无人机系统在海洋测绘的应用与展望

无人机系统在海洋测绘的应用与展望

伍辉

广东邦鑫数据科技股份有限公司

摘要：无人机系统正成为获取海洋地理信息数据的重要手段，从海洋测绘的重要性和现状出发，本文简要阐述了无人机系统的组成和优势，探讨了现阶段无人机系统在海洋测绘方面的应用和未来发展方向。

关键词：无人机系统；海洋测绘；应用；展望

引 言

随着计算机、无人机、测绘设备、动态定位、图像融合等技术的高速发展，引领着我国测绘地理信息技术的日新月异。无人机系统作为一种新型的测量平台，是卫星遥感和常规航空摄影的有效补充，它在海洋测绘领域的应用同样日益扩大，已成为重要的海洋地理信息数据采集平台。

1 无人机系统在海洋测绘的现状及应用

我国的海岸线特别漫长曲折，海岸带资源十分丰富，海洋测绘承载着为海洋资源开发、利用和保护提供重要地理信息数据的重要使命。过去，我国海岸地形测绘采用传统的地形图测绘方法，效率低下；后来，卫星遥感技术用于海岸带大比例尺测图，因其成本昂贵且分辨率较低导致其应用领域有限；近几年来，随着我国无人机航测技术的快速发展，其高效、实时、低成本、高机动及广适用性的特点为海岸地形测绘、岛礁测绘等海洋测绘工作翻开了崭新的一页。

无人机测绘作为一种高新测绘技术，经过近几年的高速发展，已广泛应用于国家重大工程建设、灾害应急与处理、国土监察、资源开发、新农村和小城镇建设等方面，尤其在基础测绘、土地资源调查监测、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾测绘数据获取等方面取得惊人成绩。在海洋测绘方面，凭其高效率、低成本、安全可控的特性对深受海洋复杂环境影响的海岸地形测量和岛礁测量等传统测量工作实现了逐步取代，在刚过去的全国海岸线修测工作中充分证实了其高效率作业和精度保证，在现今热门的全国海岸带资源核查和海上风电巡检工作中亦成为了不可或缺的技术手段。

2 无人机测绘系统

无人机是一种具有自动化、智能化和专业化特点的现代无线电技术控制飞行器。无人机测绘系统以无人机为飞行平台，使用不同的搭载设备完成不同的测绘任务。无人机通用平台包括旋翼无人机和固定翼无人机，根据任务的距离和范围，分为中远程无人机、超短程无人机、短程无人机等，无人机平台可重复使用。无人机测绘系统主要由控制站、无人机、数据链路、eBox、负载设备等组成。控制站是无人机测绘系统的指挥中心，使用软硬件配合无人机测绘。无人机通过数据链路将测绘数据传回控制站。eBox是测绘系统的核心单元，包括GPS和惯导系统、电台、自动驾驶仪等。负载设备按不同测绘任务搭载不同仪器设备，常见的有搭载SAR的激光雷达测量，搭载单镜头照相机的正射摄影测量和搭载多镜头照相机的倾斜摄影测量。

3 海洋测绘中无人机的优势

第一，使用无人机进行海洋测绘具有机动性强的优点。无人机运输携带相对方便，现场拆装方便。此外，无人机的发射方式也非常灵活。无需使用固定机场，起飞环境要求低。

第二，随着无人机技术的不断发展，无人机的操作越来越“傻瓜化”，不需要专业人员，只需简单的培训即可操作。此外，无人机携带的巡航系统和数据后处理功能也降低了海洋测绘的难度。

第三，由于无人机机身非常小，完成飞行任务不需要消耗太多能量，无跑道、无机场的起飞模式也大大降低了基础设施建设和维护成本。同时，对于一些高风险区域，无人机可以替代人类到达，降低了海洋测绘的风险系数。

