無人機(jī)正射影像輔助無人船測深作業(yè)實(shí)踐案例分享

無人船測深系統(tǒng)由岸基控制系統(tǒng)與測深船兩部分組成。岸基控制系統(tǒng)一般由通信基站、遙控器以及導(dǎo)航測深所需要的筆記本電腦組成(圖1)，若采用單基站RTK方式定位，則岸基還需增加RTK基站等輔助設(shè)施。測深船集成了主控系統(tǒng)、GPS、羅盤、測深儀、電源、推進(jìn)部件以及用于輔助航行的攝像頭、避障雷達(dá)等。

無人船測深系統(tǒng)示意圖

無人船測深作業(yè)模式包括自動(dòng)航行和手動(dòng)遙控兩種：自動(dòng)航行是無人船在大、中型水域作業(yè)時(shí)的主要模式，通過DXF格式坐標(biāo)文件或衛(wèi)星影像圖中劃定測區(qū)，根據(jù)測區(qū)范圍在導(dǎo)航軟件中規(guī)劃自動(dòng)航行路線(圖2)，按照設(shè)計(jì)航線自動(dòng)進(jìn)行航行測量；手動(dòng)遙控主要用于無需布設(shè)測線的小型水域和作為自動(dòng)航行未到達(dá)的周邊不規(guī)則區(qū)域的補(bǔ)充測繪手段，在實(shí)際工作中一般需2種方式結(jié)合使用。

無人船精準(zhǔn)自主導(dǎo)航

無人船的遙控人員無需登船進(jìn)行導(dǎo)航，大大降低了人的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。在復(fù)雜水域中，傳統(tǒng)測量船導(dǎo)航人員可根據(jù)岸線、水上水下障礙物與船的相對位置關(guān)系隨時(shí)修正航行線路，而無人船雖然配備了衛(wèi)星影像圖作為工作底圖來輔助測繪，但由于衛(wèi)星影像圖中水位與實(shí)際存在差異，且更新慢、分辨率低，常常無法滿足復(fù)雜水域環(huán)境的測區(qū)劃定和測線布設(shè)需求。

實(shí)際操作中需要采用手動(dòng)遙控模式，圈定測區(qū)岸線邊界和水中障礙物范圍來解決上述問題，導(dǎo)致操控者需跟隨無人船移動(dòng)，不僅增加了工作量，當(dāng)岸區(qū)條件惡劣時(shí)還增加了作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。對于相對靠近岸邊的出露淺灘、礁石等水上障礙物能夠粗略圈定，而遠(yuǎn)離岸邊的水上障礙物則無法進(jìn)行測繪。

無人機(jī)技術(shù)因其靈活、快速且不受地形、環(huán)境等條件制約的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大比例尺測繪中，且均取得了較好的成果。利用無人機(jī)航空攝影獲取的正射影像替代衛(wèi)星影像輔助無人船測深，可以有效地解決復(fù)雜水域無人船測深的測線布設(shè)問題，其優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)時(shí)性與高分辨率：在無人船測量開始前的踏勘和控制布設(shè)階段根據(jù)水域復(fù)雜程度進(jìn)行無人機(jī)的航空攝影。由于正射影像僅用于自動(dòng)航行線路設(shè)計(jì)，其平面精度要求較低，因此對像控點(diǎn)數(shù)量、像控點(diǎn)布設(shè)方法、無人機(jī)航高、航向重疊范圍和天氣等要求也相對較低，目前國內(nèi)能夠?qū)o人機(jī)正射影像進(jìn)行處理的軟件較多，精度及可靠性也均可保證。

中海達(dá)復(fù)合翼無人機(jī) iFly V10一鍵起飛

經(jīng)像控點(diǎn)糾正和拼接后生成的正射影像成果即可作為自動(dòng)航行線路設(shè)計(jì)的工作底圖，輔助進(jìn)行岸線及水上障礙物范圍線的圈定。范圍線圈定應(yīng)綜合考慮定位精度、船體大小、航速、轉(zhuǎn)彎半徑、流速等因素以確保航行安全。在利用影像圈定的范圍線內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)航行線路設(shè)計(jì)，對軟件生成的自動(dòng)航行線路進(jìn)行人工干預(yù)調(diào)整以提高作業(yè)效率和安全系數(shù)。

