基于無人機聯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，以此為基礎進行無人船測區劃定和測線布設，解決了無人船航測存在的問題，并根據航測后照片開展空三建模，獲取出水部分地物的三維模型，聯合無人機和無人船完成了航道測繪。

關鍵詞：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、機動性高的優勢在航道測繪中的應用越來越普及，尤其是在淺灘水域的測量中得到了較好的應用成效。隨著無人船在航道測繪中的應用，眾多學者也進行了深入的研究和分析，發現淺灘水域的航道測繪中無人船在實際應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合，通過協同作業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無人船測深系統概述

1.1系統構成

無人船測深系統包含任務模塊、推進模塊、電源模塊、數傳模塊以及船體。岸基系統包含基站、數據接收系統、控制系統以及遠程控制軟件，如圖1所示。底部分別是測深儀、主控系統、羅盤、電源等，船上分別是數據傳輸天線、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，自動航行的應用原理是根據坐標文件或者是衛星影像劃定測區，根據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測量人員的勞動強度，實現了超視距作業。

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、網絡圖傳輸延遲的劣勢，因此不能超視距作業。

1.3無人船航測優勢

在航道測繪中，無人船的優勢較為明顯，比如體積小、吃水淺和操作靈活，并且減少了儀器的安裝調試和船舶租賃的時間，通過和基站的功能結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域、洲灘區域以及大船無法達到的區域，因實際地形與衛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別，因此自動航行下較為容易發生擱淺或碰撞，通過手動遙控操控也會出現視野盲區發生偏航，或者因水淺發生擱淺，導致航測工作難以開展。

2無人機航測系統

2.1無人機航測系統構成

如圖4所示，飛行平臺、飛控系統、測量系統以及空三三維建模是組成無人機航測系統的主要構成。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、圖傳和航線規劃完成了整個系統的設計[2]。

2.2無人機航測優勢

與傳統人工作業的方式相比，無人機技術較為靈活，外業數據采集的效率較高，并且設備的成本較低，操作較為簡單，通過自動化操作系統能夠降低外業人員的勞動強度。與此同時無人機技術還能夠提供實景三維模型、DSM等等測繪成果，實現了免接觸時測量，在較為復雜的地理環境中同樣適用[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據采集系統的控制，通過三維模型的構建和正射影像的獲取能夠有效的滿足無人船航測規劃的需求，與傳統的GPS測量作業模式相比，精準度較高。利用同步定位、地圖構建和影像正射糾正算法，將其應用在無人機操作中，實現了二維正射影像的實時生成。通過無人機與無人船的聯合應用，代替了衛星影像，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用的過程中，解決了傳統模式中存在的弊端，在淺灘水域具有良好的應用。除此之外兩者聯合的精準度和時效性較高，滿足了無人船科學航線規劃的實際要求，也能夠保障無人船作業過程的安全性[4]。

3基于無人機無人船聯合應用的航測作業流程

基于無人機聯合無人船，在航道測繪的過程中其作業流程如圖5所示。

4案例分析

某長江航道整治建筑物位于某省界內，要求實時測量整治建筑物范圍外延100m內的水下、岸上地形以及建筑物根部陸地區域地形測至坡頂后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。本區域內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]。為了有效的分析區域內的變化情況，先通過無人機和無人船的聯合實現全覆蓋的航道測量。

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星影像規劃航線，無人機實施航測，并實時構建二維影像，將衛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劃方案[6]。

4.2二維影像重建下的無人船航線規劃

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]。

重建二維影像規劃航道測繪的路線，將無人船適宜作業的區域規劃出來，之后利用系統設置自動化的測深作業，如圖7所示，其航線的規劃如圖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

本文針對無人機聯合無人船在淺灘水域的航道測繪中提供了有效的作業方案，并通過案例分析對無人機無人船的聯合應用實踐進行了舉例說明，從而證實了無人機與無人船的聯合協同在較為復雜的淺灘水域能夠高效地完成測量任務。另外在文章的研究中還得出相關的結論：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。另外無人機的應用有效的滿足了無人船二維建模的規劃要求，并且最大程度上規避風險，實現了高精準化測量。除此之外無人機無人船的聯合應用實現了優勢互補，和傳統模式相比，兩者結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。

參考文獻：

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

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

[4]陳龍海.無人機傾斜攝影測量技術在航道測繪中的應用[J].船舶物資與市場，2020（08）：81-82.

[5]金永寶，朱貴發，黃恩東，黃兆星.無人機測量系統在航道測繪中的應用探討[J].中國水運.航道科技，2017（03）：72- 75.

[6]楊顯博.航道測繪綜合信息服務平臺的設計與實現[D].東南大學，2018.

[7]蔡文蘭.無人船水下測量技術的應用研究[D].南昌工程學院，2019.

[8]張樹凱.基于數據驅動的無人船艇航線自動生成[D].大連海事大學，2016.