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無(wú)人機(jī)整機(jī)
無(wú)人機(jī)配件
無(wú)人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具一、引言
我國(guó)島嶼總面積約8萬(wàn)平方千米，約占陸地面積的0.8％，面積大于500m2的海島有6500多個(gè)，大部分無(wú)人居住。準(zhǔn)確、可靠、系統(tǒng)的獲取島礁及其周邊海洋信息數(shù)據(jù)，建立島礁水上水下一體化高精度模型，實(shí)現(xiàn)島礁信息的“數(shù)字化”和“透明化”，可為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、權(quán)益維護(hù)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)和信息依據(jù)。
由于波浪和潮汐原因，水邊線會(huì)隨時(shí)間不斷變化，導(dǎo)致水上和水下數(shù)據(jù)在建模時(shí)存在數(shù)據(jù)空白區(qū)域。近年來(lái)興起的船載水岸一體化綜合測(cè)量技術(shù)，集成了水上激光掃描系統(tǒng)、水下多波束測(cè)深系統(tǒng)、全景影像采集系統(tǒng)和POS定位定向系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)水岸一體測(cè)量的綜合測(cè)量技術(shù)，較好地實(shí)現(xiàn)了水深及地形數(shù)據(jù)的拼接與融合。但是該方案仍存在3個(gè)問(wèn)題:①船載激光掃描系統(tǒng)對(duì)水上部分只能進(jìn)行側(cè)向掃測(cè)，被掃測(cè)對(duì)象頂部的區(qū)域容易造成掃測(cè)盲區(qū)。②當(dāng)島礁周邊地形以灘涂為主且潮差較小時(shí)，船載激光測(cè)量與多波束測(cè)量成果之間存在淺水部分盲區(qū)。③無(wú)人島礁缺失基準(zhǔn)點(diǎn)，測(cè)量成果絕對(duì)精度較低，難以滿足工程需要。采用小型無(wú)人機(jī)航空測(cè)量技術(shù)手段進(jìn)行空中俯視掃測(cè)，可解決頂部盲區(qū)問(wèn)題。有學(xué)者提出了合理利用高低潮差、基于水陸兩用車(chē)的水岸一體綜合測(cè)量技術(shù)、機(jī)載藍(lán)綠激光水深測(cè)量技術(shù)等方案，可減少淺水地帶的盲區(qū)。跨海高程傳遞手段是解決基準(zhǔn)點(diǎn)缺失問(wèn)題的常用手段，而無(wú)人島礁一般距離岸邊較遠(yuǎn)導(dǎo)致實(shí)施較為困難。探索一種新的系統(tǒng)綜合高效解決上述問(wèn)題成為當(dāng)務(wù)之急。
如今，無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等海洋新型測(cè)量平臺(tái)技術(shù)逐漸成熟，本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)人機(jī)和無(wú)人船的島礁地形測(cè)繪系統(tǒng)，分別搭載激光雷達(dá)、多拼相機(jī)、多波束測(cè)深儀等設(shè)備，在大地測(cè)量獲取的高精度基準(zhǔn)坐標(biāo)基礎(chǔ)上，合理利用潮位的高低潮差，并根據(jù)無(wú)人船吃水淺的特點(diǎn)，全面獲取海島礁的水上水下三維地形、三維模型，實(shí)現(xiàn)島礁地形等值線提取和島礁資產(chǎn)調(diào)查等功能，為有效維護(hù)島礁主權(quán)和島礁資產(chǎn)管理提供數(shù)據(jù)支持。
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新點(diǎn)
⒈系統(tǒng)組成
基于無(wú)人機(jī)和無(wú)人船的島礁地形測(cè)繪系統(tǒng)由大地測(cè)量分系統(tǒng)、機(jī)載分系統(tǒng)、船載分系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分系統(tǒng)組成。各分系統(tǒng)見(jiàn)圖1。
圖1 系統(tǒng)組成示意圖
⑴大地測(cè)量分系統(tǒng)
無(wú)人島礁一般距離大陸較遠(yuǎn)，缺失基準(zhǔn)點(diǎn)。導(dǎo)致無(wú)人機(jī)和無(wú)人船數(shù)據(jù)的相對(duì)精度較高，而絕對(duì)精度不足。因采用跨海高程傳遞較難實(shí)施，本文通過(guò)GNSS測(cè)量基站控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
