海域無人機全景監視監測技術及其應用

王飛 陳一鶴 趙建華 王鵬 張建麗 景昕蒂

摘要：為充分利用先進設備和技術，提高我國海域使用動態監管水平，文章介紹無人機全景技術及其作業流程，并分析大筆架山海域無人機全景監視監測實例。研究結果表明：目前全景圖主要利用普通相機拍攝的照片經專業圖像軟件后期處理生成，在多個行業領域應用，結合無人機的利用可大大擴展視野，具有快速高效、安全可靠和操作簡便等優勢，但在測量、自動化和視距等方面仍存在局限性;無人機全景圖作業主要包括方案制訂、數據獲取、數據處理和圖像發布4個步驟;海域無人機全景監視監測工作的開展為大筆架山海域使用動態監管提供有力的數據支撐。

關鍵詞：全景圖;遙感技術;圖像拼接;航拍;海域使用動態監管

中圖分類號：TP79;X834文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2019）10-0065-04

Panoramic Surveillance and Monitoring Technology of Unmanned Aerial Vehicle in Sea Area and Its Application

WANG Fei1，CHEN Yihe2，ZHAO Jianhua1，WANG Peng1，ZHANG Jianli1，JING Xindi1

（1National Marine Environmental Monitoring Center，Dalian 116023，China;

2Jinzhou Natural Resources Service Center，Jinzhou 121007，China）

Abstract： In order to make full use of advanced equipment and technology，improving the dynamic supervision level of China′s sea area use，this paper introduced UAV panoramic technology and its operation process，and an example of UAV panoramic surveillance and monitoring in Dabijiashan sea area was analyzed.The results showed that：at present，panorama was generated by postprocessing of professional image software using photographs taken by ordinary cameras.Application in multiple industries，combining the use of UAV could greatly expand the field of vision.It was fast，efficient，safe，reliable and easy to operate.However，there were still limitations in measurement，automation and visual distance.UAV panoramic work mainly includes 4 steps：plan formulation，data acquisition，data processing and image publishing.The panoramic monitoring and monitoring of UAVs provides strong data support for the dynamic supervision of large scale mountain waters.

Key words：Panorama，Remote sensing technology，Image mosaic，Aerial photography，Dynamic supervision of sea area use

1無人機全景技術

11全景技術

全景技術屬于虛擬現實技術，利用相機拍攝的照片，通過技術模擬和還原拍攝位置的視場，使觀眾裸眼即可環視四周，獲得身臨其境的感覺，大大開闊人們的視野。

19世紀全景相機出現，人們以機械旋轉的方式獲取全景圖，但由于設備造價較高和圖像普遍存在形變，這種方式應用率較低。隨著圖像拼接技術的發展，尤其是20世紀末SIFT算法的提出，利用普通相機拍攝的照片經專業圖像軟件后期處理也能生成質量較高的全景圖，為全景圖的廣泛應用奠定技術基礎[1]。全景圖可在本地瀏覽或通過網絡發布，網絡發布的全景圖支持手機等多種客戶端的在線瀏覽，具有數據量小、可跨平臺和無需安裝軟件等特點。21世紀初，許多專業地圖軟件紛紛推出街景查看功能，全景圖被迅速熟知[2-3]，并擴展應用至多個行業領域。

基于不同的投影方式，全景圖主要包括柱面全景圖、立方體全景圖和球面全景圖。柱面全景圖僅在水平方向投影，可實現水平360°環視效果;立方體全景圖和球面全景圖的視野更大，可實現水平360°和垂直180°環視效果，但觀眾對二者的視覺感受略有不同，其中立方體全景圖的缺點為2個面之間的拐角不連貫，而球面全景圖的缺點為形變較大。目前主流應用立方體全景圖，海域使用動態監管宜應用球面全景圖和立方體全景圖[4-5]。

12我國無人機的發展及其在海域動態監管中的應用

無人機于1914年“一戰”期間由英國人發明。我國民用無人機起源于20世紀80年代，至21世紀初已在測繪、國土和氣象等多個行業領域廣泛應用。隨著技術的不斷成熟，以大疆無人機為代表的消費級多旋翼無人機快速發展，因其飛行穩定和操作簡便，得到攝影愛好者和飛行愛好者的青睞，無人機逐漸走入尋常百姓家[6]。