無人機(jī)規(guī)劃航測自主飛行

水位的控制是此方法得以實(shí)現(xiàn)的重要保證，無人船測深作業(yè)水位不應(yīng)低于正射影像獲取水位。對于水位受潮汐影響巨大的海上作業(yè)區(qū)，應(yīng)在正射影像獲取時(shí)記錄水位，在水位不低于正射影像拍攝水位時(shí)進(jìn)行作業(yè)，或根據(jù)水位適當(dāng)縮小測量范圍，以保證作業(yè)安全。在水位短期內(nèi)處于穩(wěn)定的水域，如河流、水庫、湖泊等影響較小。

借助2019年開展的山東省大型水庫1∶2000水下及近岸地形測量項(xiàng)目，開展了無人機(jī)正射影像輔助無人船測深技術(shù)在水庫水下地形測量和近岸地形測量的應(yīng)用實(shí)踐。實(shí)踐位置選在位于山東費(fèi)縣的許家崖水庫，水庫面積約為29.36km2，水庫中存在大量被堤壩、橋梁等分割的小型獨(dú)立水域，常規(guī)測量船難以進(jìn)入，特別適合無人船進(jìn)行測深作業(yè)。位于水庫中心位置的一處大面積淺灘為本次實(shí)驗(yàn)測區(qū)。

在許家崖水庫使用烏克蘭進(jìn)口AEROS-912動(dòng)力三角翼飛機(jī)執(zhí)行航空攝影任務(wù)，使用RIGELVUX-1機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)執(zhí)行航攝，集成索尼A7R2相機(jī)，作業(yè)飛行高度可達(dá)1000m、絕對高程精度可達(dá)5cm、多次回波、點(diǎn)頻可達(dá)600kHz、滿足大比例尺測圖要求，最終獲取了地面分辨率0.07m正射影像。

項(xiàng)目采用了云洲SE40與華微5號(hào)兩種類型的無人船進(jìn)行試驗(yàn)作業(yè)，兩艘無人船長度均為1.6m，搭載電池及配件后總重量不超過40kg，船體及測深儀吃水在0.2m以內(nèi)，均為輕便靈活、運(yùn)輸方便的小型測量無人船，2名作業(yè)人員可以較為輕松地完成全部工作。在風(fēng)浪較小的水域，無人船實(shí)地自動(dòng)航行軌跡線與設(shè)計(jì)測線間距誤差可達(dá)10～20cm以內(nèi)，是傳統(tǒng)測量船難以達(dá)到的。

根據(jù)衛(wèi)星影像圖圖1顯示，距離許家崖水庫岸邊約300m有一處約215m×60m的淺灘，在高水位時(shí)該淺灘可完全淹沒在水中，在低水位時(shí)露出水面，遙控人員無法判斷其與無人船相對位置，本研究使用項(xiàng)目已獲取的地面分辨率0.07m正射影像嘗試解決這一問題。

圖2   2019-07許家崖水庫正射影像

本研究提出了一種利用無人機(jī)正射影像輔助無人船測深的海天一體化作業(yè)方法，并對許家崖水庫中心區(qū)域進(jìn)行了測繪實(shí)踐應(yīng)用，實(shí)踐結(jié)果表明，該方法能夠最大限度完成復(fù)雜水域的測繪任務(wù)并保障無人船的安全。研究得出以下結(jié)論：

⑴目前無人船大多采用衛(wèi)星影像圖作為自動(dòng)航行線路設(shè)計(jì)的工作底圖，但由于衛(wèi)星影像圖更新慢、分辨率低，且水位與實(shí)際存在差異，工作中常常無法滿足復(fù)雜水域環(huán)境測深作業(yè)需求，利用無人機(jī)正射影像作為無人船自動(dòng)航行線路設(shè)計(jì)的工作底圖能夠解決以上問題。

⑵利用高地面分辨率無人機(jī)正射影像結(jié)合對水位的控制能夠保證無人船在復(fù)雜水域中獲取的高程數(shù)據(jù)達(dá)到1∶2000比例尺水下地形圖的測點(diǎn)間距要求。

⑶采用此方法設(shè)計(jì)的無人船自動(dòng)航行路線能夠有效避開復(fù)雜水域中的水上、水下障礙物，保障無人船的航行安全。同時(shí)自動(dòng)航行路線設(shè)計(jì)完全在內(nèi)業(yè)工作中實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了外業(yè)現(xiàn)場手動(dòng)航行圈定測繪邊界及水上障礙物范圍的時(shí)間，提高了作業(yè)效率。

⑷無人機(jī)與無人船均具有輕便靈活、自動(dòng)化、高效率的特點(diǎn)，各自在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用已非常普遍，將二者結(jié)合使用，能夠?qū)崿F(xiàn)水上水下一體化測繪，是“無人時(shí)代”海洋測繪發(fā)展的方向之一。