大地測(cè)量分系統(tǒng)的主要作用是:①作為島礁規(guī)劃建設(shè)的依據(jù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；②確保無(wú)人機(jī)航拍和無(wú)人船作業(yè)期間的RTK高精度位置定位及地面檢核點(diǎn)(外部檢核)的精確檢核；③對(duì)無(wú)人機(jī)航攝、水下測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行精確糾正；④對(duì)不同數(shù)據(jù)成果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
⑵機(jī)載分系統(tǒng)
無(wú)人機(jī)航空攝影作為空間數(shù)據(jù)采集的重要手段，具有快速高效、機(jī)動(dòng)靈活和成果精細(xì)的特點(diǎn)。面向無(wú)人島礁等高危險(xiǎn)地區(qū)，可以快速獲取高分辨率正射影像和激光點(diǎn)云等數(shù)據(jù)。本文利用大地測(cè)量提供的高精度控制點(diǎn)信息，提高無(wú)人機(jī)測(cè)量絕對(duì)精度，成果可用于島礁規(guī)劃與施工。
機(jī)載分系統(tǒng)主要用于獲取島礁陸上部分成果。多拼相機(jī)用于獲取真三維模型及DOM數(shù)據(jù)。在低潮時(shí)間段，通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行水陸交界處數(shù)據(jù)獲取，可以擴(kuò)大水上數(shù)據(jù)獲取范圍，提高與水下數(shù)據(jù)的重疊度，以提高數(shù)據(jù)拼接的精確度。
⑶船載分系統(tǒng)
相比大型測(cè)量船，無(wú)人船重量輕、體積小，具有機(jī)動(dòng)靈活、吃水淺、能應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境等特點(diǎn)，非常適合近海島勘測(cè)，可獲取島礁周邊極淺區(qū)水深數(shù)據(jù)，為通航及開(kāi)發(fā)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。
船載分系統(tǒng)通過(guò)搭載多波束測(cè)深儀可以高效完成水下地形測(cè)量任務(wù)。同時(shí)搭載淺地層剖面儀可同步獲取水下地質(zhì)信息。
無(wú)人船在高潮時(shí)間段進(jìn)行淺水測(cè)量，作業(yè)時(shí)盡可能至最淺水區(qū)作業(yè)。對(duì)于因水淺而無(wú)法測(cè)量到的區(qū)域，由機(jī)載Lidar或人工RTK補(bǔ)測(cè)。
⑷數(shù)據(jù)分系統(tǒng)
系統(tǒng)獲取的多源數(shù)據(jù)如何處理、展示和分析是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)成果應(yīng)用的重要一環(huán)。由于數(shù)據(jù)種類多、格式不同、水陸地理參考也不統(tǒng)一，在對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與管理中，應(yīng)建立統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系統(tǒng)，確定出工作時(shí)各傳感器位置中心在地理坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)信息，用于后續(xù)的空間配準(zhǔn)，并根據(jù)不同要求對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，完成海底多波束與島上點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)融合，形成完整的島礁水上水下地形數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)分系統(tǒng)采用Skyline Terra Explorerpro軟件集成展示多源數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)加載、瀏覽、量測(cè)、圖層控制等基本功能。利用多源的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還可模擬海水漲落潮、島礁突發(fā)事件、應(yīng)急響應(yīng)、個(gè)性化專題數(shù)據(jù)展示等內(nèi)容。依托軟件構(gòu)建的三維應(yīng)用場(chǎng)景，疊加相應(yīng)的專題信息，構(gòu)建一個(gè)交互式應(yīng)用成果，突出每一個(gè)島礁地區(qū)特征，顯示其數(shù)據(jù)成果、空間位置關(guān)系。
⒉數(shù)據(jù)成果
根據(jù)相關(guān)管理部門(mén)需求，主要成果需求如下:
⑴大地測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)
