面向海岸線修測的無人機照片視頻獲取及管理研究

孫玉超，曾紀勝，田 松，劉顯傅，黃財京，邵先成

（1. 國家海洋局南海規劃與環境研究院，廣東 廣州 510300；2. 國家海洋局南海信息中心，廣東 廣州 510300）

海岸線是多年大潮平均高潮位時海陸分界痕跡線。海岸線作為陸域和海域的分界線，具有重要的資源和生態價值[1]。2005 年，原國家海洋局開展“我國近海海洋綜合調查與評價專項”（簡稱“908”專項），同時于2007—2008 年開展了海岸線修測任務[2-3]。根據《我國近海海洋綜合調查與評價專項海岸線修測技術規程（試行本）》要求，海岸線修測要準確地測量海岸線的位置并統計海岸線的長度，明確陸域和海域的管理界線，為政府部門的各項管理活動提供法律界定的管理基準線[4-5]。修測的海岸線為海洋功能區劃、海洋生態紅線以及海岸線調查與統計等領域相關文件的制定提供了重要的數據基礎[1]。

受自然因素和人為因素的雙重影響，海岸線處于動態變化之中[6]。目前，2008 年修測的海岸線已不能真實反映海岸線實際狀況，在管理中存在的很多實際困難亟需通過新一輪海岸線修測加以解決。為全面查清2008 年以來海岸線主要變化，準確掌握海岸線的位置、長度、類型及開發利用現狀等基本情況，2019 年7 月，自然資源部辦公廳印發了《關于開展全國海岸線修測工作的通知》，組織開展全國大陸和有居民海島海岸線修測工作，并頒布了《全國海岸線修測技術規程》。本文以2019 年廣東省海岸線修測工作為例，介紹無人機照片視頻獲取方法以及無人機照片視頻管理系統的設計及實現。

1 海岸線修測照片視頻獲取要求

根據《全國海岸線修測技術規程》要求，此次海岸線修測工作需充分利用現代先進成熟的航空攝影測量、高分辨率衛星遙感和連續運行衛星定位參考站（Continuously Operating Reference Stations, CORS）等地理空間信息技術，大幅提高海岸線修測精度，對可到達的岸段，需全部通過現場勘查和實地調訪，并對每段海岸線進行照片拍攝、視頻資料采集，作為反映調查岸段現狀和判定岸線類型的證明資料，同時要求照片要附帶經緯度、拍攝時間和方位角信息；視頻應反映海岸線全貌，時長不小于15 s；在重要拐點、分界點等特征點處可以采用360°全景拍攝。

根據上述要求，廣東省在開展海岸線修測現場測量時，除了采用手機或手持攝像機進行海岸線測量點現場照片和視頻獲取外，還充分利用無人機對全省可飛行岸段進行了多類型的照片和視頻采集，并對獲取的無人機照片視頻進行分析和入庫管理，作為海岸線類型研判和內業處理的依據，同時也是重要的海岸線修測成果。

2 無人機照片視頻獲取及預處理

根據海岸線修測照片視頻獲取要求，廣東省采用大疆系列無人機進行海岸線現場照片和視頻獲取，獲取的照片和視頻數據包括無人機傾斜照片、正射照片、全景照片和無人機視頻。

2. 1 無人機傾斜照片獲取及預處理

無人機傾斜照片是指無人機相機在空中以一定傾斜角度對著地面拍照獲取的照片。無人機傾斜照片獲取時，將無人機飛行至海岸線上空靠海一側，沿著海岸線方向飛行，并將相機傾斜角度設置成45°左右，朝向海岸線靠陸一側進行拍攝，拍攝的照片中陸域部分約占2/3，海域部分約占1/3，無人機傾斜照片獲取時需確保一定的航向重疊。獲取的無人機傾斜照片可以從不同角度反映海岸線及周邊地物現狀，可作為海岸線類型研判的重要參考資料。

無人機傾斜照片獲取后，照片拍攝位置、拍照時間、拍攝角度和相機型號等信息寫入到了照片的屬性中（表1），通過讀取并分析照片的屬性信息，可提取無人機傾斜照片的位置和拍攝角度等屬性。

表1 大疆無人機照片部分屬性編碼說明

2.2 無人機正射照片獲取及預處理

無人機正射照片是指無人機相機在空中垂直向下對著地面拍照獲取的照片。無人機正射照片獲取時，將無人機飛行至海岸線正上空，沿著海岸線方向飛行，并將相機拍攝角度設置成垂直向下進行拍攝，拍攝時需確保一定的航向重疊。獲取的無人機正射照片可以從垂直視角查看海岸線及周邊地物，經過快速地理定位的無人機正射照片可以作為海岸線位置及走向的重要參考數據。

