无人机遥感技术在海域管理中的应用

吴涛 张彦彦 吴立珍 赵明

摘要：无人机遥感技术是集无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术于一体的一种技术。2011年江苏连云港首创将无人机遥感技术应用于海域管理，经过近3年的实践应用，取得良好效果。文章以实际工作为依托，阐述了无人机遥感技术在海域管理中的应用实例。

关键词：无人机；遥感技术；海域管理；海洋开发

中图分类号：P246 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）29-0035-03

1 概述

随着海洋开发力度的加大，我国围填海等近海活动日益频繁，这对海域使用、海洋资源利用和保护提出了更高的管理要求，在此思路上，2011年起连云港市海域使用保护动态管理中心与国家卫星遥感101所、中测新图（北京）遥感技术有限责任公司等单位合作，首创将无人机遥感技术引入海洋管理领域，充分利用无人机机动性强、成本低、效率高等优势构建立体海域监管平台，实现监管业务信息与地理信息的高效融合，提高海域使用、海洋资源环境信息的利用率，为决策部门科学决策提供科学依据。利用无人机技术所获取的遥感影像分辨率高达0.1m，远高于衛星遥感影像，且弥补了卫星遥感更新滞后的不足，提高了海洋管理部门对重点海域和重点项目的监管水平，增强海洋综合管控能力。文章将以工作实际为主线，详细阐述基于无人机遥感技术在海域管理中的应用实例。

2 总体概况

2.1 建设目标

利用无人遥感飞机对重点海域监管应用试点，并结合卫星遥感技术、航空航天遥感技术、低空无人机遥感技术及地面勘察技术，实现从高空到地面全方位的海域立体监管。通过示范区的建设与试点，建立三维海域动态监测流程与技术方法，为应对海上发事故、实现重点用海项目的高精度监测提供新手段。

2.2 建设内容

2.2.1 无人机海域海岛遥感影像获取及无人机影像数据处理。建设海域无人机低空遥感测绘系统，采用测绘型无人机，获取连云港市沿海岸带全部约400km2范围（示范区航摄面积约35km2）。

采用遥感影像快速处理系统，对无人机影像进行数据处理，主要包括空中三角测量、数字高程模型编辑制作、数字正射影像制作以及制图数据。

2.2.2 连云港市重点海域三维模型构建。建设重点海域区域建筑物三维立体模型，实现三维可视化。

2.2.3 探索无人机遥感在海域监管的应用。探索无人机在海域监管的应用技术，建立海域无人机遥感监测技术规程等。

2.3 任务区概况

连云港市东部沿海区域，整个地势自西北向东南倾斜，境内平原、海洋、高山齐全，河湖、丘陵、滩涂俱备。东部沿海平原海拔3～5m，主要为山前倾斜平原、洪水冲积平原及滨海平原三类，总面积5409km2，约占连云港市土地面积70%。沿海主要是700km2盐田及480km2滩涂。沿海岛礁共21个，其中岛屿9个，面积为6.06km2。具体为东西连岛、鸽岛、竹岛、羊山岛、开山岛、秦山岛、车牛山岛、达山岛、平岛等，其中东西连岛为江苏第一大海岛，面积达5.4km2。

北部海域各基岩岛的岸线曲折，水深陡峭，山体拔海而起。由于跨海西大堤的建成，东西连岛南岸的大路口南湾及庙前湾一带岸线的泊位条件及水深条件比较好，成为连云港港口岸线规划的一部分，规划为泊位、码头、仓储或其他用途。

无人机遥感影像整体摄区范围约397km2，示范区位于连云港市东部沿海区，面积约35km2。航摄示范区内最高海拔450m，整个摄区沿海岸线向海里延伸800m，向内陆2000m，山地延伸1500m。沿海大面积分布的港口、码头地势平坦，其他区域以丘陵地为主。

3 关键技术

3.1 技术路线

技术路线如图1所示：

3.2.2 无人机航摄作业实施。无人机航摄作业主要包括现场踏勘资料收集、航摄设计、飞行实施、成果整理提交等。

（1）资料收集、现场踏勘、资料准备。收集航摄区域的高分辨率卫星影像数据，用于无人机遥感影像获取航摄设计与任务规划；在航摄飞行前，进行示范区现场踏勘，选择地面平整、空旷的地点进行无人机起飞降落。由于摄区覆盖面积较大，在飞行过程中需要转场完成飞行，找到3个场地作为起飞场地完成飞行。起飞场地空域比较合适，路面比较平整，适合无人机的起降，在无人机作业时，将道路两端封闭，在无人机起飞后道路进行放行，无人机着陆时，提前十分钟将道路封闭，尽量满足无人机的起降要求，又不影响道路的正常运行。

（2）航摄设计。无人机一般都是执行小区域的数码航摄，与传统航摄不同的是在航线设计时无需考虑地球曲率变化，也无需非常准确地知道地面点高程。传统航摄有明确的操作规范和流程，必须使用1∶10000或1∶50000地形图或利用已有的DEM进行基准面的设计，必要时（高差大于1/4航高时）需设定摄影分区，必要时也可设定加密分区。对于低空数码航摄而言，一般情况下，已知摄区四角坐标即可进行航线设计。

