無人機無人船協同測量作業技術研究

孫愛國，熊榮軍，唐正濤，何小麗

（1.長江航道勘察設計院（武漢）有限公司，湖北 武漢 430040；2.長江航道規劃設計研究院，湖北 武漢 430040）

1 前言

《交通強國建設綱要》提出要推動交通發展由“依靠傳統要素驅動向更加注重創新驅動轉變”，對照高質量發展的根本要求，切實落實推動先進技術同長江航道測量作業的深度融合，緊跟無人技術裝備進展，加快推進無人機、無人船技術在航道測量中的應用非常重要。近年來，無人機行業快速發展。傳統的地形測量工作難度大，對人力物力的要求比較高，而選用無人機進行測量不但測量速度快，而且適應于許多復雜地形，所以當前地形測量開始由傳統測量轉為無人機測量；而無人船作為一個運載平臺，可以在水域測量中承擔很多高風險的任務，具有非常顯著的安全及成本優勢。隨著無人機無人船一體化數據采集及融合的關鍵技術突破和應用案例逐漸成熟，無人機無人船協同測量作業、無人船集群協同引導、航道地物要素信息自動化提取等研究成為新的發展趨勢。目前長江航道無人機、無人船整體應用水平仍處于起步摸索階段，尚未形成體系，與國內外先進應用水平仍存在差距，應用領域和應用模式有待進一步拓展，為更好地發揮無人技術在航道測量中的應用效能，進一步深入研究無人機無人船的協同測量作業機制和作業模式具有較強的應用和推廣價值，具有重要的現實意義和顯著的經濟社會效益。

2 無人機無人船協同測量的含義

本文研究的“無人機無人船協同測量”主要包括了3 個方面的協同內涵：

（1）利用無人機遙感數據提取的水沫線及臨河建筑物邊線為無人船快速規劃測量計劃線提供輔助邊界條件，實現無人機與無人船測量作業之間的協同；

（2）利用無人船測量作業控制平臺向多艘無人船進行測量任務的分配及調配，使多艘無人船按照指令各自同時開展測量作業，實現多艘無人船之間的協同測量；

（3）利用無人機的遙感數據和無人船的水深數據進行水陸一體化的成圖，實現遙感數據和水深數據之間的協同。

3 研究內容

（1）應用基于無人機遙感數據的水沫線、臨河建筑物等地物要素信息的自動識別和提取技術，開發數字航道條件下內業數據處理插件，提高內業數據處理效率。

（2）研究利用無人機技術輔助無人船規劃航線，包括測區水沫線、障礙物等標注，規劃精準、安全的航線。

（3）研究無人船內河航道協同作業控制技術，在一個平臺上同時控制多艘無人船的操作，包括任務統一分配、航線統一規劃等。

4 研究手段

4.1 地物要素信息的自動識別和提取技術

4.1.1 無人機遙感數據樣本庫構建

樣本庫制作通過對收集到的多源、多尺度的不同區域的無人機遙感數據進行分析處理，經過一系列的圖像處理步驟制作多尺度標簽標準數據集和遙感數據標準數據集，最終制作標準遙感數據樣本庫，并將其分為樣本訓練集和樣本測試集兩部分。無人機遙感數據樣本庫構建基于無人機正射影像和無人機傾斜影像實現，將目標地物要素按照水沫線和臨河建筑物進行分類。正射影像作為一種數字測繪產品，同時具有幾何精度、數學精度和影像特征信息量大，內容豐富，直觀真實。無人機傾斜攝影技術通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個側視等不同角度采集影像。相較于正射技術多了四個傾斜拍攝角度，從而能夠獲取更加豐富的側面紋理等信息。

圖1 無人機影像數據示意圖

表1 航道地物要素主要類型

4.1.2 深度學習建成區自動解譯提取

首先，利用高分辨率和對應的標記數據生成規定格式的樣本訓練集。然后，針對無人機遙感數據的特點，設計深度學習分割網絡模型。利用第一步構建好的樣本，對模型進行訓練。利用樣本測試集對完成訓練后的模型進行測試，若測試不通過，則返回第二步修改網絡模型，若通過測試則模型訓練完畢，可以進行地物自動分割，提取地物要素邊緣信息，具體流程如圖2 所示。

圖2 自動提取流程示意圖

圖3 測區邊界線生成

圖4 由導入的邊界線生成無人船自動規劃作業計劃線

4.2 利用無人機遙感數據規劃無人船作業計劃線技術

4.2.1 導入通過遙感數據提取的KML 數據

通過無人機無人船綜合管理平臺，將KML 文件加載到無人船作業計劃線規劃軟件中，生成水域測量邊界線，再由邊界線生成無人船自動規劃作業計劃線。

4.2.2 在控制軟件上實現水岸線、障礙物標注，優化作業計劃線

軟件通過算法判斷障礙物是靜態障礙物或動態障礙物，并在地圖上標注，為避障決策提供依據。

4.2.3 無人船智能避障技術輔助作業計劃線優化

在無人船規劃好作業計劃線后，由于受到水位變化、臨時障礙物等影響，給無人船協同控制調度帶來難度。本項目將通過無人船集成毫米波雷達，為協同軟件提供障礙物識別途徑。

如圖5，將多邊形測區范圍覆蓋測量水域、水中島嶼及其他障礙物。在無人船下水后切換自動模式，例如船從Home 位置下水朝“1 號航點”位置航行，在毫米波檢測到障礙物后，無人船向后面作業計劃線方向轉向繞過障礙物（此案例是向右轉向試圖繞過），當船連續遇到障礙物并到達下一條測線則判斷為岸邊，拋棄1 號航點去2 號航點，見圖6。

圖5 障礙物標注

圖6 作業計劃線切換

若航向2 號航點遇到連續障礙物，且3 號也在障礙物測，則拋棄2、3 航點去4 號航點（如圖5）。后續航行邏輯同上，無人船按照圖6 跑作業計劃線。若障礙物未覆蓋到下一條測線，則繞過障礙物繼續作業計劃線，具體見圖7 所示。

圖7 作業計劃線控制

圖8 無人船協同測量作業控制平臺

4.3 無人船協同測量作業技術

平臺基于無人機影像提取的水域岸邊線，根據協同無人船數量將區域劃分成多個小測區，分別將作業計劃線分配給多條無人船。各區域無人船獨自作業并將數據上傳給管理平臺。如有一艘無人船因故障等原因不能完成作業，重新將其區域內剩余任務劃分給其他無人船繼續完成作業。為保障協同服務器兼容多廠家的無人船數據接入系統管理，后續將制定標準的數據接入協議，具體內容包括：Sn 唯一識別號、無人船狀態數據、無人船作業計劃線規劃、無人船指令控制數據、測量數據透明傳輸通道等，通過標準化的數據傳輸，實現不同品牌的無人船協同控制。

5 結論及建議

（1）在地物要素信息的自動識別和提取方面，目前基本能夠實現自動識別和提取水沫線，但精度有待確認。下一步建議對洲灘、碼頭、航道整治建筑物、航標燈等的臨河建筑物的信息提取增加樣本學習數量，進一步測試和驗證提取的效率和精度。

（2）在利用無人機正射影像數據規劃無人船測量作業計劃線方面，目前基本能夠實現利用無人機正射影像數據提取水沫線，然后再利用水沫線規劃無人船的作業計劃線。下一步建議在水沫線提取的精度和速度方面進行進一步優化。

（3）在無人船協同測量作業方面，目前具備了多艘無人船分組測量功能。下一步建議進一步測試驗證無人船之間的協同測量作業功能和智能再分配任務功能。