2011年遼寧省海域動態監管中心率先嘗試對大連市、盤錦市和錦州市重點海域開展無人機航拍工作。同年年底連云港市啟動海域無人機遙感監視監測試點工作。2013年遼寧省、江蘇省和海南省啟動第一批海域無人機遙感監視監測基地建設工作。至2018年我國海域無人機遙感監視監測已初步形成業務化工作體系，每年例行對重點海域和區域用海規劃開展無人機遙感監視監測[7-8]。

13無人機全景圖的優勢和局限性

受周圍物體的遮擋影響，采用常規方法在地面拍攝的照片視野有限，而利用無人機在空中拍攝將使視野大大擴展。經測試，飛行高度達到100 m時的有效視距為500～1 000 m，且拍攝的全景圖包含豐富的目標背景信息，可更加便利和清晰地了解目標所處環境，極大地提高監視監測效率，為海域使用動態監管提供有力的數據支撐。

利用無人機獲取全景圖主要具有3個優勢。①快速高效：根據經驗，1幅全景圖從數據獲取到發布用時僅約1 h，其中數據獲取約15 min、全景圖生成約20 min、平臺制作和發布約30 min，非常適用于應急現場監視監測;②安全可靠：無人機主要在可視范圍內飛行，無須規劃航線，且飛行高度較低和距離較近，事故率低;③操作簡便：利用消費級無人機，人員無須專業訓練即可完成飛行作業。

與此同時，利用無人機獲取全景圖主要存在3個方面的局限性。①全景圖只能用于場景展示，而無法對相關數據進行測量，其原因是全景圖僅是對圖像的拼接，而未計算像素空間的坐標點位;②由于無人機與第三方軟件存在兼容性問題，目前有效的自動獲取全景圖數據的軟件較少且價格昂貴，全景圖數據獲取以人工拍攝為主，當目標所在位置距無人機起飛點位較遠或天氣條件較差時，人工拍攝工作較辛苦;③飛行高度達到100 m時的有效視距為500～1 000 m，但進一步增加飛行高度并不能增加有效視距，因此當目標面積較大時，數據獲取過程中的現場點位較多，工作量較大，須合理布設點位。

2無人機全景圖作業流程

無人機全景圖作業主要包括4個步驟。①方案制訂：根據工作需求收集相關資料，規劃和確定空間點位、飛行高度和作業方式等;②數據獲取：開展現場調查，選擇起降場地和調整作業方案，并開展飛行作業;③數據處理：對現場獲取的數據進行檢查、預處理、拼接和成圖等;④圖像發布：通過各種平臺發布全景圖。

21外業數據獲取

外業數據主要利用旋翼無人機空中拍攝的方式獲取，在滿足飛行條件的情況下有2種數據獲取方式。

（1）以垂直方向為主要方向。①將鏡頭調整至水平方向，轉動無人機機頭，選擇1個方向并保持不動，讓鏡頭沿垂直方向向下拍攝，相鄰2張照片的重疊度不低于30%，直到鏡頭轉動至正對地面，從而完成第一組拍攝;②保持無人機位置不動，將鏡頭恢復至水平方向，轉動無人機機頭，使其畫面與第一組照片在水平方向的重疊度不低于30%，重復上述拍攝步驟，從而完成第二組拍攝。以此類推完成1個點位的360°拍攝。

（2）以水平方向為主要方向。①將鏡頭調整至水平方向，轉動無人機機頭，讓鏡頭沿水平方向拍攝，相鄰2張照片的重疊度不低于30%，直到無人機機頭旋轉360°，從而完成第一組拍攝;②保持無人機位置不動，向下調整鏡頭角度，使其畫面與第一組照片在垂直方向的重疊度不低于30%，重復上述拍攝步驟，直到拍攝全部角度，從而完成第二組拍攝。以此類推完成1個點位的拍攝。

