無人機正射影像輔助無人船測深作業實踐案例分享 前言 2021.1.20 近年來，搭載單波束測深儀的無人船被越來越廣泛地應用于近海與內水的水深測量工作中，相較于傳統測量船測深，無人船具有操作簡便、吃水淺、機動性高等優點，能夠大大降低作業成本和勞動強度，尤其在淺水區和小型獨立水域作業相較于傳統測量船具有明顯優勢，結合RTK三維定位技術與無驗潮測深模式的推廣，無人船測深技術也日益成熟。對于無人船測深的實際應用，國內學者進行了大量的研究與實踐。在測區面積較大且存在岸線邊界、出露淺灘、礁石、漁網區、水上設施等障礙物的復雜水域環境下，無人船測深系統作業模式受到限制，當操控者與無人船相距過遠或無人船不在操控者視線范圍內時，操控者難以判斷無人船與周邊障礙物的相對位置關系，會導致測繪工作難以完成。  iBoat BS3智能無人測量船超淺水測量 本研究提出了一種利用無人機正射影像輔助無人船測深的方法，采用無人機快速采集并拼接完成正射影像，以正射影像作為底圖劃定測繪邊界及水上障礙物范圍并據此規劃設計無人船自動航行路線，并開展了應用實踐，證明了該方法能有效提高無人船測深作業效率并保障無人船的作業安全。 一、無人船測深系統 無人船測深系統由岸基控制系統與測深船兩部分組成。岸基控制系統一般由通信基站、遙控器以及導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基站等輔助設施。測深船集成了主控系統、GPS、羅盤、測深儀、電源、推進部件以及用于輔助航行的攝像頭、避障雷達等。  無人船測深系統示意圖 無人船測深作業模式包括自動航行和手動遙控兩種：自動航行是無人船在大、中型水域作業時的主要模式，通過DXF格式坐標文件或衛星影像圖中劃定測區，根據測區范圍在導航軟件中規劃自動航行路線(圖2)，按照設計航線自動進行航行測量；手動遙控主要用于無需布設測線的小型水域和作為自動航行未到達的周邊不規則區域的補充測繪手段，在實際工作中一般需2種方式結合使用。  無人船精準自主導航 無人船的遙控人員無需登船進行導航，大大降低了人的勞動強度和安全風險。在復雜水域中，傳統測量船導航人員可根據岸線、水上水下障礙物與船的相對位置關系隨時修正航行線路，而無人船雖然配備了衛星影像圖作為工作底圖來輔助測繪，但由于衛星影像圖中水位與實際存在差異，且更新慢、分辨率低，常常無法滿足復雜水域環境的測區劃定和測線布設需求。  實際操作中需要采用手動遙控模式，圈定測區岸線邊界和水中障礙物范圍來解決上述問題，導致操控者需跟隨無人船移動，不僅增加了工作量，當岸區條件惡劣時還增加了作業安全風險。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，而遠離岸邊的水上障礙物則無法進行測繪。 二、無人機正射影像輔助無人船測深 01 無人機正射影像獲取 無人機技術因其靈活、快速且不受地形、環境等條件制約的特點，被廣泛應用于大比例尺測繪中，且均取得了較好的成果。利用無人機航空攝影獲取的正射影像替代衛星影像輔助無人船測深，可以有效地解決復雜水域無人船測深的測線布設問題，其優點在于現時性與高分辨率：在無人船測量開始前的踏勘和控制布設階段根據水域復雜程度進行無人機的航空攝影。由于正射影像僅用于自動航行線路設計，其平面精度要求較低，因此對像控點數量、像控點布設方法、無人機航高、航向重疊范圍和天氣等要求也相對較低，目前國內能夠對無人機正射影像進行處理的軟件較多，精度及可靠性也均可保證。 中海達復合翼無人機 iFly V10一鍵起飛 02 自動航行線路設計 經像控點糾正和拼接后生成的正射影像成果即可作為自動航行線路設計的工作底圖，輔助進行岸線及水上障礙物范圍線的圈定。范圍線圈定應綜合考慮定位精度、船體大小、航速、轉彎半徑、流速等因素以確保航行安全。在利用影像圈定的范圍線內進行自動航行線路設計，對軟件生成的自動航行線路進行人工干預調整以提高作業效率和安全系數。 無人機規劃航測自主飛行 03 水位控制 水位的控制是此方法得以實現的重要保證，無人船測深作業水位不應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區，應在正射影像獲取時記錄水位，在水位不低于正射影像拍攝水位時進行作業，或根據水位適當縮小測量范圍，以保證作業安全。