基于无人机联合无人船的航道测绘分析

基于无人机联合无人船的航道测绘分析

刘世杰

440402198812189236 广东省东莞航道事务中心东莞航标与测绘所

摘要：随着近海水域的不断开发和城市化建设的飞速发展，无人机、无人船等非载人式勘测技术在水下地形应用中越来越受到行业重视，其非接触式的特点能保障作业人员的生命安全，其灵活、机动、低成本的特点能大幅提高生产效率，陆海多源数据融合技术愈发成熟，将多种无人技术综合应用于测绘实践的时机已经成熟。基于此，对无人机联合无人船的航道测绘进行研究，以供参考。

关键词：无人机；联合；无人船；航道测绘

引言

随着无人船在航道测绘中的应用，进行了深入的研究和分析，发现浅滩水域的航道测绘中无人船在实际应用中还存在两个方面的缺陷：一方面自动化测量中的避障能力较弱，容易发生碰撞；另一方面视角较矮，难以满足手动操作的要求，且图传延迟。鉴于此提出利用无人机的正射影像辅助无人船进行测绘。

1无人机航测技术出现的历史背景

如今依托于全球导航卫星系统实时动态差分技术测定法技术与全站仪协同性使用的土地测绘技术得到广泛应用，但对于城市楼群密度较大、土地覆盖物分布较为密集地区，此种测绘模式依然存在一定局限性，例如在地形测量时，测绘人员应进行全区域无差别测量，最终提取出目标中心区域，受限于步骤的繁琐性，重要碎布点会被遗漏，同时全站仪的运算能力有限，在大批量计算时，会选择性忽略部分点云数据，此种工作特性不利于精确测量工作的进行。同时在森林覆盖区域，水域反射比较大的区域卫星信号会针对性被缩减以及隔离，导致土地测绘任务无法正常进行。在土地测绘标准与需求日益提升的今天，土地测绘设备与技术应具有全功能性兼并精确性，因此机动性强、可控性高的无人机航测技术得到了航道测绘工作者的喜爱与追捧。相关技术人员通过采购大疆无人机，通过软件加持利用无人机内部数据寄存器和运算器来协同处理内部数据，以达到实时性动态性数据检测目标。

2无人船系统构成与优势

无人船测深系统包含任务模块、推进模块、电源模块、数传模块以及船体。岸基系统包含基站、数据接收系统、控制系统以及远程控制软件。底部分别是测深仪、主控系统、罗盘、电源等，船上分别是数据传输天线、遥控器天线、GPS、摄像头、避障雷达等等。在航道测绘中，无人船的优势较为明显，比如体积小、吃水浅和操作灵活，并且减少了仪器的安装调试和船舶租赁的时间，通过和基站的功能结合还能降低测量中的劳动强度，在浅滩水域的测量中较为适用。

3基于无人机联合无人船的航道测绘

在内河、水库等测量领域，尤其是浅水区的水深测量中，单波束无人船是一种应用比较广泛的自动化测量设备。在内湖水深测量时，无人船水下测量系统无须搭载人员，安全系数高，数据采集量大等特点大幅降低了人员落水风险和作业强度。但在浅滩、礁石、渔网等出水地物较多的复杂水域中，传统载人船测量手段可以根据现场情况随时调整航行路线，而无人船受其搭载的卫星影像的精度和现势性问题，不能反映水面的实际工作状态，导致无人船在复杂水域的搁浅风险增大，甚至无法开展自动导航的工作。此时，作业员只能采用手动作业模式，对视线附近的水上障碍物进行合理规避，但对于远滩或远岸的障碍物，当船体离操控者太远，或遮挡物较多，其自动规划航线的应用场景大大受限。会大量增加操控量，使船体安全面临较大风险，极大限制无人船的应用场景。全部采用人工操控的方法又对作业员要求很高，低矮视角导致无法规避所有障碍等因素，严重制约了复杂水域的作业效率。无人机航测系统为解决上述难题提供了一种新的解决方案。无人机倾斜摄影测量，则具有机动性高、地形分辨率高、自动化程度高、正射影像现势性强等特点，可以将无人机生成的正射影像作为无人船的工作底图，合理地规划无人船的航线，规避浅滩、礁石、渔网等各类出水地物，实现空域和水域的协同作业。

4无人船数据采集处理与显示子系统

数据采集处理与显示子系统主要功能为处理船载作业子系统所测量的地形数据，包括实时处理和后期处理，还支持现场测绘数据实时显示。在无人船数据采集处理与显示子系统中针对单波束和多波束测深数据的获取、处理、展示主要分为两部分：一部分针对单波束，由于单波束测深数据量较小，数据可通过通信基站实时传输回船控电脑，数据的处理、展示也集成于船控软件中；另一部分针对多波束测深数据，多波束在测量过程中产生数据量较大，数据测量后储存于船体主控电脑中，测量结束后采用多波束后处理软件进行后处理，多波束数据显示可通过岸基电脑远程登录无人船主控电脑实现。

5无人机航测技术发展及应用

我国无人机发展始于20世纪60年代，此时无人机专向应用于军事领域，随着技术的发展以及民用资本的不断积累，20世纪80年代处于经济发展活跃地区的技术型企业加大对民用无人机的开发。无人机航测技术得到广泛应用的历史时刻是2008年汶川大地震，突如其来的地震，一时间将所有无线电信号全部切断，国家测绘部门协同于网络信号架构部门迅速部署，通过临时搭建的信号发射塔，将飞机进行悬飞指令设定，第一时间将动态性土地测绘信号回传至终端救援中心，而此时使用的无人飞机正是具有中国自主产权技术的大疆无人机。从此无人机被测绘人员抢购，一时间无人机供不应求，国家针对无人机销量的飞升制定了无人机飞行驾驶资格考试科目设定，规范无人机遥控操作驾驶。受限于21世纪初期的影像分辨率以及传输速度等多方面影响，初代大疆无人机存在拍摄重叠、信号更新存在延迟等情况。但随着大疆等一批先进的无人机制造公司加强对信号建设以及影像合成系统的大力研发，将位置信号更新存在延迟等问题解决，使无人机在房屋区域测量、自然灾害动态监测领域广泛应用，成为了国家指定测绘机构战略合作伙伴。

6无人机无人船海陆空间信息一体化测绘方法

无人机航测系统的现势性强、分辨率高，操作简单，能提供包括DOM、DSM、三维模型等多种数据成果，被广泛应用于工程测绘、大比例尺地形测绘等领域中。其配合无人船水下测量系统的自动导航功能，既能实现船体航线依据实时影像的自动规划、自动航行、自动返航等指令的实施，还能充分利用无人船的自动避障、人工介入、画面回传等功能，提高船体操控的安全性，实现测区内水上和水下地形的无接触式、全覆盖、高精度测量。无人机无人船海陆空间信息一体化测绘方法首先通过无人机进行摄影测量工作，获取测区的实时正射影像，然后将此影像作为工作底图进行无人船的测区划分和航线规划等工作。再由无人船开展水深数据的自动化采集，通过软件生成水下DEM模型。最后与无人机空三模型构建的水上DEM模型融合处理，获取海陆空间信息一体化成果，用以计算出测区范围内的土方量等应用。

结束语

随着科技的发展，无人船的应用越来越广泛，也为水下地形测绘提供了新思路，国内外使用无人船进行水下地形测绘的应用也越来越多，但其主要的应用范围还在河道、湖泊等环境相对单一的水域，对于河口地区的应用仍然较少，少量的应用也仅仅停留在单船作业层面，仍然无法满足在河口复杂水环境条件下对效率和安全的要求。

参考文献

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