B級(jí)控制點(diǎn)、D級(jí)控制點(diǎn)，提供高精度基準(zhǔn)點(diǎn)。
⑵島礁地形數(shù)據(jù)
島礁水上、水下一體化地形數(shù)據(jù)，了解島礁的地形走向、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地形地貌特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)地面沉降等監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持，為島礁規(guī)劃提供支撐。
⑶島礁坡度數(shù)據(jù)
在地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提取島礁的坡度信息。發(fā)掘島礁山體方向，為島礁規(guī)劃建設(shè)提供依據(jù)。
⑷三維實(shí)景模型
獲取島礁真實(shí)三維場(chǎng)景，任意點(diǎn)位的經(jīng)緯度、高度測(cè)量以及長(zhǎng)度、體積估算。
⑸岸線數(shù)據(jù)
獲取海島海岸線，為海岸線侵蝕、岸線監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
⑹海島植被數(shù)據(jù)
提取海島植被信息，還原海島真實(shí)體表。可應(yīng)用于海島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。
⑺淺剖數(shù)據(jù)
島礁水下地層剖面數(shù)據(jù)，主要用于監(jiān)測(cè)海島港口淤泥淤積、海底地層地質(zhì)解譯、航道港灣工程等。
⒊系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)
針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方式存在的問(wèn)題，基于無(wú)人機(jī)和無(wú)人船的島礁地形測(cè)繪技術(shù)完成了以下創(chuàng)新性工作:
⑴一次性獲取數(shù)據(jù)全、精度高
梳理自然資源部各部門(mén)的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)一站式解決方案，實(shí)現(xiàn)一次登島完成整島水上、水下所有數(shù)據(jù)獲取工作。對(duì)于無(wú)人島礁，通過(guò)大地測(cè)量的方式獲取高精度控制點(diǎn)，用以提高無(wú)人機(jī)、無(wú)人船的平面及高程信息精度，成果精度滿足島礁規(guī)劃與工程應(yīng)用。
⑵坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一
對(duì)不同種類的數(shù)據(jù)格式、水平測(cè)量基準(zhǔn)、垂直測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，是實(shí)現(xiàn)水上水下數(shù)據(jù)無(wú)縫對(duì)接的前提。
以CGCS2000坐標(biāo)系作為水上、水下點(diǎn)云及全景影像的基準(zhǔn)，測(cè)量以1985國(guó)家高程作為水上點(diǎn)云及全景影像的垂直基準(zhǔn)，以深度基準(zhǔn)面作為水下點(diǎn)云的垂直基準(zhǔn)。通過(guò)推算可得出測(cè)區(qū)內(nèi)大地水準(zhǔn)面和深度基準(zhǔn)面的大地高，將綜合測(cè)量信息統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中。利用GNSS觀測(cè)測(cè)區(qū)驗(yàn)潮站布設(shè)的水準(zhǔn)點(diǎn)，可獲得驗(yàn)潮站鄰域內(nèi)基于深度基準(zhǔn)面的數(shù)據(jù)和基于水準(zhǔn)高程的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系。
⑶水上水下數(shù)據(jù)無(wú)縫融合
合理利用高低潮差，減小盲區(qū)。高潮時(shí)段，采用無(wú)人船搭載多波束測(cè)深儀對(duì)淺海地形進(jìn)行水深測(cè)量，以獲取淺區(qū)水下地形信息；在低潮時(shí)段，采用機(jī)載激光雷達(dá)對(duì)水陸邊界地形進(jìn)行測(cè)量。利用其他時(shí)間段，分別對(duì)較深海域和島上信息進(jìn)行采集和測(cè)量。由于水淺而無(wú)法測(cè)量到的區(qū)域，由機(jī)載Lidar或者人工RTK測(cè)量補(bǔ)充，最終形成無(wú)縫的一體化島礁及周邊地形。制圖過(guò)程中對(duì)點(diǎn)云坐標(biāo)進(jìn)行插值濾波，生成不同比例尺的水下地形數(shù)據(jù)、水上地形數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。
