基于無人機聯(lián)合無人船的航道測繪分析

湯倩 馬新國

摘要：文章利用無人機實施二維重建，以此為基礎(chǔ)進行無人船測區(qū)劃定和測線布設(shè)，解決了無人船航測存在的問題，并根據(jù)航測后照片開展空三建模，獲取出水部分地物的三維模型，聯(lián)合無人機和無人船完成了航道測繪。

關(guān)鍵詞：無人機;無人船;航道測繪

中圖分類號：U612文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0075-03

目前，相對于測量船，無人船因吃水淺、機動性高的優(yōu)勢在航道測繪中的應(yīng)用越來越普及，尤其是在淺灘水域的測量中得到了較好的應(yīng)用成效。隨著無人船在航道測繪中的應(yīng)用，眾多學者也進行了深入的研究和分析，發(fā)現(xiàn)淺灘水域的航道測繪中無人船在實際應(yīng)用中還存在兩個方面的缺陷：一方面自動化測量中的避障能力較弱，容易發(fā)生碰撞;另一方面視角較矮，難以滿足手動操作的要求，且圖傳延遲。鑒于此有學者提出利用無人機的正射影像輔助無人船進行測繪。本次研究基于無人機與無人船的聯(lián)合，通過協(xié)同作業(yè)完成淺灘水域的航道測繪，為該方面的研究提供有效參考。

1無人船測深系統(tǒng)概述

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

無人船測深系統(tǒng)包含任務(wù)模塊、推進模塊、電源模塊、數(shù)傳模塊以及船體。岸基系統(tǒng)包含基站、數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及遠程控制軟件，如圖1所示。底部分別是測深儀、主控系統(tǒng)、羅盤、電源等，船上分別是數(shù)據(jù)傳輸天線、遙控器天線、GPS、攝像頭、避障雷達等等。

1.2無人船操作

1.2.1自動航行模式

如圖2所示，自動航行的應(yīng)用原理是根據(jù)坐標文件或者是衛(wèi)星影像劃定測區(qū)，根據(jù)比例尺自動生成路線開展航行，在不借助外界手動遙控的基礎(chǔ)上完成測量工作。一般來說，自動航行模式在開闊無障礙的水域較為適用，且能夠較大程度上降低外業(yè)測量人員的勞動強度，實現(xiàn)了超視距作業(yè)。

1.2.2手動遙控模式

如圖3所示，手動遙控模式主要是作業(yè)人員控制遙控器，通過對視野的判斷來決定無人船的行動方向。手動遙控模式一般適用于岸線較為復雜且具有出水障礙的水域中，對操控人員的要求較高。但是因船載攝像頭存在視野盲目、網(wǎng)絡(luò)圖傳輸延遲的劣勢，因此不能超視距作業(yè)。

1.3無人船航測優(yōu)勢

在航道測繪中，無人船的優(yōu)勢較為明顯，比如體積小、吃水淺和操作靈活，并且減少了儀器的安裝調(diào)試和船舶租賃的時間，通過和基站的功能結(jié)合還能降低測量中的勞動強度，在淺灘水域的測量中較為適用[1]。

1.4無人船航測缺陷

無人船航測的范圍包含淺水區(qū)域、洲灘區(qū)域以及大船無法達到的區(qū)域，因?qū)嶋H地形與衛(wèi)星影像存在較大的差異，在不同水位下岸線的變化也存在較大的區(qū)別，因此自動航行下較為容易發(fā)生擱淺或碰撞，通過手動遙控操控也會出現(xiàn)視野盲區(qū)發(fā)生偏航，或者因水淺發(fā)生擱淺，導致航測工作難以開展。

2無人機航測系統(tǒng)

2.1無人機航測系統(tǒng)構(gòu)成

如圖4所示，飛行平臺、飛控系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及空三三維建模是組成無人機航測系統(tǒng)的主要構(gòu)成。在本次實驗中所選用的是大疆精靈4RTK無人機，在飛行平臺上集成了航測相機、差分定位模塊以及校準模塊，遙控器終端通過飛控系統(tǒng)、圖傳和航線規(guī)劃完成了整個系統(tǒng)的設(shè)計[2]。

2.2無人機航測優(yōu)勢

與傳統(tǒng)人工作業(yè)的方式相比，無人機技術(shù)較為靈活，外業(yè)數(shù)據(jù)采集的效率較高，并且設(shè)備的成本較低，操作較為簡單，通過自動化操作系統(tǒng)能夠降低外業(yè)人員的勞動強度。與此同時無人機技術(shù)還能夠提供實景三維模型、DSM等等測繪成果，實現(xiàn)了免接觸時測量，在較為復雜的地理環(huán)境中同樣適用[3]。

