我国海岛较多, 面积小于500 m²的岛礁有近万个^[1]。海岛礁区域水浅礁多, 受潮汐和海况影响大, 是海洋测绘的困难区域。海岛基础数据采集手段包括常规实地测量、卫星遥感、航空(低空)遥感、机载激光雷达等, 其中, 实地测量精度高, 但效率低, 还有些岛礁无法登陆; 卫星遥感受到影像分辨率的限制, 难以满足微型海岛的精细化管理要求, 而且微型海岛礁的出水面积受潮汐影响很大, 特别是南方地区很难在重访周期内获取不同潮位的海岛影像; 常规航空遥感受空域权限、天气和机场的限制, 且成本高、周期长、大范围的水域数据处理困难, 很难满足海岛基础数据的及时更新^[2]。无人机作为一种新兴的遥感监测平台, 搭载特定的传感器, 可实时提供遥感监测数据, 具有高机动性、高时效性、高分辨率、低成本等优点^[3-8]。

1 技术方法

无人机根据平台的差异不同, 可以分为固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机、无人飞艇等^[7]。各种无人机平台各有优缺点, 需要根据不同的应用场景、作业环境、成果要求等进行综合选择。

1.1 无人机平台

无人机遥感系统主要由硬件和软件系统两部分组成, 其中, 硬件系统主要包括无人机平台、机载测量系统、监控系统等, 软件系统主要包括航线设计、飞行控制系统、远程监控、航摄覆盖检查、实时传输、数据预处理等。固定翼无人机作业速度快、效率高、抗风能力强、姿态稳定性好、转场方便, 但是有效载荷小、起降过程损坏性大、起降跑道要求有100 m左右平直的跑道。多旋翼无人机起降方面对起降场地要求低、姿态稳定性好、转场运输轻便, 但是载荷小、作业时间短、抗风能力弱。无人直升机定点起飞、降落, 对起降场地要求不高, 但是结构相对复杂、操纵难度大、抗风能力弱、作业速度低等。无人飞艇目标大、起降灵活、载荷大, 可以垂直起降和悬停, 但是效率低、抗风能力弱、转场不方便等。

结合各类型无人机的特点和海岛礁作业环境, 选择一款最新型的复合翼无人机(即垂直起降固定翼无人机), 采用常规固定翼和多旋翼相结合的形式, 结构简单可靠。该类型无人机具有以下特点:①实用高效:具备固定翼长航时、速度快、效率高、航程远、载荷大等特点; ②垂直起降:采用多旋翼无人机的起降方式, 降低无人机对起降场地和空域的要求; ③成本低:不需要复杂的弹射和回收装备, 不需要额外的回收传感器; ④操作简便:集成特定的飞控和导航系统, 全自主起飞、走航线、降落, 操作人员只需要设置相关的参数来确定飞行; ⑤系统紧凑:不需要复杂的辅助设备, 安装、运输、维护等简单方便。

该复合翼无人机特别适合于以下情形:作业任务繁重, 旋翼无人机无法快速覆盖的区域; 作业环境复杂, 固定翼无人机无法找到合适的起降点; 山区、丘陵区域航拍航测; 城市应急监视, 快速运输; 水面舰船平台等。

1.2 影像数据获取

对海岛礁进行无人机遥感数据采集。首先, 收集测区的自然地理概况和已有的历史测绘成果资料; 然后, 根据已掌握的资料和摄影任务要求, 制定空摄影工作方案, 即根据测区位置、面积大小、空域、成果比例尺、精度要求、分辨率等因素, 确定具体的作业方案, 包括对测区进行现场勘察、飞行平台及传感器的确定、起降场地的选择、航线间隔及方向的确定、航向与旁向重叠度的计算、像控点的布设及测量等。对于像控点, 需要均匀布设在测区范围内, 并将点选择在地物特征比较明显处。如果测区明显特征点较少, 可在航摄前布设标靶。

在无人机进行低空摄影作业时, 需要考虑测区的天气状况, 选择天气晴朗、能见度高、风速低的天气, 从而保证获取高清晰度的摄影像片。对于海岛礁摄影, 风速的影响更为突出, 直接影响飞行平台的安全和摄影时飞机的姿态稳定性。同时, 还需要考虑摄影时的时间段, 在有效的太阳高度角内摄影保证影像的质量, 防止阴影过大。

在无人机低空摄影过程中, 通过地面监控站实时查看飞机的位置、飞行姿态、作业情况。对于地形比较陡的海岛礁, 常规的正射拍摄方式并不能完全拍摄到岛的地形信息, 需要在正射拍摄的基础上, 对陡峭的地形进行倾斜摄影, 甚至是环岛倾斜摄影。

无人机低空摄影结束返场后, 需要即时检查摄影像片的状况, 确保飞行影像质量。另外, 利用机载高精度定位定向系统(position orientation system, POS)数据, 检查摄影区域是否完全覆盖测区, 如有不合作的航线, 要及时组织补飞。

