无人机技术在海洋监视监测中的应用研究*

2014-06-05李忠强刘婷婷

海洋开发与管理 2014年7期

李忠强，唐伟，张震，刘婷婷

(1.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室青岛 266033;2.国家海洋局北海海洋技术保障中心青岛 266033)

1 概述

无人机 (unmanned aerial vehicle，UAV)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱，安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。可在无线电遥控下像普通飞机一样起飞或者用助推式升空，也可由母机带到空中投放飞行。回收时，可用与普通飞机着陆过程一样的方式自动着陆，也可以通过遥控用降落伞或拦网回收。最初无人机应用主要在军事领域，主要作为靶机侦察机、诱饵机、电子对抗机、攻击机等。无人机由于具有响应快、机动灵活、高危地区探测、成本低、风险小、获取的影像具有高分辨率、大比例尺的特点，无人机也越来越广泛地应用于非军事领域，近年来，无人机在国土、海洋、电力、测绘和救灾等方面都发挥了越来越多的作用。无人机遥感技术弥补了卫星遥感技术与载人机遥感技术的不足，无人飞行器遥感技术具有自主性强、机动灵活、快速、经济、获取影像数据分辨率高等优势。截至2010年，从事无人机研制和生产的国家有50多个，其中以美国在无人机研制、生产、装备和使用都居领先地位。其次是以色列，其研制的无人机型号多、用途广，有些被装备到美国空军和海军，并为许多国家所大量购买。英国、法国、俄罗斯、加拿大、德国、意大利和荷兰等国家也都积极参与了无人机的研制，现已有多种较先进的机型配备在这些国家的军队和政府组织中［1］。随着我国科技水平的不断提高，我国的无人机技术也得到了长足发展。2009年国庆大阅兵无人机方队首次亮相就引起了广泛关注［1］。受阅的无人机有10架，分别为国产的3种型号的近程战术和中程战役无人侦察机。此次受阅，也显示了我国无人机行业已经初具规模。由于需求的增加和政府的支持，我国涌现了一批无人机研发生产企业，如中国航天科工集团、青岛天骄无人机遥感技术有限公司和桂林鑫鹰电子科技有限公司等，已经生产出了多个无人机机型［1］。无人机与遥感技术的结合，即无人机遥感，是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专题化快速获取国土、资源、环境等的空间遥感信息，完成遥感数据处理、建模和应用分析能力的应用技术［2］。

目前我国海洋执法主要利用船舶巡航，以及卫星遥感、载人航空遥感、近岸的监视监测等技术手段。由于船舶需要大量的人力物力支持，且舶巡航执法效率低、覆盖范围较小、无法及时获取相关现场数据资料。因此利用无人机遥感技术，充分发挥无人机的自主性强、灵活机动、快速以及高分辨率影像的优势，能够弥补目前技术手段的不足，获取高分辨率的影像数据资料，为海洋行政执法与维权执法的监视取证，以及为海域与海岛监视监测、石油监视监测、海洋环境监视监测等方面提供很好的技术手段，提高执法的效率与机动性，实现海洋执法立体化监视监测，为海洋执法和海洋管理提供技术支持。无人飞行器遥感技术有着其他遥感技术不可替代的许多优点，在国土资源遥感中可以成为卫星遥感和载人机遥感的有效补充手段，在海岛海岸带应急管理中甚至可以成为不可或缺的手段［3］。

国家海洋局利用无人机技术开展了海域无人机遥感监视监测，并将在深化近岸海域监视监测的基础上，扩大监测的内容与范围，全面加强对包括黄岩岛、钓鱼岛、苏岩礁以及西沙、中沙、和南沙群岛海域在内的我国全部管辖海域的综合管控。无人机作为一种高新技术遥感监测手段，弥补了现有卫星遥感、航空遥感和现场监测技术手段的不足，具有机动性强、成本低、效率高等特点，其所获取的遥感影像分辨率高达0.1 m，远高于卫星遥感影像，将成为国家海域动态监视监测管理系统重要的信息源。

国家海洋局北海海洋技术保障中心联合航天恒星科技有限公司于2012年6月开展了无人机的海洋监视监测飞行工作，主要对威海市威海湾附近海岛及海洋养殖区进行无人机监视飞行，并进行相关数据的处理，这次飞行时间约3 h，总共拍摄了1 007幅航摄照片，获得了威海湾地图高分辨率监测数据，以及威海湾内海岛植被分布、养殖区种类、面积等具体影像数据，制作了1∶1 000比例尺的专题图，本次无人机遥感监测获得数据分辨率高、实时性好、量算精度高，为海洋监视监测和海洋执法提供重要依据。国家海洋局北海海洋技术保障中心受北海总队委托于2012年第四季度开展无人机的区域建设用海专项执法检查，北海技术中心针对专项执法检查要求和检查项目，进行无人机遥感监测执法方案编制，并开展无人机飞行区域调研和现场考察，为无人机遥感海洋执法飞行检查提供基础数据，保障无人机飞行执法检查的顺利进行。