無人機正射照片獲取后，從照片屬性信息（表1）中讀取拍照中心點的緯度（B0，換算成投影坐標后為X0）、經度（L0，換算成投影坐標后為Y0）、相對高度（A）、航向角（k）、照片寬度（W0）和照片高度（H0），結合拍照相機焦距（f），可以計算正射照片四個角點投影到地面的平面坐標，計算示意圖見圖1。

圖1 正射照片四個角點投影坐標計算示意圖

照片四個角點投影坐標計算公式如下：

說明：大疆無人機自帶云臺，俯仰角和翻滾角當作0°處理。

根據照片四個角點平面坐標以及照片寬度和高度，可以計算生成照片對應的地理校正文件（*.jgw 格式），地理校正文件用于記錄照片的旋轉、平移和縮放等參數，可以將無人機正射照片校正到對應的投影坐標系。地理校正文件參數計算公式如下：

上述方法可以對無人機正射照片進行快速地理定位，將照片“投影”到地面后，可以作為海岸線位置走向的參考數據。經實地驗證，在沿海地形平坦的區域，采用帶實時動態差分系統（Real-time Kinematic，RTK）的無人機獲取的正射照片，地理定位后的照片中地物可以達到米級甚至亞米級的位置精度。由于該地理定位方法未做真正意義上的正射校正，無法消除地形影響，對于地形起伏較大的區域，照片上地物位置精度并不可靠，建議僅在平坦區域使用該定位方法。

2.3 無人機全景照片獲取及預處理

無人機全景照片是指無人機相機在不同飛行高度并朝不同角度拍照后，拼接成的包含360°完整場景范圍的照片。無人機全景照片獲取時，將無人機飛行至海岸線正上空，采用全景圖像自動拍攝模式進行全景照片采集，不支持全景圖像自動拍攝的無人機需要按照一定規則進行手動全景照片采集。根據實際工作需要，無人機全景照片可以每隔一段間距，或者在海岸線重要拐點、分界點等特征點處進行采集。無人機全景照片可以反映海岸線特征點上360°場景范圍的現狀，能夠更加直觀地展示海岸線類型及開發利用現狀等信息。無人機全景照片獲取后，可以參考傾斜照片進行拍照位置等信息的提取。

2.4 無人機視頻獲取及預處理

無人機視頻是指在無人機飛行過程中對著地面錄制的視頻。無人機視頻獲取時，將無人機飛行至海岸線上空靠海一側，并將相機傾斜角度設置成45°左右，沿著海岸線方向飛行并錄制視頻，視頻錄制時需開啟字幕，以便后續根據字幕信息提取飛行軌跡。無人機視頻可以連續記錄海岸線所在區域的開發利用現狀、海岸線類型、周邊地物及其動態特征，是反映海岸線現狀的重要數據資料。

無人機視頻獲取后，每幀視頻錄制時的位置和姿態信息、飛行速度等屬性均寫入到了視頻字幕中（圖2），并存儲在視頻文件中，通過讀取并分析視頻字幕信息，可提取每幀視頻錄制時的位置，從而獲取完整的飛行軌跡。

圖2 大疆無人機視頻字幕信息

廣東省海岸線修測工作中共獲取了無人機視頻6 000 多個，各類型無人機照片60 多萬張。根據《全國海岸線修測技術規程》要求，獲取的照片和視頻需要根據岸段和測量點進行分類整理。面向如此大數據量的照片視頻整理工作，研發一套無人機照片視頻綜合管理系統，并提供照片視頻自動整理和批量導出等功能，顯得十分必要。

3 無人機照片視頻管理系統設計

3.1 系統總體設計

結合上述研究并參考海岸線修測相關數據管理研究的經驗[7-9]，本系統總體設計如圖3 所示。

圖3 系統總體設計圖

3.2 系統數據庫設計

本系統數據分為矢量數據和文件數據兩部分。矢量數據為無人機照片和視頻位置、軌跡及地面覆蓋范圍提取后生成的矢量圖層，矢量數據存儲在ArcGIS 個人地理數據庫（Personal Geodatabase，PGDB） 中，PGDB 數 據 庫 是Microsoft Office Access 數據庫格式，可以同時存儲矢量圖層和屬性數據，系統矢量圖層設計見表2；文件數據包括無人機照片和視頻等文件，該部分數據按照統一規則進行命名后存儲在指定的文件夾位置。矢量數據與文件數據通過文件存儲路徑進行關聯。