第四，安装在无人机上的高分辨率光电成像设备可以在不受身体方位影响的情况下完成倾斜成像、垂直成像和区域覆盖成像，分辨率可以精确到厘米级，能够准确获取海洋数据信息，保证测绘数据的准确性。

4 无人机在海洋测绘的现阶段应用

4.1 海洋环境监测

遥感技术是海洋环境监测的重要手段。随着无人机遥感技术的不断发展，海洋环境监测可以获得更高分辨率的图像数据，并自动识别海滩垃圾的类型。它还可以利用无人机摄影生产的正射影像图，基于精确的DEM和DOM创建三维模型，监测海岸带的侵蚀和沙滩的流失，并充分结合Rock解释方法和实际的机器学习算法，对沿海地区海滩垃圾进行分类检测。在实际应用中，可通过配备多镜头摄像机的轻型无人机拍摄航拍照片，使用摄影测量方法生成分辨率高于5cm且符合精度的正射影像、倾斜影像及三维模型数据，直观获取海岸带详细数据，分析该地区的沙滩变化与侵蚀情况。

4.2 海岸地形图测绘

海岸地形通常比较复杂，存在众多危险区域，在传统全站仪+GPS海岸地形图测绘外业工作中，工作人员的安全和健康常常遭受着考验。对通行困难或无法通行区域作业时，外业进度非常缓慢，甚至影响测图精度。随着近几年无人机技术的发展，搭载的GPS和传感器精度越来越高，机载照相机的分辨率也越来越高，在低空航测工作中，测图精度已能满足大比例尺地形图要求。因具有灵活机动的特点，无人机受空中管制和海洋气候的影响较小，能够在海岸礁石滩、陡崖等恶劣环境下直接获取影像，即便设备出现故障，也不会出现人员伤亡，安全性极高。在内业方面，全自动空三解算软件和裸眼3D测图软件的不断更新和广泛应用，使航测的内业门槛越来越低，效率也越来越高，逐步摆脱传统航摄内业工作的繁冗。无人机系统通过其低成本、高效率、低门槛、高安全等特性，已逐步取代传统地形图测绘成为海岸地形图测绘的主要技术手段。

4.3 海岸资源调查

党的十九大报告指出：“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”。海岸带作为我国海洋和陆地的枢纽，其开发、利用和保护工作是海洋强国战略的重要一环。为促进海岸带资源的可持续利用，协调陆海使用功能，满足海岸带的开发、利用、保护和规划的基础资料需求，海岸带资源调查工作已纳入多个沿海省市级主管部门的重点工作之一。

在海岸资料调查中，无人机测绘系统通过拍摄的高精度和高分辨率正射影像图和视频，对调查区域进行精准的海岸带分类、海岸带利用分类、自然资源统计和分析工作。并且在外业调查工作中，通过无人机调查+举证一体化开展外业，极大的提高调查工作的效率和可靠性。

4.4 海上风电巡检

近年来，无人机在陆上风电机组叶片巡检已经得到成熟应用，在海上风电领域也逐步应用无人机完成海上叶片巡检工作。无人机可以携带各种检测传感器。例如，可见光高清摄像机、红外传感器、激光测距仪等。无人机巡检可以弥补传统巡检方式的不足。在安全方面，无人机巡检时只需要无人机驾驶员操作无人机搭载巡检设备到达所需高度，彻底避免了人员坠落、高空坠物等安全隐患。在可靠性方面，无人机搭载的高清成像设备采集叶片各角度的高清画面，保证了图像数据的可靠性，同时这些图像将通过软件平台汇总到技术专家面前，由专家进行判断和分析，使叶片缺陷的诊断更加可靠。在效率方面，有数据显示，无人机巡检叶片比传统的高空平台垂降人工巡检至少快3倍，成本节约至少50%，减少发电机2/3以上的停机时间。传统的人工巡检叶片的的方式已经无法满足海上风电日益增长的需求，无人机技术凭借其对叶片高速、便捷、精准地巡检，在海上风电领域逐步代替人工巡检已成趋势。