2 无人机在海洋监视监测中的应用技术研究

利用无人机平台搭载监视监测传感器，如摄像机、照相机等，获取影像数据，并进行影像数据处理，通过影像数据判读与信息提取，开展数据应用，从而实现无人机技术在海洋监视监测中的应用。因此无人机技术在海洋监视监测的应用，重在数据处理和数据应用。

通过对无人机数据处理技术的研究，进行无人机数据处理:进行同名点生成、空三计算、DOM生产和影像镶嵌，拼接为统一的影像图，实现数据的集成与信息制作。

2.1 无人机遥感影像数据处理

(1)数据准备。相机参数:焦距长 (mm)、CCD尺寸 (μm);POS信息:时间、纬度、经度、速度、纵摇、横滚、航向、GPS高度、俯仰等;其他信息:控制点信息、控制点坐标、航线轨迹图、飞行方向、架次等。

(2)数据处理参数设置。模型选择:数码相机;坐标系选择:地理坐标系、投影坐标系。

(3)数据处理。导入影像:多格式、批量导入。金字塔计算。内定向:相机参数 (焦距、像主点偏移、径向畸变、CCD尺寸等)。外方位要素导入。同名点生成:根据控制数据，基于特征匹配进行控制点、检查点、同名点选取，进行同名点的匹配，自动生成同名点，添加控制点;控制点的生成采用相关的图像匹配算法，由计算机自动获取特征点，进行基于图像特征的配准。主要配准方法有:基于矩的配准方法、基于边缘的配准方式、基于相似性判据最优化的方式，采用尺度不变特征转换算法进行特征点计算。空中三角测量:设置迭次次数、收敛值、控制点标准方差、外方位元素标准方差、参数模型等。DEM提取:使用ATE提取数字高程模型。正射校正:进行倾斜校正、投影差校正。影像镶嵌:对邻接的影像进行几何镶嵌、色彩调整、去重叠等处理，拼接为统一的影像图。生成数字正射影像图DOM。

2.2 影像判读与信息提取

利用GIS工具进行影像数据的矢量化，生成矢量图;标识监控区，绘制监控区界限，量测计算面积、周长、距离等数据，并标识其特征物与现场状况，获取无人机遥感监测影像判读数据。

2.3 比对分析

根据历史数据、区域规划等资料，进行现势数据与历史数据的比对分析，获取变化趋势和变迁轨迹，获得不同时域监测目标的影像变化 (廊线的变迁、面积变化、功能区变化、海洋环境状况等);分析监视目标特征指标，比对在时间序列上监视目标特征指标的变化，从而分析其变化趋势和变化特征，为海洋监视监测与执法提供依据支持。

2.4 基于无人机遥感监测的海洋管理与执法辅助决策支持

搜集法律法规、海洋规划、海洋功能区区划、历史影像数据等资料，进行GIS信息的提取与数据制作集成，建立历史数据的矢量图。

基于GIS进行历史数据矢量图与无人机影像、矢量图进行比对分析，分析变化趋势、差异点、面积变化、边界线变化、长度变化、海洋环境状况等，制作监测区域的变迁专题图。

根据比对分析结果，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。

图1 基于无人机的海洋监视监测技术流程

3 应用实例

2012年针对“潍坊滨海生态旅游度假区”区域建设用海规划项目进行无人驾驶飞行巡查，目标是掌握该规划项目的用海规划总体实施情况，主要包括:岸线情况 (填海项目及周边海岸线和人工岸线监测)、地面构筑物 (填海项目平面布局及构筑物监测)、填海区域。本次无人机监视监测任务飞行采用CY－01H固定翼无人机系统，搭载可见光相机，飞行高度800 m，累计4个飞行架次，实际飞行面积为154 km2，覆盖全部规划用海区域，获取有效航拍影像图片5 596张。飞行任务结束后进行了室内图片、数据的处理，无缝拼合镶嵌全景图片制作等，并生成规划区域矢量数据，利用GIS工具进行相关数据的测算，与历史资料和规划进行比对分析，最终获得区域建设用海现状图和调查报告，为海洋行政管理与执法提供现场监测依据。