欒 天,聶仁奇

(1.青島市勘察測(cè)繪研究院,山東 青島266000；2.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司,山東 青島266032；3.青島市海陸地理信息集成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島266032)

近年來(lái),搭載單波束測(cè)深儀的無(wú)人船被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于近海與內(nèi)水的水深測(cè)量工作中,相較于傳統(tǒng)測(cè)量船測(cè)深,無(wú)人船具有操作簡(jiǎn)便、吃水淺、機(jī)動(dòng)性高等優(yōu)點(diǎn),能夠大大降低作業(yè)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度[1],尤其在淺水區(qū)和小型獨(dú)立水域作業(yè)相較于傳統(tǒng)測(cè)量船具有明顯優(yōu)勢(shì)[2],結(jié)合RTK三維定位技術(shù)與無(wú)驗(yàn)潮測(cè)深模式的推廣[3-4],無(wú)人船測(cè)深技術(shù)也日益成熟。對(duì)于無(wú)人船測(cè)深的實(shí)際應(yīng)用,國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐[5-7]。在測(cè)區(qū)面積較大且存在岸線邊界、出露淺灘、礁石、漁網(wǎng)區(qū)、水上設(shè)施等障礙物的復(fù)雜水域環(huán)境下,無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)作業(yè)模式受到限制,當(dāng)操控者與無(wú)人船相距過(guò)遠(yuǎn)或無(wú)人船不在操控者視線范圍內(nèi)時(shí),操控者難以判斷無(wú)人船與周邊障礙物的相對(duì)位置關(guān)系,會(huì)導(dǎo)致測(cè)繪工作難以完成。本研究提出了一種利用無(wú)人機(jī)正射影像輔助無(wú)人船測(cè)深的方法,采用無(wú)人機(jī)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(cè)繪邊界及水上障礙物范圍并據(jù)此規(guī)劃設(shè)計(jì)無(wú)人船自動(dòng)航行路線,并開(kāi)展了應(yīng)用實(shí)踐,證明了該方法能有效提高無(wú)人船測(cè)深作業(yè)效率并保障無(wú)人船的作業(yè)安全。

1 無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)

無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)由岸基控制系統(tǒng)與測(cè)深船兩部分組成[8]。岸基控制系統(tǒng)一般由通信基站、遙控器以及導(dǎo)航測(cè)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(cè)深船集成了主控系統(tǒng)、GPS、羅盤(pán)、測(cè)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。

圖1 無(wú)人船測(cè)深系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagra m of the un manned ship sounding system

無(wú)人船測(cè)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(wú)人船在大、中型水域作業(yè)時(shí)的主要模式,通過(guò)DXF格式坐標(biāo)文件或衛(wèi)星影像圖中劃定測(cè)區(qū),根據(jù)測(cè)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(cè)量；手動(dòng)遙控主要用于無(wú)需布設(shè)測(cè)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(cè)繪手段,在實(shí)際工作中一般需2種方式結(jié)合使用。

無(wú)人船的遙控人員無(wú)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(cè)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(duì)位置關(guān)系隨時(shí)修正航行線路,而無(wú)人船雖然配備了衛(wèi)星影像圖作為工作底圖來(lái)輔助測(cè)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(wú)法滿足復(fù)雜水域環(huán)境的測(cè)區(qū)劃定和測(cè)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(cè)區(qū)岸線邊界和水中障礙物范圍來(lái)解決上述問(wèn)題,導(dǎo)致操控者需跟隨無(wú)人船移動(dòng),不僅增大了工作量,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(duì)于相對(duì)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(wú)法進(jìn)行測(cè)繪。

圖2 測(cè)區(qū)劃定與測(cè)線布設(shè)Fig.2 Delineation of the surveying area and t he layout of the sur veying lines

2 無(wú)人機(jī)正射影像輔助無(wú)人船測(cè)深

2.1 無(wú)人機(jī)正射影像獲取

無(wú)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(cè)繪中,且均取得了較好的成果[9]。利用無(wú)人機(jī)航空攝影獲取的正射影像替代衛(wèi)星影像輔助無(wú)人船測(cè)深,可以有效地解決復(fù)雜水域無(wú)人船測(cè)深的測(cè)線布設(shè)問(wèn)題,其優(yōu)點(diǎn)在于現(xiàn)勢(shì)性與高分辨率:在無(wú)人船測(cè)量開(kāi)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(wú)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(duì)像控點(diǎn)數(shù)量、像控點(diǎn)布設(shè)方法、無(wú)人機(jī)航高、航向重疊范圍和天氣等要求也相對(duì)較低,目前國(guó)內(nèi)能夠?qū)o(wú)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[10]。

2.2 自動(dòng)航行線路設(shè)計(jì)

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(duì)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)。

2.3 水位控制

水位的控制是此方法得以實(shí)現(xiàn)的重要保證,無(wú)人船測(cè)深作業(yè)水位不應(yīng)低于正射影像獲取水位。對(duì)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(cè)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(kù)、湖泊等影響較小。

3 實(shí)踐應(yīng)用

借助2019年開(kāi)展的山東省大型水庫(kù)1∶2 000水下及近岸地形測(cè)量項(xiàng)目,開(kāi)展了無(wú)人機(jī)正射影像輔助無(wú)人船測(cè)深技術(shù)在水庫(kù)水下地形測(cè)量和近岸地形測(cè)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(kù),水庫(kù)面積約為29.36 k m2,水庫(kù)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(cè)量船難以進(jìn)入,極為適合無(wú)人船進(jìn)行測(cè)深作業(yè)。位于水庫(kù)中心位置的一處大面積淺灘為本次實(shí)驗(yàn)測(cè)區(qū)。

