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来源：《测绘地理信息》2018年第6期 作者：谭金石，黄书华，黄正忠 摘 要：具有高机动性、高效率、高分辨率、高性价比的无人机遥感是一种新监测手段。分析了海岛礁无人机作业特点，结合最新的无人机技术，提出了一种适合海岛礁监测的数据获取和处理的监测技术，并通过海岛礁监测应用案例，证明该技术方法在海岛礁监测及应用中的可行性，分析了成果在海洋管理中应用，为海岛管理及海洋管理、执行提供了技术支撑，为后续全面海岛礁监测的实施提供了参考。 关键词：无人机;遥感;海岛礁;空中三角测量;实景三维建模 我国海岛较多，面积小于500m2的岛礁有近万个[1]。海岛礁区域水浅礁多，受潮汐和海况影响大，是海洋测绘的困难区域。海岛基础数据采集手段包括常规实地测量、卫星遥感、航空(低空)遥感、机载激光雷达等，其中，实地测量精度高，但效率低，还有些岛礁无法登陆;卫星遥感受到影像分辨率的限制，难以满足微型海岛的精细化管理要求，而且微型海岛礁的出水面积受潮汐影响很大，特别是南方地区很难在重访周期内获取不同潮位的海岛影像;常规航空遥感受空域权限、天气和机场的限制，且成本高、周期长、大范围的水域数据处理困难，很难满足海岛基础数据的及时更新[2]。无人机作为一种新兴的遥感监测平台，搭载特定的传感器，可实时提供遥感监测数据，具有高机动性、高时效性、高分辨率、低成本等优点[3-8]。 1 技术方法 无人机根据平台的差异不同，可以分为固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机、无人飞艇等[7]。各种无人机平台各有优缺点，需要根据不同的应用场景、作业环境、成果要求等进行综合选择。 1.1 无人机平台 无人机遥感系统主要由硬件和软件系统两部分组成，其中，硬件系统主要包括无人机平台、机载测量系统、监控系统等，软件系统主要包括航线设计、飞行控制系统、远程监控、航摄覆盖检查、实时传输、数据预处理等。固定翼无人机作业速度快、效率高、抗风能力强、姿态稳定性好、转场方便，但是有效载荷小、起降过程损坏性大、起降跑道要求有100m左右平直的跑道。多旋翼无人机起降方面对起降场地要求低、姿态稳定性好、转场运输轻便，但是载荷小、作业时间短、抗风能力弱。无人直升机定点起飞、降落，对起降场地要求不高，但是结构相对复杂、操纵难度大、抗风能力弱、作业速度低等。无人飞艇目标大、起降灵活、载荷大，可以垂直起降和悬停，但是效率低、抗风能力弱、转场不方便等。 结合各类型无人机的特点和海岛礁作业环境，选择一款最新型的复合翼无人机(即垂直起降固定翼无人机)，采用常规固定翼和多旋翼相结合的形式，结构简单可靠。该类型无人机具有以下特点：①实用高效：具备固定翼长航时、速度快、效率高、航程远、载荷大等特点;②垂直起降：采用多旋翼无人机的起降方式，降低无人机对起降场地和空域的要求;③成本低：不需要复杂的弹射和回收装备，不需要额外的回收传感器;④操作简便：集成特定的飞控和导航系统，全自主起飞、走航线、降落，操作人员只需要设置相关的参数来确定飞行;⑤系统紧凑：不需要复杂的辅助设备，安装、运输、维护等简单方便。 该复合翼无人机特别适合于以下情形：作业任务繁重，旋翼无人机无法快速覆盖的区域;作业环境复杂，固定翼无人机无法找到合适的起降点;山区、丘陵区域航拍航测;城市应急监视，快速运输;水面舰船平台等。 1.2 影像数据获取 对海岛礁进行无人机遥感数据采集。首先，收集测区的自然地理概况和已有的历史测绘成果资料;然后，根据已掌握的资料和摄影任务要求，制定空摄影工作方案，即根据测区位置、面积大小、空域、成果比例尺、精度要求、分辨率等因素，确定具体的作业方案，包括对测区进行现场勘察、飞行平台及传感器的确定、起降场地的选择、航线间隔及方向的确定、航向与旁向重叠度的计算、像控点的布设及测量等。对于像控点，需要均匀布设在测区范围内，并将点选择在地物特征比较明显处。如果测区明显特征点较少，可在航摄前布设标靶。 在无人机进行低空摄影作业时，需要考虑测区的天气状况，选择天气晴朗、能见度高、风速低的天气，从而保证获取高清晰度的摄影像片。对于海岛礁摄影，风速的影响更为突出，直接影响飞行平台的安全和摄影时飞机的姿态稳定性。同时，还需要考虑摄影时的时间段，在有效的太阳高度角内摄影保证影像的质量，防止阴影过大。 在无人机低空摄影过程中，通过地面监控站实时查看飞机的位置、飞行姿态、作业情况。对于地形比较陡的海岛礁，常规的正射拍摄方式并不能完全拍摄到岛的地形信息，需要在正射拍摄的基础上，对陡峭的地形进行倾斜摄影，甚至是环岛倾斜摄影。 无人机低空摄影结束返场后，需要即时检查摄影像片的状况，确保飞行影像质量。另外，利用机载高精度定位定向系统(position orientation system，POS)数据，检查摄影区域是否完全覆盖测区，如有不合作的航线，要及时组织补飞。 