在重疊度較低的情況下，每次須拍攝照片約30張，如在海邊建議適當提高重疊度，以保證圖像拼接時有足夠的同名特征點。此外，由于缺少垂直向上的拍攝，全景圖將缺失天空信息，應采用相同的方法拍攝天空照片或利用專業圖像軟件補充缺失信息。

22內業數據處理

目前全景圖的數據處理技術已較成熟，應用較多的專業圖像軟件包括Photoshop、PTGui、Autopano Giga和Panorama Studio等。數據處理主要包括7個步驟：①選擇投影方式進行圖像投影;②提取投影圖像的特征點;③匹配圖像之間的特征點;④根據匹配的特征點計算變換矩陣;⑤根據變換矩陣變換圖像;⑥拼接相鄰圖像;⑦生成全景圖。

對于拼接錯位較嚴重的區域，還須人工調整局部特征點，剔除錯誤的匹配特征點，增加人工特征點，從而保證全景圖的質量。在實際應用中，專業圖像軟件的自動化和智能化程度很高，通常20～60張的原始圖像約10 min即可拼接完成，大大提高工作效率。

23平臺圖像發布

全景圖完成后可通過Flash和網頁等形式在本地瀏覽，也可通過網絡平臺在手機等終端瀏覽。目前國內主流平臺以網頁瀏覽為主，均提供全景圖上傳、編輯和發布服務，主要包括7項功能，用戶可根據需求選擇應用。①上傳：將全景圖上傳至平臺進行線上編輯;②初始視角：將全景圖某角度的初始位置作為初始視角，打開全景圖時即從該位置開始瀏覽;③熱點：熱點以圖標的形式表現在全景圖中，可進行全景圖切換以及添加文本、圖片、鏈接、音頻和視頻等操作，大大豐富全景圖的功能;④背景音樂：打開全景圖時可同時欣賞圖像和音樂，實現“人在景中”的效果;⑤特效：在全景圖中添加陽光和雨雪等動態渲染效果，從而烘托氣氛，展現逼真的現場環境;⑥遮罩：如全景圖數據不完整，天空或地面的中心會出現黑色空洞，可利用遮罩功能填補空洞;⑦沙盤：添加全景圖所在全部位置的圖片，類似于地圖，使觀眾了解當前位置和視角。

3大筆架山海域無人機全景監視監測

遼寧省錦州市大筆架山是國家級海洋特別保護區，其“天橋”景觀是海底沙石受海水動力影響而天然形成的陸-島連接壩，隨潮水漲落時隱時現。隨著大筆架山海域周邊人為活動的日益增加，西側港口碼頭的修建完全阻隔西南向波浪對壩體的塑造過程，造成西側海灣的緩慢淤積，明顯改變壩體的物質成分和地貌形態，嚴重破壞原生自然景觀[9-10]。

國家海洋環境監測中心于2018年5月對大筆架山海域開展持續5 d的無人機全景監視監測工作。利用的無人機為大疆精靈4 Pro V20，其動力系統為電動，軸數和軸距分別為4個和350 mm，最長飛行時間約30 min，最大飛行高度達6 000 m，鏡頭分辨率達2 000萬像素，完全滿足監視監測需求。布設點位覆蓋保護區全部范圍，受山體遮擋嚴重的區域點位布設較密集，且大部分設于拐角處，而開闊的海岸線點位布設則較稀疏，點位之間的距離根據監視監測需求和現場情況調整。

本次工作現場累計獲取16處場景數據和拍攝682張照片，利用全景拼接軟件拼接圖像。但是，由于該無人機的拍攝角度為水平向上30°和水平向下90°，生成的全景圖僅包括少量天空信息，仍須利用Photoshop軟件進行補充，保證全景圖的完整性。全景圖制作完成后，通過“720云”客戶端發布。

作為海域使用項目事前監管的重要組成部分，海域無人機全景監視監測完整記錄大筆架山整治修復前的海域和海島狀況，不僅為整治修復工作提供立體和直觀的參考資料，而且為下一步的項目事中和事后監管打下堅實基礎和提供有力的數據支撐。

參考文獻

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