第一，航摄分区划分。由于航摄范围较大，将摄区进行分区，各分区范围如图2所示：

图2 无人机航摄分区示意图

第二，航摄设计成果。连云港示范区航摄飞行面积35km?，连云港海岸带航摄飞行设计总面积为362.96km?。根据航摄范围，以及地面分辨率要求，结合当地的高程，分别进行航摄设计。

第三，航线设计检查。航线设计完成后，必须进行设计情况的检查，即主要检查摄区最高点的重叠度情况和最低点的地面分辨率。设计时，在保证不超过最大解析度的情况下，适当抬高基准面以保证航向和旁向重叠度。设计完后，应计算摄区最高处重叠度和最低处地面分辨率。具体公式如下：

3.3 无人机海域遥感数据处理

本项目无人机数据处理主要基于PixelGrid软件。高分辨率遥感影像一体化测图系统PixelGrid作为卫星影像数据处理的能力和效率在生产过程中已经得到了很好的验证，具有适用范围广、处理效率高等特点。

收集航摄资料成果、外业像控点进行无人机数据处理，主要包括空三加密、DEM制作、DOM制作等处理环节，其作业流程如图3所示：

图3 无人机数据处理流程

3.3.1 资料收集整理。在无人机数据处理前需要收集原始无人机影像数据、相机检校文件、控制资料、航线结合表（航线索引图，包括飞行信息）等。

（1）影像数据整理。按航线整理无人机原始数据，影像格式可以为JPG、BMP、TIF等。

（2）相机检校文件。相机检校文件主要用于无人机数据畸变差改正。主要检校参数包括相机像主点坐标、相机焦距、像元大小、径向畸变差系数（K1、K2）、切向畸变差系数（P1、P2）、CCD非正方形比例系数α、CCD非正交性的畸变系数β、像方坐标系等（其单位为像素或毫米）。

（3）外业控制资料。外业控制资料包括外业实测控制点数据（测区控制点之记、控制点坐标文件、外业现场照片）。收集到连云港示范区外业实测像控点

46个。

（4）航线结合表。航线结合表包括航线索引图、飞行方向及飞行架次等。

3.3.2 空中三角测量。空中三角测量是为数字高程模型和正射影像等产品制作提供影像外方位元素及定向控制点，主要作业过程分为影像畸变差改正等影像预处理、相对定向构建自由网、控制点量测、区域网平差。根据连云港测区内地区地形特点，分为地物纹理丰富海岸地区和纹理稀少的滩涂及海水两种地区，在数据处理中，分别采取不同的空三加密方法。

基于遥感影像快速影像处理系统PixelGrid，空中三角测量处理流程如下：

（1）建立测区目录及准备测区基础数据：测区基础数据包括影像数据文件*.tif（畸变改正后影像），测区信息文件*.img、数码相机文件*.cmr、控制点大地坐标信息文件*.grd。

（2）生成金字塔影像，导入相机参数，自动内

定向。

（3）在加密区内航线间选取航线拼接点、每张航片选取标准点位点及地面控制点或进行人工干预。

（4）进行相对定向，即自动匹配内业加密点、构建自由网。

（5）在经过多次人工修测人工点的粗差后、删除或修测航线连接点、地面定向点、检查点中的粗差点。

（6）将航片外方位元素作为观测值导入作为初始值，与GPS数据进行联合多项式整体平差和光束法整体平差。

（7）输出最后空三加密成果。

3.3.3 产品制作。

（1）DEM生产制作。采集测区中必要的特征点、线，构建三角网并内插生成规则格网的DEM，格网间距为1m。

（2）DOM生产制作。将采集后的DEM按一定区域进行拼接，然后利用加密成果对原始影像进行数字微分纠正，最后拼接和裁切。按公里格网分幅，文件命名与DEM一致后加DOM，对于示范区内的水域部分按正常分幅，用海面填充。

4 结语

（1）通过无人机遥感技术应用于海域管理，首次将无人机航摄遥感系统应用于海域监视监测领域，为海域监管水平，应对海域监视监测突发事故、对重点用海项目实现高精度监测，提供了新手段和途径。

（2）研究解决了稀少（无）控制的无人机低空遥感影像处理關键技术，并以海域使用监管应用为基础，扩展应用至其他部门，发挥地理信息技术在海域使用监视监测信息化建设中的重要作用。

（3）研究形成一套完整的无人机海域监管流程，为无人机在海域监管领域中的应用提供作业指导。

参考文献

[1] 百度百科：http：//baike.baidu.com/view/2996994.htm？fr=aladdin.

作者简介：吴涛（1981-），男，安徽寿县人，连云港市海域使用保护动态管理中心科长，中级工程师，硕士，研究方向：海域管理与海洋技术。