1.3 影像数据处理 在无人机外业获取原始影像数据、POS及像控点之后，需要进行内业数据处理。为了生成完整、精细化的海岛礁空间信息，采用倾斜摄影三维建模技术对海岛影像数据进行处理，生产精细化真三维模型、真数字正射影像图(true digital orthophoto map，TDOM)、数字表面模型(digital surface model，DSM)等成果，以及在此基础上进行应用分析。 倾斜摄影三维建模技术基本过程包括倾斜影像的数据预处理、POS数据整理、载入影像及POS数据、连接点自动匹配、匹配粗差剔除及自由网平差、加入控制点平差、区域网平差、倾斜摄影影像匹配、DSM点云生产、不规则三角网(triangulated irregular network，TIN)构建、纹理映射、实景三维模型生成等[8]。在此基础上，可以快速生成DSM和TDOM成果。 2 海岛礁监测实例 为了验证利用无人机遥感在海岛礁监测中的技术应用，结合广东省海洋局近期对海岛礁的信息化应用示范，利用本文介绍的技术方案对汕尾市龟龄岛进行无人机遥感监测。龟龄岛在北纬22°39′，东经115°25′，位于汕尾市城区东北面14km，北距大陆3km，该岛面积0.2km2。 由于有些无人海岛礁地理环境复杂登陆危险，无人机起降条件差，不能采用普通的弹射起飞方式，因此，研究采用复合翼无人机(Orgin-C型复合翼无人机)进行海岛礁影像数据采集，该无人机的相关参数为：无人机长1.35m，翼展2.5m，飞行速度为50～110km/h，作业时间约为2.5h，抗风能为达5级，有效载荷为1kg。搭载相机为Sony LICE QX1相机，其标定结果为主点x0为-0.009 617mm，y0为0.174 400mm，焦距f0为29.782 985mm。 在航飞之前，根据任务要求进行航线规划，地面分辨率为5cm，航向重叠度75%，旁向重叠度为60%。无人机直接从船只上采用旋翼直接起飞模式，待上升到一定高度采用固定翼走航线，完成摄影任务后，直接定点降落到甲板上。无人机降落后，现场检查飞行质量，确保没问题。 无人机遥感数据处理阶段，软件采用Bently context capture，主要步骤如下。 1)对原始影像数据、POS数据进行整理，删除多余的照片，特别是起飞、降落阶段照片、拐弯时的照片对空中三角测量(aerial triangulation，AT)数据处理有较大影响。 2)建立工程文件，导入影像和POS、设置相机参数等，可以看到相片根据POS数据进行排列。 3)空中三角测量主要包括特征点提取、影像匹配、自由网构建等过程，空三后的每张照片的姿态直观地展示出来，对于姿态太差并剔除的照片，以不同的颜色区分。 4)模型三维重建主要包括影像密集区配、DSM点云生成、TIN构建、纹理映射等过程，在软件具体的操作过程中，需要设计空间参考系统、建模区域边界、分块格网大小、匹配像对选择方式、几何精度要求、孔洞填充、几何简化、色彩均衡、无纹理区域的表示等。 5)产品生产根据产品类型不同，需要分多次输出，主要包括三维网格、三维点云、正射影像和DSM、用于编辑的三维网格、仅供参考三维模型等，其中，三维网格包括多种三维格式，如3MX、S3C、OSGB、FBX、DAE等，主要为第3方可视化和分析软件优化的三维模型。三维点云为彩色点云，在第3方软件中进行可视化和分析。用于编辑的三维网格生成后，可先在第3方软件中编辑，然后重新导入到软件中重新生产。仅供参考三维模型主要是内部使用，用于质量控制，并作为后续数据生产的缓存数据。 经过内业数据处理，最终得到了龟龄岛的数字正射影像图(digital orthophoto map，DOM)、DSM、精细三维模型等，如图1～图3所示。 图1 正射影像图DOM 图2 点云构网TIN 根据以上获取的海岛礁数据成果，可以利用GIS软件工具(如CASS成图软件)对影像进行矢量化，生产矢量图，可以精确量算海岛礁的面积、周长等，清晰地表达了海岛礁的现状。同时，可以通过历史数据、海岛规划等数据形成对比分析，获取海岛礁的变化趋势和变化轨迹，获得不同时期内的廊线变迁、面积变化、功能变化、环境变化，从而分析其变化趋势和变化特征，为海岛礁监测与执法提供依据支持。提取违法违规行为信息，绘制违法违规矢量图，标识违规区域和行为，为海洋管理与执法提供执法依据和决策支持。 图3 实景三维模型 3 结束语 本文通过分析海岛无人机低空遥感的作业环境特点，提出了一种针对海岛礁的无人机遥感监测技术方法。但我国不少海岛礁由于开发程度不高、或无开发、或地形险峻，造成像控点难以测量。还有些岛屿离岸距离远，岸边的GPS信号无法传递。这些都是需要进一步研究的方向。 |
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