此外，無人機的視野較為開闊，受益于RTK模塊、、三軸云臺和空三團建算法以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，通過三維模型的構(gòu)建和正射影像的獲取能夠有效的滿足無人船航測規(guī)劃的需求，與傳統(tǒng)的GPS測量作業(yè)模式相比，精準度較高。利用同步定位、地圖構(gòu)建和影像正射糾正算法，將其應(yīng)用在無人機操作中，實現(xiàn)了二維正射影像的實時生成。通過無人機與無人船的聯(lián)合應(yīng)用，代替了衛(wèi)星影像，能夠生成實時正射影像，在無人船自動化測量和手動操作應(yīng)用的過程中，解決了傳統(tǒng)模式中存在的弊端，在淺灘水域具有良好的應(yīng)用。除此之外兩者聯(lián)合的精準度和時效性較高，滿足了無人船科學航線規(guī)劃的實際要求，也能夠保障無人船作業(yè)過程的安全性[4]。

3基于無人機無人船聯(lián)合應(yīng)用的航測作業(yè)流程

基于無人機聯(lián)合無人船，在航道測繪的過程中其作業(yè)流程如圖5所示。

4案例分析

某長江航道整治建筑物位于某省界內(nèi)，要求實時測量整治建筑物范圍外延100m內(nèi)的水下、岸上地形以及建筑物根部陸地區(qū)域地形測至坡頂后50m范圍。河道地形圖的比為1：1000，針對洲頭鎖壩的圖比加密至1：500。本區(qū)域內(nèi)在不同水位條件下出水范圍變化較大，存在多處出水丁壩，拋石護灘帶，對于吃水較深、水深較淺的大船難以抵達，有人駕駛的測量船在航道測繪的過程中也存在一定的危險性[5]。為了有效的分析區(qū)域內(nèi)的變化情況，先通過無人機和無人船的聯(lián)合實現(xiàn)全覆蓋的航道測量。

4.1無人機航測實時二維重建

本次航道測繪中采用大疆精靈4RTK無人機，在實際運行中利用衛(wèi)星影像規(guī)劃航線，無人機實施航測，并實時構(gòu)建二維影像，將衛(wèi)星影像與二維影像進行對比，兩者之間的差距如圖6所示，因前后變化的差距較大，因此難以用作航線規(guī)劃方案[6]。

4.2二維影像重建下的無人船航線規(guī)劃

本次采用華微型號無人機進行航測，輕便靈活，單人就可以完成操作，在淺灘水域的航道測繪中較為適用[7]。

重建二維影像規(guī)劃航道測繪的路線，將無人船適宜作業(yè)的區(qū)域規(guī)劃出來，之后利用系統(tǒng)設(shè)置自動化的測深作業(yè)，如圖7所示，其航線的規(guī)劃如圖8所示。

4.3空三建模、陸域3D測圖

在無人機獲取航測照片之后進行空三建模，采用Context Capture軟件獲取實景，通過3D測圖開展陸域地形的采集工作[8]。

5總結(jié)

本文針對無人機聯(lián)合無人船在淺灘水域的航道測繪中提供了有效的作業(yè)方案，并通過案例分析對無人機無人船的聯(lián)合應(yīng)用實踐進行了舉例說明，從而證實了無人機與無人船的聯(lián)合協(xié)同在較為復雜的淺灘水域能夠高效地完成測量任務(wù)。另外在文章的研究中還得出相關(guān)的結(jié)論：無人船在航道測繪的過程中具有輕便靈活的特點，吃水淺，在淺水、洲灘以及岸線的航道測繪中較為適用。另外無人機的應(yīng)用有效的滿足了無人船二維建模的規(guī)劃要求，并且最大程度上規(guī)避風險，實現(xiàn)了高精準化測量。除此之外無人機無人船的聯(lián)合應(yīng)用實現(xiàn)了優(yōu)勢互補，和傳統(tǒng)模式相比，兩者結(jié)合的模式在較為復雜的淺灘水域仍然適用，且能夠完成全覆蓋測量任務(wù)。

參考文獻：

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[2]胡合歡，汪劍橋，余永周.無人機無人船協(xié)同作業(yè)在航道測繪中應(yīng)用探討[J].中國水運.航道科技，2021（03）：68-72.

[3]張永杰，路海鋒，王偉結(jié)，潘軍杰.免像控無人機航測技術(shù)在航道測繪中的應(yīng)用[J].中國水運.航道科技，2021（01）：77-80.

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[7]蔡文蘭.無人船水下測量技術(shù)的應(yīng)用研究[D].南昌工程學院，2019.

[8]張樹凱.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的無人船艇航線自動生成[D].大連海事大學，2016.