表2 系統矢量圖層設計

3.3 系統功能模塊設計

本系統主要包括三大功能模塊（圖4），分別是無人機數據入庫模塊、無人機數據查詢模塊和海岸線照片視頻導出模塊。無人機數據入庫模塊主要包括無人機照片入庫和無人機視頻入庫等功能；無人機數據查詢模塊主要包括無人機照片查詢和無人機視頻查詢等功能；海岸線照片視頻導出模塊主要包括海岸線照片視頻掛接和海岸線照片視頻導出等功能。

圖4 系統功能模塊設計圖

3.4 系統軟硬件環境介紹

本系統擬采用Visual Studio C# 2010 對ArcGIS 10.2進行二次開發。系統開發所需軟硬件環境見表3。

表3 系統開發軟硬件環境

4 無人機照片視頻管理系統實現

4.1 系統主界面

本系統主界面（圖5）包括菜單欄、工具欄、圖層列表、地圖窗口、制圖窗口和狀態欄等信息，系統主要功能模塊存放在菜單欄中。地圖窗口中主要加載項目無人機照片位置數據、無人機正射照片覆蓋范圍、無人機視頻錄制軌跡、海岸線和地理底圖等數據。

圖5 廣東省海岸線修測照片視頻管理系統主界面

4.2 無人機照片視頻批量入庫

4.2.1 無人機照片批量入庫 無人機照片包括傾斜照片、正射照片和全景照片。無人機照片入庫時，根據無人機相機拍攝傾斜角度自動區分正射照片和其他照片，根據照片尺寸和寬高比例自動區分全景照片和傾斜照片。無人機照片入庫時，程序自動解析存儲在照片屬性中的位置和姿態等信息，并將照片拍攝位置以及正射照片地面覆蓋范圍存儲到對應的矢量圖層中；無人機視頻文件按照拍攝時間、飛機型號及拍攝角度等信息命名后，存儲到指定文件夾下。

4.2.2 無人機視頻批量入庫 無人機視頻入庫時，程序自動解析存儲在視頻字幕中的位置和姿態信息，并按照1 s 間隔提取視頻字幕中的位置信息，連接成軌跡后，存儲到對應的矢量圖層中；視頻文件按照獲取時間及視頻時長等信息命名后，存儲在指定的文件夾下。

4.3 無人機照片視頻查詢統計 本系統提供無人機照片視頻空間范圍查詢和屬性查詢。空間范圍查詢是指通過在地圖上框選待查詢的區域，系統將列出框選范圍內所有的無人機照片視頻記錄；屬性查詢是指通過無人機照片對應的相機類型、照片所在行政區域以及照片拍照高度等屬性條件進行記錄篩選。查詢到的無人機照片或視頻可以直接瀏覽（圖6），也可以根據照片或視頻位置在地圖上定位；無人機正射照片還可以采用快速地理定位方式“投影”到地圖中，與海岸線和底圖影像數據對比（圖7）。

圖6 無人機照片視頻查看界面

圖7 無人機正射照片快速地理定位

本系統還提供所有已入庫無人機照片和視頻數據的匯總統計功能，并可按照照片類型、相機類型和所在行政區域等屬性進行分類統計。

4.4 無人機照片視頻導出

根據《全國海岸線修測技術規程》要求，外業獲取的照片視頻需要根據海岸線測量點和岸段進行逐點和逐段整理。利用無人機照片視頻的空間位置與海岸線矢量數據進行空間分析，并結合拍照角度等信息將海岸線附近的照片和視頻文件掛接到對應的岸段中，最后根據掛接結果以及照片視頻成果格式要求，逐測量點或逐岸段進行照片和視頻導出。

5 結 論

本文結合廣東省海岸線修測實際工作，采用設定的方法進行海岸線無人機照片和視頻獲取，并通過對ArcGIS 軟件進行二次開發，構建了一套無人機照片視頻管理系統，實現了無人機照片視頻文件的批量入庫和快速瀏覽、無人機照片位置和視頻軌跡的自動提取、無人機單張正射照片的快速地理定位、以及海岸線照片視頻自動掛接和導出等功能，在海岸線修測工作中具有較大的應用價值。本文研究主要成果包括：（1）利用無人機照片中的位置和姿態信息對正射照片進行快速地理定位，將照片“投影”到地面上，定位結果具有較高的位置精度，在特定場景下可以將無人機照片快速應用于空間分析和信息提取；（2）將無人機數據獲取及管理與海岸線修測工作結合，探索了無人機照片視頻在外業調查取證和資料獲取中的系統性應用，為消費級無人機在海洋行業的應用提供了借鑒。