在水位短期內處于穩定的水域，如河流、水庫、湖泊等影響較小。 三、實踐應用案例 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目，開展了無人機正射影像輔助無人船測深技術在水庫水下地形測量和近岸地形測量的應用實踐。實踐位置選在位于山東費縣的許家崖水庫，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立水域，常規測量船難以進入，特別適合無人船進行測深作業。位于水庫中心位置的一處大面積淺灘為本次實驗測區。 01 正射影像采集 在許家崖水庫使用烏克蘭進口AEROS-912動力三角翼飛機執行航空攝影任務，使用RIGELVUX-1機載激光雷達系統執行航攝，集成索尼A7R2相機，作業飛行高度可達1000m、絕對高程精度可達5cm、多次回波、點頻可達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。 01 無人船作業 項目采用了云洲SE40與華微5號兩種類型的無人船進行試驗作業，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，均為輕便靈活、運輸方便的小型測量無人船，2名作業人員可以較為輕松地完成全部工作。在風浪較小的水域，無人船實地自動航行軌跡線與設計測線間距誤差可達10～20cm以內，是傳統測量船難以達到的。 根據衛星影像圖圖1顯示，距離許家崖水庫岸邊約300m有一處約215m×60m的淺灘，在高水位時該淺灘可完全淹沒在水中，在低水位時露出水面，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1 不同時期許家崖水庫衛星影像 圖2為本次無人機航測所獲取的正射影像，水涯線、水下淺灘礁石均較為清晰，出露淺灘南側存在人工養殖池，養殖池延伸至岸邊，此區域較難判定是否存在行船風險，在圈定作業范圍線時先將此區域扣除，同時作業范圍線盡量避開水下淺灘、水下礁石，經圖上測量，作業范圍線距離水涯線均在10～20m。 圖2 2019-07許家崖水庫正射影像 將劃定好的作業范圍線導入隨機軟件，按照20m間距進行測線布設，對生成的自動航行線路進行規劃設計(圖5)，優化航行路線并減少航行風險，其中在最南側節點38-39處，無人船將自西向東穿越人工養殖池，此區域自動航行存在風險，在實際操作時切換為手動模式進行穿越，在抵達39節點后切換回自動模式完成剩余測線，完成全部測繪工作后返回Home點。無人船外業數據采集前利用GPS-RTK方式測定水面高程，確定實時水位不低于正射影像采集時水位。 圖3 無人船自動航行線路 圖4 許家崖水庫數字線劃 圖4為本次無人船所采集數據與機載LIDAR獲取的水上點云數據拼接整飾后生成的數字線劃圖，水下高程數據與水涯線間距在20～30m，基本能夠達到1∶2000比例尺水下地形圖圖上1cm的要求，通過無人船采集數據與傳統測量船覆蓋區域檢核比對，測量誤差滿足精度要求。 四、結論 本研究提出了一種利用無人機正射影像輔助無人船測深的海天一體化作業方法，并對許家崖水庫中心區域進行了測繪實踐應用，實踐結果表明，該方法能夠最大限度完成復雜水域的測繪任務并保障無人船的安全。研究得出以下結論： ⑴目前無人船大多采用衛星影像圖作為自動航行線路設計的工作底圖，但由于衛星影像圖更新慢、分辨率低，且水位與實際存在差異，工作中常常無法滿足復雜水域環境測深作業需求，利用無人機正射影像作為無人船自動航行線路設計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正射影像結合對水位的控制能夠保證無人船在復雜水域中獲取的高程數據達到1∶2000比例尺水下地形圖的測點間距要求。 ⑶采用此方法設計的無人船自動航行路線能夠有效避開復雜水域中的水上、水下障礙物，保障無人船的航行安全。同時自動航行路線設計完全在內業工作中實現，節約了外業現場手動航行圈定測繪邊界及水上障礙物范圍的時間，提高了作業效率。 ⑷無人機與無人船均具有輕便靈活、自動化、高效率的特點，各自在測繪領域的應用已非常普遍，將二者結合使用，能夠實現水上水下一體化測繪，是“無人時代”海洋測繪發展的方向之一。 轉自“溪流之海洋人生”微信公眾平臺編輯整理 |