3.1 正射影像采集

在許家崖水庫(kù)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RIGEL VUX-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)1 000 m、絕對(duì)高程精度可達(dá)5 c m、多次回波、點(diǎn)頻可達(dá)600 k Hz、滿足大比例尺測(cè)圖要求,最終獲取了地面分辨率0.07 m正射影像。

3.2 無(wú)人船作業(yè)

項(xiàng)目采用了云洲SE40與華微5號(hào)兩種類(lèi)型的無(wú)人船進(jìn)行試驗(yàn)作業(yè),兩艘無(wú)人船長(zhǎng)度均為1.6 m,搭載電池及配件后總重量不超過(guò)40 kg,船體及測(cè)深儀吃水在0.2 m以內(nèi),均為輕便靈活、運(yùn)輸方便的小型測(cè)量無(wú)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(wú)人船實(shí)地自動(dòng)航行軌跡線與設(shè)計(jì)測(cè)線間距誤差可達(dá)10～20 c m以內(nèi),是傳統(tǒng)測(cè)量船難以達(dá)到的。

根據(jù)衛(wèi)星影像圖(圖3)顯示,距離許家崖水庫(kù)岸邊約300 m有一處約215 m×60 m的淺灘,在高水位時(shí)該淺灘可完全淹沒(méi)在水中,在低水位時(shí)露出水面,遙控人員無(wú)法判斷其與無(wú)人船相對(duì)位置,本研究使用項(xiàng)目已獲取的地面分辨率0.07 m正射影像嘗試解決這一問(wèn)題。

圖3 不同時(shí)期許家崖水庫(kù)衛(wèi)星影像Fig.3 Satellite i mages of the Xujiaya Reser voir in different periods

圖4為本次所獲取的正射影像,水涯線、水下淺灘礁石均較為清晰,出露淺灘南側(cè)存在人工養(yǎng)殖池,養(yǎng)殖池延伸至岸邊,此區(qū)域較難判定是否存在行船風(fēng)險(xiǎn),在圈定作業(yè)范圍線時(shí)先將此區(qū)域扣除,同時(shí)作業(yè)范圍線盡量避開(kāi)水下淺灘、水下礁石,經(jīng)圖上測(cè)量,作業(yè)范圍線距離水涯線均在10～20 m。將劃定好的作業(yè)范圍線導(dǎo)入隨機(jī)軟件,按照20 m間距進(jìn)行測(cè)線布設(shè),對(duì)生成的自動(dòng)航行線路進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)(圖5),優(yōu)化航行路線并減少航行風(fēng)險(xiǎn),其中在最南側(cè)節(jié)點(diǎn)38-39處,無(wú)人船將自西向東穿越人工養(yǎng)殖池,此區(qū)域自動(dòng)航行存在風(fēng)險(xiǎn),在實(shí)際操作時(shí)切換為手動(dòng)模式進(jìn)行穿越,在抵達(dá)39節(jié)點(diǎn)后切換回自動(dòng)模式完成剩余測(cè)線,完成全部測(cè)繪工作后返回Ho me點(diǎn)。無(wú)人船外業(yè)數(shù)據(jù)采集前利用GPS-RTK方式測(cè)定水面高程,確定實(shí)時(shí)水位不低于正射影像采集時(shí)水位。

圖4 2019-07許家崖水庫(kù)正射影像Fig.4 Orthophoto of the Xujiaya Reservoir in July 2019

圖5 無(wú)人船自動(dòng)航行線路Fig.5 Auto matic navigation route of the un manned ship

圖6為本次無(wú)人船所采集數(shù)據(jù)與機(jī)載LIDAR獲取的水上點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接整飾后生成的數(shù)字線劃圖,水下高程數(shù)據(jù)與水涯線間距在20～30 m,基本能夠達(dá)到1∶2 000比例尺水下地形圖圖上1 c m的要求,通過(guò)無(wú)人船采集數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)量船覆蓋區(qū)域檢核比對(duì),測(cè)量誤差滿足精度要求。

圖6 許家崖水庫(kù)數(shù)字線劃Fig.6 Digital line drawing of the Xujiaya Reservoir

4 結(jié) 論

本研究提出了一種利用無(wú)人機(jī)正射影像輔助無(wú)人船測(cè)深的海天一體化作業(yè)方法,并對(duì)許家崖水庫(kù)中心區(qū)域進(jìn)行了測(cè)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(cè)繪任務(wù)并保障無(wú)人船的安全。研究得出以下結(jié)論:

1)目前無(wú)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(wú)法滿足復(fù)雜水域環(huán)境測(cè)深作業(yè)需求,利用無(wú)人機(jī)正射影像作為無(wú)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(wèn)題。

2)利用高地面分辨率無(wú)人機(jī)正射影像結(jié)合對(duì)水位的控制能夠保證無(wú)人船在復(fù)雜水域中獲取的高程數(shù)據(jù)達(dá)到1∶2 000比例尺水下地形圖的測(cè)點(diǎn)間距要求。

3)采用此方法設(shè)計(jì)的無(wú)人船自動(dòng)航行路線能夠有效避開(kāi)復(fù)雜水域中的水上、水下障礙物,保障無(wú)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(chǎng)手動(dòng)航行圈定測(cè)繪邊界及水上障礙物范圍的時(shí)間,提高了作業(yè)效率。

4)無(wú)人機(jī)與無(wú)人船均具有輕便靈活、自動(dòng)化、高效率的特點(diǎn),各自在測(cè)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(cè)繪,是“無(wú)人時(shí)代”海洋測(cè)繪發(fā)展的方向之一。