域概況

本次作業區域為溫州市蒼南縣大漁灣（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殖區域,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。

近年來紫菜養殖效益可觀，紫菜養殖面積高達5萬畝，海灣內養殖面積已經飽和，隨著新養殖戶的增加，搶“地盤”現象日益凸顯，鎮與鎮、村與村、戶與戶之間的邊界糾紛時常發生。為破解養殖用海亂象，創新實施大漁灣養殖用海二級承包工作，開展利用無人機航測的技術確定戶與戶、村與村、鎮與鎮之間的養殖區域的經緯度界線，避免因養殖區域交叉而導致糾紛。

圖2 作業范圍圖

2.2 作業技術流程

2.2.1 航攝情況

本次作業時間為2016年11月11日，晴，無霧霾，微風，氣溫 21℃～10℃，上午 10：00 開始準備，起飛地點為新修的水泥公路上，寬約8m，離作業區域中心位置約12km，10：30開始航攝，航攝完成歷時5h，共計兩架次，航攝面積95km2，設計南北航線為34條，航線總長度為355km；共拍攝像片2907張，有效像片2875張；設計地面分辨率為10cm，航高為550m,航向重疊度為85%，旁向重疊度為65%；相機類型為尼康D810，單像片大小為5500像素×4500像素，相機焦距35mm。

2.2.2 航線設計及單像片成果展示

第一架次航線設計圖（如圖3所示）

精確航線設計：設置坐標范圍、傳感器參數、重疊度、地面分辨率、攝影比例尺，進行航線編輯，設計飛行方向、補飛措施，統計輸出導航文件。

圖3 航線設計圖

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 數據處理

2.3.1 空中三角測量

本項目采用航空影像數據處理軟件Pix 4DMapper進行空三加密。在Pix 4DMapper上直接導入數碼相機參數和控制點成果，通過自動匹配相關影像產生自動匹配點，對海面點位不足區域，以養殖圍桿為基準進行人工加點。本項目忽略高程注記。在像片上量測外業控制點后，通過光束法平差后，輸出加密成果。

2.3.2 數字正射影像圖（DOM）生產

使用Pix 4DMapper完成DOM的數據采集拼接，并由PhotoShop來完成DOM后期調色處理。數字正射影像（DOM）的地面分辨率為0.1m，成圖范圍為內圖廓線外擴10個像素并且無影像區域自然留白。

2.3.3 DEM獲取

圖5 DOM工藝流程

將空三成果數據導入Pix 4DMapper生成DEM。像對定向，在全數字攝影測量立體采編系統的測區管理模塊下，將影像數據、加密成果導入該系統內，由系統自動完成像對定向。單片糾正，利用全數字攝影測量立體采編系統測區管理的正射影像制作功能，以像片為單位，按照每個像對的范圍，以像主點為中心，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

對圖幅范圍內需要鑲嵌的所有單片正射影像，利用軟件對其進行勻光、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，圖幅裁切按照內圖廓線范圍外擴10像素裁切。

2.3.5 正射影像修飾

本著自然美觀的原則，應對影像進行適當調整，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，進行DOM檢查輸出成果。

2.3.6 外業檢核點測量

利用浙江省級CORS系統的網絡RTK技術，在GPS信號正常，固定解狀態下采集數據。對每個檢核點采集兩次，測量結果平面位置較差小于5cm的取其均值作為最終測量成果。平面檢核點點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容。

檢核點測量情況。

2.3.7 精度統計

圖6 現場檢核圖

依據實地GPS RTK實測檢核點坐標與在ArcCIS下讀取的同名像點坐標的較差，按公式（1）進行計算統計。

本項目無人機航攝要求影像分辨率優于10cm，平面位置測量精度優于1m。經無人機專業軟件自動測試完畢后，本項目成果影像分辨率為8.57cm，滿足設計要求；由于區域位置情況特殊，平面檢核點選擇比較困難，最終外業測量平面檢核點32個。DOM精度統計情況（如表2所示）。

3.結束語

3.1 溫州市蒼南縣大漁灣紫菜養殖區調查首次采用無人機航攝作業，獲取高清晰無人機影像，無人機航攝高度550m，分辨率8.57cm，平面位置精度0.63m，完全能滿足紫菜養殖區范圍內各行政村的養殖區域界線調查的需要。該無人機作業方式打破了常規海洋測繪、調查的作業模式，極大地提高了工作效率，節約了大量成本，只需要相關責任單位及人員在影像圖面標出養殖界線界址點即可，為調查生成DLG圖提供了便利。由于本項目實施在沿海區域，相關檢核點主要選擇在岸線的陸地上，海域中尚無選擇檢核點。

表2 DOM精度檢查統計

3.2 本次無人機航攝系統作業取得了初步成果，是一次新技術的嘗試?？萍际堑谝簧a力，以技術創新帶動海洋執法、海洋環境監測、海洋資源、災害應急等管理水平的提升，形成海域遙感監測數據采集能力，是海洋管理發展的方向。相信無人機航攝系統在海洋領域將會得到很好地利用，并會有廣闊的應用前景。

3.3 本次海上無人機作業的順利實施，快速、有效地獲取了基礎海域數據，為蒼南縣養殖用海二級承包改革提供強力數據支撐，對強化國有海域有償使用、完善大漁灣養殖海域管制長效機制、促進海域生態保護等具有積極意義，化解了社會矛盾、打破發展瓶頸，解放和發展生產力，增進了人民福祉，并為浙江省探索一條養殖用海改革提供了基礎的技術保障。