⑷數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛
基于數(shù)據(jù)成果展示與管理軟件，在一個(gè)平臺(tái)內(nèi)對(duì)水上水下一體化成果的所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(點(diǎn)云、等值線、三維模型等)和專題數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，如島礁去水化、島礁去植被、規(guī)劃設(shè)計(jì)、地物提取與統(tǒng)計(jì)、海岸線提取、光照分析等，并可用于島礁規(guī)劃、設(shè)計(jì)輔助等工作。
三、應(yīng)用案例
2018年9月，利用該技術(shù)對(duì)位于廣東省珠海市東部海域的三角島進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。三角島位于萬(wàn)山群島西北部，岸線總長(zhǎng)度約4.9km，投影面積約0.87km2，自然形態(tài)表面積約0.96km2，島體呈東西走向，長(zhǎng)約1.6km，寬約1km，最窄處寬約200m。
本次測(cè)量，獲取了三角島陸地部分的高精度多源遙感數(shù)據(jù)及水邊線向外延伸200m范圍內(nèi)水下的地形數(shù)據(jù)。
⒈大地測(cè)量
鑒于海島的高度分散性，海島GNSS網(wǎng)點(diǎn)采取主控點(diǎn)、基本點(diǎn)、應(yīng)用點(diǎn)三步控制網(wǎng)布網(wǎng)模式。其中主控點(diǎn)作為該島主要控制點(diǎn)，要長(zhǎng)期保管與使用，也是島上基本點(diǎn)控制網(wǎng)的起始點(diǎn)；基本點(diǎn)控制網(wǎng)也要長(zhǎng)期保存使用，但是更注重于測(cè)繪時(shí)滿足無(wú)人機(jī)航飛和無(wú)人船作業(yè)的基本控制點(diǎn)；應(yīng)用控制點(diǎn)控制網(wǎng)主要用于無(wú)人機(jī)和無(wú)人船的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
通過(guò)大地測(cè)量建立了B級(jí)控制點(diǎn)1個(gè)，D級(jí)控制點(diǎn)21個(gè)。為了更好地獲得地面DEM數(shù)據(jù)，在地面植被茂密區(qū)，選取適當(dāng)?shù)奶卣鼽c(diǎn)，在這些特征點(diǎn)上實(shí)施GNSS測(cè)量。根據(jù)飛機(jī)攝影成像精度，首先將這些點(diǎn)做出特殊標(biāo)志，在影像圖上可以分辨并判讀獲得地面觀測(cè)結(jié)果；然后在無(wú)人機(jī)飛行時(shí)，在這些特征點(diǎn)上放置RTK接收機(jī)，直接獲得地面點(diǎn)信息。
⒉無(wú)人船作業(yè)
本次測(cè)量采用云洲M80“極行者”探測(cè)無(wú)人船，搭載POS MV wavemaster組合慣導(dǎo)、RESONT20P多波束和海鷹HY1200聲速剖面儀。
通過(guò)基站軟件的無(wú)人船航跡功能，對(duì)邊界條件進(jìn)行框選，完成理清邊界工作。根據(jù)實(shí)際水深、多波束掃寬(4倍水深)及全覆蓋要求(10％重復(fù))，布設(shè)平行測(cè)線及檢查線。無(wú)人船按照布設(shè)測(cè)線依次航行，測(cè)量水深數(shù)據(jù)并記錄，同時(shí)保存PDS文件及XTF文件，以備后處理使用。多波束數(shù)據(jù)通過(guò)PDS2000軟件進(jìn)行后處理，波束角135°。在高潮位時(shí)測(cè)量近岸水深較淺地形，其余時(shí)間測(cè)量水下較深地形。
⒊無(wú)人機(jī)作業(yè)
本次測(cè)量采用中為盧龍一號(hào)無(wú)人直升機(jī)，同時(shí)搭載RIEGL mini VUX－1UAV激光雷達(dá)、TR5100五拼相機(jī)。無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集飛行服務(wù)的作業(yè)過(guò)程分為前期準(zhǔn)備、飛行作業(yè)、數(shù)據(jù)處理三個(gè)階段。實(shí)施流程圖見(jiàn)圖2。
圖2 機(jī)載數(shù)據(jù)采集作業(yè)流程示意圖
在低潮位時(shí)，測(cè)量水陸邊界線部分點(diǎn)云及全景影像，其他時(shí)間開(kāi)展海島水上測(cè)量。
⒋成果可視化及分析
本次測(cè)量獲取成果包括DOM、水上三維實(shí)景模型、水上/下地形數(shù)據(jù)等。通過(guò)水陸點(diǎn)云數(shù)據(jù)完成了水上、水下數(shù)據(jù)的對(duì)接，獲取了水陸一體化點(diǎn)云、等值線等成果。各成果圖見(jiàn)圖3。