5 无人机海洋测绘未来展望

5.1海上起降安全的安全性能

无人机在海洋测绘工作中，80%的无人机毁伤事故发生在起飞和着陆阶段，这表明有效解决无人机的海上起飞和着陆问题可以促进无人机系统在海洋测绘的发展。固定翼无人机通常在短距离或轨道发射时起飞，但是这种方法对场地空间的要求很高，这是普通小型船舶无法满足的；而且通常采用降落伞或悬索进行回收，其结构复杂，操作和控制困难，容易出现多种问题导致坠机。多旋翼无人机相对固定翼无人机在海上起降安全方面有明显优势，操作灵活，安全系数较高，主要考虑的是船舶自身的稳定性和安全性，但多旋翼无人机在续航上相较于固定翼较为劣势。个人认为：基于海上起飞和着陆的无人机海洋测绘，应以多旋翼无人机为主，而提升多旋翼无人机性能和续航是未来发展的关键。

5.2 航飞搭载设备的模块化

在海洋测绘中，受海洋气候和环境影响，无人机的起降占用了大量飞行时间导致实际作业时间短少，因此无人机的续航时间是制约无人机系统在海洋测绘发展的关键因素之一。除机载电源性能外，无人机的实际运载能力也与其实际的续航飞行时间密切相关，特别是对于一些载机容量较小的无人机平台，应明确未来小型化测绘设备及机载电源的发展方向。未来在能够同步获取所有要素的性能条件下，小型化配置和模块化配置是无人机测绘系统未来发展的趋势。

5.3无人机测绘算法的改进

随着深海测绘的不断推广，一些特殊区域的数据精度无法得到保障，主要原因是海上区域大多情况缺少像片控制点甚至没有像片控制点进行联合平差。为保证数据精度，需要更先进的定位系统和惯导系统及其支撑算法。因此，继续研究和改进无人机测绘算法，提高无人机姿态数据的可靠性和精度，改进空中三角测量计算方法，确保无人机系统海洋测绘数据精度提高，能适应各项海洋工程规范，并以此减少人工工作量，提高工作效率和数据质量。

5.4 解决电磁干扰

实现远程测控和大信息传输是无人机海洋测绘应用的未来前景之一，它可以有效实时地获取无人机当前测绘的位置、姿态、功率和图像等信息数据。要实现无人机远程测控的大规模应用，必须依靠和发展远程大带宽数据通信系统。而无人机在起飞、着陆和运行期间需要接收指令以完成相关任务，如果受到各种干扰，它们将失去控制，甚至导致坠毁。因此，避免航飞过程受电磁干扰是无人机飞行控制系统设计中必须考虑的关键因素。

5.5 海洋大数据发展的重要方向

信息技术的快速发展,带动海洋数据快速积累,海洋已经进入大数据时代，而海洋遥感数据是海洋大数据的核心数据之一。

目前,海洋遥感数据包括卫星遥感数据和航空遥感数据,其中航空遥感又可分为有人机航空遥感和无人机航空遥感。无人机航空遥感具有速度快、机动灵活、空间分辨率高的特点,适用于重点区域的高精度监测,如近海海洋调查、海岸带制图、资源勘测、海洋动态监管、海洋突发情况应急响应、海洋资源环境监测等。

日益增长的海洋研究水平和海洋应用能力对海洋遥感观测的精度提出了更高的要求,随着无人机遥感测绘系统以及数据处理技术不断进步,海洋遥感数据正在向更高精度与时空分辨率的方向发展。因此，无人机测绘系统的发展也是未来海洋大数据的发展方向之一。

结束语

无人机的应用水平正朝着越来越好的方向发展。因此，在未来，我们将越来越广泛地使用无人机技术，不断发展和突破现有的科技水平，并充分结合海洋测绘特点，实现无人机系统和海洋测绘在技术领域的紧密融合与高速腾飞。

参考文献

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