無人機無人船海陸空間信息一體化測繪方法研究

汪大超，柳華橋，向榮，唐琨

(天津市測繪院有限公司，天津 300381)

1 引 言

隨著近海水域的不斷開發和城市化建設的飛速發展，無人機、無人船等非載人式勘測技術在水下地形應用中越來越受到行業重視[1，2]，其非接觸式的特點能保障作業人員的生命安全，其靈活、機動、低成本的特點能大幅提高生產效率，陸海多源數據融合技術愈發成熟，將多種無人技術綜合應用于測繪實踐的時機已經成熟。

在內湖等測量領域，尤其是淺水區的水深測量中，單波束無人船是一種應用比較廣泛的自動化測量設備[3]。在內湖水深測量時，無人船水下測量系統無須搭載人員，安全系數高，數據采集量大等特點大幅降低了人員落水風險和作業強度[4]。但在淺灘、礁石、漁網等出水地物較多的復雜水域中，傳統載人船測量手段可以根據現場情況隨時調整航行路線，而無人船受其搭載的衛星影像的精度和現勢性問題，不能反映水面的實際工作狀態，導致無人船在復雜水域的擱淺風險增大，甚至無法開展自動導航的工作。此時，作業員只能采用手動作業模式，對視線附近的水上障礙物進行合理規避，但對于遠灘或遠岸的障礙物，當船體離操控者太遠，或遮擋物較多，其自動規劃航線的應用場景大大受限。會大量增加操控量，使船體安全面臨較大風險，極大限制無人船的應用場景。全部采用人工操控的方法又對作業員要求很高，低矮視角導致無法規避所有障礙等因素，嚴重制約了復雜水域的作業效率。無人機航測系統為解決上述難題提供了一種新的解決方案[5]。無人機傾斜攝影測量，則具有機動性高、地形分辨率高、自動化程度高、正射影像現勢性強等特點，可以將無人機生成的正射影像作為無人船的工作底圖[6]，合理地規劃無人船的航線，規避淺灘、礁石、漁網等各類出水地物，實現空域和水域的協同作業。為此，本文提出無人機無人船在內湖等淺水條件下的海陸空間信息一體化測繪方法，工程實踐說明了方法的有效性。

2 無人機無人船海陸空間信息一體化測繪方法

無人機航測系統的現勢性強、分辨率高，操作簡單，能提供包括DOM、DSM、三維模型等多種數據成果[7]，被廣泛應用于工程測繪、大比例尺地形測繪等領域中[8]。其配合無人船水下測量系統的自動導航功能，既能實現船體航線依據實時影像的自動規劃、自動航行、自動返航等指令的實施，還能充分利用無人船的自動避障、人工介入、畫面回傳等功能，提高船體操控的安全性，實現測區內水上和水下地形的無接觸式、全覆蓋、高精度測量。

無人機無人船海陸空間信息一體化測繪方法首先通過無人機進行攝影測量工作，獲取測區的實時正射影像，然后將此影像作為工作底圖進行無人船的測區劃分和航線規劃等工作[9]。再由無人船開展水深數據的自動化采集，通過軟件生成水下DEM模型。最后與無人機空三模型構建的水上DEM模型融合處理，獲取海陸空間信息一體化成果，用以計算出測區范圍內的土方量等應用[10]。

無人機無人船海陸空間信息一體化測繪方法作業流程如圖1所示。其中，數據融合是將水上水下的柵格DEM數據進行整合。首先進行數據預處理，統一數據格式、坐標系統、高程基準、數據采樣間隔等，然后刪除無人機采集的水面DEM數據，只保留出水部分的數據，即將重疊區域的數據刪除，再對數據進行整合和重采樣，最后輸出整合后的DEM數據。

圖1 無人機無人船一體化作業流程

3 工程應用實例

位于天津市中新生態城某處鄰近渤海灣的待開發地塊，要求實測測區范圍內的水下及岸上地形圖，并計算該區域的填挖土方量。該區域被分隔為多個獨立水域，總面積約 0.7 km2，各獨立水域內還存在多處內島、淺灘、養蝦網等出水地物，且在不同水位時期的岸線范圍變化較大，無論是用載人大船還是無人船自動測圖都存在較大困難和擱淺風險。為充分采集該區域的水深和地面數據，需采用無人機無人船一體化作業模式。

3.1 無人機航測采集正射影像

本項目航測作業采用大疆精靈4RTK無人機執行影像采集任務，作業飛行高度設定為 150 m，地面分辨率為 4.11 cm，航測耗時 22 min，進行實時正射影像重建耗時 30 min，短時間內即生成了現勢高分辨率影像，衛星影像與正射影像對比圖如圖2所示。由正射影像可見，在西側獨立水域的中心，有一處距岸邊 300 m，長約 280 m，寬約 170 m的湖心島，該島在水位較淺時可外擴約 50 m，并與周圍其他淺灘連成一體，在高水位時，將進一步縮小其岸線位置。因此，如果僅采用衛星影像規劃無人船自動航線，影像的現勢性無法滿足規劃需求；如果采用作業員手動操控無人船，則無法判斷船體與操控者、船體與湖心島岸邊的距離等問題，容易造成擱淺、數據采集密度不足等問題。采用無人機正射影像輔助無人船一體化作業，上述困難則迎刃而解。

圖2 衛星影像(左)與正射影像(右)對比圖

3.2 無人船采集水深數據

本項目水深作業采用合眾思壯UB100無人船，無人船自重約 10 kg，吃水深度 0.12 m，方便運輸和操控。針對西側的獨立水域，使用正射影像規劃2條航線，導入無人船開展自動化測深作業。結合無人機正射影像的航線規劃如圖3所示。

圖3 航線規劃圖

3.3 數據融合和土方計算

數據采集完成后，使用Pix4D處理無人機的航測數據，使用楚航無人船岸基控制軟件V11.12處理水深數據，將無人船和無人機的高程數據融合，最后使用Autodesk Map3D進行土方量的數據處理和計算，得到該區域填挖至 3.5 m的土方量為 1 302 181.3 m3。DEM構網模型及計算結果如圖4所示。

圖4 依DEM計算結果

4 結 語

本文提出一種在內湖等復雜水域中，利用無人機和無人船開展水上、水下地形測量的一體化作業方法，并通過數據融合，生成測區的數字高程模型等成果。在天津市中新生態城某水域的實踐應用中，證實了該方法在復雜水域開展自動化測圖的可行性，構建出高精度的水下和水上模型，重現測區水底地貌，實現了基于TIN的土方量估算，既保障了儀器設備的安全和人員安全，又大幅提高數據采集的效率和密度，為該項目的順利實施提供科學依據，節省大量成本。

無人機、無人船的海陸空間一體化測繪，既彌補了無人機無法測得水深數據的缺陷，又實現了復雜水域條件下無人船自動航線的合理規劃和施測，能夠解決復雜水域中傳統測量手段無法到達的問題，提高作業效率和精度，為海陸空間信息一體化采集開辟了新的道路。