1.3 影像数据处理

在无人机外业获取原始影像数据、POS及像控点之后, 需要进行内业数据处理。为了生成完整、精细化的海岛礁空间信息, 采用倾斜摄影三维建模技术对海岛影像数据进行处理, 生产精细化真三维模型、真数字正射影像图(true digital orthophoto map, TDOM)、数字表面模型(digital surface model, DSM)等成果, 以及在此基础上进行应用分析。

倾斜摄影三维建模技术基本过程包括倾斜影像的数据预处理、POS数据整理、载入影像及POS数据、连接点自动匹配、匹配粗差剔除及自由网平差、加入控制点平差、区域网平差、倾斜摄影影像匹配、DSM点云生产、不规则三角网(triangulated irregular network, TIN)构建、纹理映射、实景三维模型生成等^[8]。在此基础上, 可以快速生成DSM和TDOM成果。

2 海岛礁监测实例

为了验证利用无人机遥感在海岛礁监测中的技术应用, 结合广东省海洋局近期对海岛礁的信息化应用示范, 利用本文介绍的技术方案对汕尾市龟龄岛进行无人机遥感监测。龟龄岛在北纬22°39′, 东经115°25′, 位于汕尾市城区东北面14 km, 北距大陆3 km, 该岛面积0.2 km²。

由于有些无人海岛礁地理环境复杂登陆危险, 无人机起降条件差, 不能采用普通的弹射起飞方式, 因此, 研究采用复合翼无人机(Orgin-C型复合翼无人机)进行海岛礁影像数据采集, 该无人机的相关参数为:无人机长1.35 m, 翼展2.5 m, 飞行速度为50~110 km/h, 作业时间约为2.5 h, 抗风能为达5级, 有效载荷为1 kg。搭载相机为Sony LICE QX1相机, 其标定结果为主点x₀为-0.009 617 mm, y₀为0.174 400 mm, 焦距f₀为29.782 985 mm。

在航飞之前, 根据任务要求进行航线规划, 地面分辨率为5 cm, 航向重叠度75%, 旁向重叠度为60%。无人机直接从船只上采用旋翼直接起飞模式, 待上升到一定高度采用固定翼走航线, 完成摄影任务后, 直接定点降落到甲板上。无人机降落后, 现场检查飞行质量, 确保没问题。

无人机遥感数据处理阶段, 软件采用Bently context capture, 主要步骤如下。

1) 对原始影像数据、POS数据进行整理, 删除多余的照片, 特别是起飞、降落阶段照片、拐弯时的照片对空中三角测量(aerial triangulation, AT)数据处理有较大影响。

2) 建立工程文件, 导入影像和POS、设置相机参数等, 可以看到相片根据POS数据进行排列。

3) 空中三角测量主要包括特征点提取、影像匹配、自由网构建等过程, 空三后的每张照片的姿态直观地展示出来, 对于姿态太差并剔除的照片, 以不同的颜色区分。

4) 模型三维重建主要包括影像密集区配、DSM点云生成、TIN构建、纹理映射等过程, 在软件具体的操作过程中, 需要设计空间参考系统、建模区域边界、分块格网大小、匹配像对选择方式、几何精度要求、孔洞填充、几何简化、色彩均衡、无纹理区域的表示等。

5) 产品生产根据产品类型不同, 需要分多次输出, 主要包括三维网格、三维点云、正射影像和DSM、用于编辑的三维网格、仅供参考三维模型等, 其中, 三维网格包括多种三维格式, 如3MX、S3C、OSGB、FBX、DAE等, 主要为第3方可视化和分析软件优化的三维模型。三维点云为彩色点云, 在第3方软件中进行可视化和分析。用于编辑的三维网格生成后, 可先在第3方软件中编辑, 然后重新导入到软件中重新生产。仅供参考三维模型主要是内部使用, 用于质量控制, 并作为后续数据生产的缓存数据。

经过内业数据处理, 最终得到了龟龄岛的数字正射影像图(digital orthophoto map, DOM)、DSM、精细三维模型等, 如图 1~图 3所示。

根据以上获取的海岛礁数据成果, 可以利用GIS软件工具(如CASS成图软件)对影像进行矢量化, 生产矢量图, 可以精确量算海岛礁的面积、周长等, 清晰地表达了海岛礁的现状。同时, 可以通过历史数据、海岛规划等数据形成对比分析, 获取海岛礁的变化趋势和变化轨迹, 获得不同时期内的廊线变迁、面积变化、功能变化、环境变化, 从而分析其变化趋势和变化特征, 为海岛礁监测与执法提供依据支持。提取违法违规行为信息, 绘制违法违规矢量图, 标识违规区域和行为, 为海洋管理与执法提供执法依据和决策支持。

3 结束语

本文通过分析海岛无人机低空遥感的作业环境特点, 提出了一种针对海岛礁的无人机遥感监测技术方法。

但我国不少海岛礁由于开发程度不高、或无开发、或地形险峻, 造成像控点难以测量。还有些岛屿离岸距离远, 岸边的GPS信号无法传递。这些都是需要进一步研究的方向。