圖3 三角島水上水下一體化測(cè)量成果示意圖
⑴精度
在大地測(cè)量獲取的21個(gè)D級(jí)控制點(diǎn)進(jìn)行打點(diǎn)，將控制點(diǎn)打點(diǎn)信息與DEM成果位置進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證測(cè)量精度，證實(shí)水平坐標(biāo)、高程坐標(biāo)的中誤差均為厘米級(jí)。隨機(jī)選取水下某一條測(cè)線進(jìn)行IHO－44 95％置信區(qū)間評(píng)估，測(cè)線滿足IHO－44(IHO Special Order)特優(yōu)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
⑵一體化水平
圖3(b)為無(wú)人機(jī)空中測(cè)量獲取的海島陸地地形。由于多波束不能采集水深較淺區(qū)域地形，造成水下測(cè)量盲區(qū)，見(jiàn)圖3(c)。通過(guò)人工RTK測(cè)量補(bǔ)測(cè)，融合多波束及激光掃描數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了海島水上水下全覆蓋測(cè)量，形成了高分辨率點(diǎn)云及等值線成果，見(jiàn)圖3(d)及圖3(e)。
⑶數(shù)據(jù)種類
通過(guò)一次測(cè)量，獲取了包括B級(jí)控制點(diǎn)、D級(jí)控制點(diǎn)、海島水上/下高精度地形圖、坡度圖、真三維實(shí)景模型、岸線提取專題圖、植被提取專題圖等數(shù)據(jù)，根據(jù)需要還可擴(kuò)展淺剖及高光譜數(shù)據(jù)，滿足海島規(guī)劃開(kāi)發(fā)及生態(tài)保護(hù)需求。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文探究了基于無(wú)人機(jī)和無(wú)人船平臺(tái)獲取水上/下一體化數(shù)據(jù)的技術(shù)，并獲取了三角島水上/下一體化地形、等值線、高清三維實(shí)景模型、DOM等成果。其中，大地測(cè)量為無(wú)人機(jī)和無(wú)人船作業(yè)提供了高精度的基準(zhǔn)信息；無(wú)人船可獲取島礁周邊海域淺區(qū)地形數(shù)據(jù)；無(wú)人機(jī)一次性獲取激光點(diǎn)云、三維實(shí)景影像等多型成果。該系統(tǒng)效率高、方便快捷，大大縮短了外業(yè)作業(yè)時(shí)間，節(jié)省了測(cè)繪成本。試驗(yàn)表明，該方案可在遠(yuǎn)離陸地的島礁等難以施測(cè)的地方推廣應(yīng)用，為島礁規(guī)劃與開(kāi)發(fā)提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐。
為了更高效地支撐島礁規(guī)劃，未來(lái)還可以通過(guò)多條、多規(guī)格無(wú)人船協(xié)同施測(cè)的方式，進(jìn)一步提高可施工海況下的有效工作量，以應(yīng)對(duì)島礁海況較差的情況，從而提高作業(yè)效率。隨著機(jī)載藍(lán)綠激光雷達(dá)的小型化，可以利用無(wú)人機(jī)同時(shí)測(cè)量水上和淺水地形，進(jìn)一步消除淺水地形盲區(qū)。
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END
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【作者簡(jiǎn)介】文/李超李明盛巖峰楊華勇，分別南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)、天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司和中國(guó)太平洋學(xué)會(huì)。第一作者李超，1987年出生，男，山東平度人，工程師，碩士研究生，主要從事島礁地形測(cè)繪、海洋立體觀測(cè)、無(wú)人機(jī)通信傳輸與指揮系統(tǒng)、海域動(dòng)態(tài)監(jiān)控指揮系統(tǒng)研究。本文為基金項(xiàng)目，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC1404902)；南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州)人才團(tuán)隊(duì)引進(jìn)重大專項(xiàng)(GML2020GD0801)。文章來(lái)自《海洋測(cè)繪》（2021年第3期），參考文獻(xiàn)略，用于學(xué)習(xí)與交流，版權(quán)歸作者及出版社共同擁有，本文編發(fā)已取得授權(quán)。
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