李忠強，唐 偉 ，張 震，劉婷婷

(1.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室 青島 266033;2.國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033)

1 概述

無人機(jī) (unmanned aerial vehicle，UAV)，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。機(jī)上無駕駛艙，安裝有自動駕駛儀、程序控制裝置等設(shè)備。地面、艦艇或母機(jī)遙控站人員通過雷達(dá)等設(shè)備，對其進(jìn)行跟蹤、定位、遙控、遙測和數(shù)字傳輸。可在無線電遙控下像普通飛機(jī)一樣起飛或者用助推式升空，也可由母機(jī)帶到空中投放飛行?；厥諘r，可用與普通飛機(jī)著陸過程一樣的方式自動著陸，也可以通過遙控用降落傘或攔網(wǎng)回收。最初無人機(jī)應(yīng)用主要在軍事領(lǐng)域，主要作為靶機(jī)偵察機(jī)、誘餌機(jī)、電子對抗機(jī)、攻擊機(jī)等。無人機(jī)由于具有響應(yīng)快、機(jī)動靈活、高危地區(qū)探測、成本低、風(fēng)險小、獲取的影像具有高分辨率、大比例尺的特點，無人機(jī)也越來越廣泛地應(yīng)用于非軍事領(lǐng)域，近年來，無人機(jī)在國土、海洋、電力、測繪和救災(zāi)等方面都發(fā)揮了越來越多的作用。無人機(jī)遙感技術(shù)彌補了衛(wèi)星遙感技術(shù)與載人機(jī)遙感技術(shù)的不足，無人飛行器遙感技術(shù)具有自主性強、機(jī)動靈活、快速、經(jīng)濟(jì)、獲取影像數(shù)據(jù)分辨率高等優(yōu)勢。截至2010年，從事無人機(jī)研制和生產(chǎn)的國家有50多個，其中以美國在無人機(jī)研制、生產(chǎn)、裝備和使用都居領(lǐng)先地位。其次是以色列，其研制的無人機(jī)型號多、用途廣，有些被裝備到美國空軍和海軍，并為許多國家所大量購買。英國、法國、俄羅斯、加拿大、德國、意大利和荷蘭等國家也都積極參與了無人機(jī)的研制，現(xiàn)已有多種較先進(jìn)的機(jī)型配備在這些國家的軍隊和政府組織中［1］。隨著我國科技水平的不斷提高，我國的無人機(jī)技術(shù)也得到了長足發(fā)展。2009年國慶大閱兵無人機(jī)方隊首次亮相就引起了廣泛關(guān)注［1］。受閱的無人機(jī)有10架，分別為國產(chǎn)的3種型號的近程戰(zhàn)術(shù)和中程戰(zhàn)役無人偵察機(jī)。此次受閱，也顯示了我國無人機(jī)行業(yè)已經(jīng)初具規(guī)模。由于需求的增加和政府的支持，我國涌現(xiàn)了一批無人機(jī)研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)，如中國航天科工集團(tuán)、青島天驕無人機(jī)遙感技術(shù)有限公司和桂林鑫鷹電子科技有限公司等，已經(jīng)生產(chǎn)出了多個無人機(jī)機(jī)型［1］。無人機(jī)與遙感技術(shù)的結(jié)合，即無人機(jī)遙感，是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動化、智能化、專題化快速獲取國土、資源、環(huán)境等的空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析能力的應(yīng)用技術(shù)［2］。

目前我國海洋執(zhí)法主要利用船舶巡航，以及衛(wèi)星遙感、載人航空遙感、近岸的監(jiān)視監(jiān)測等技術(shù)手段。由于船舶需要大量的人力物力支持，且舶巡航執(zhí)法效率低、覆蓋范圍較小、無法及時獲取相關(guān)現(xiàn)場數(shù)據(jù)資料。因此利用無人機(jī)遙感技術(shù)，充分發(fā)揮無人機(jī)的自主性強、靈活機(jī)動、快速以及高分辨率影像的優(yōu)勢，能夠彌補目前技術(shù)手段的不足，獲取高分辨率的影像數(shù)據(jù)資料，為海洋行政執(zhí)法與維權(quán)執(zhí)法的監(jiān)視取證，以及為海域與海島監(jiān)視監(jiān)測、石油監(jiān)視監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)視監(jiān)測等方面提供很好的技術(shù)手段，提高執(zhí)法的效率與機(jī)動性，實現(xiàn)海洋執(zhí)法立體化監(jiān)視監(jiān)測，為海洋執(zhí)法和海洋管理提供技術(shù)支持。無人飛行器遙感技術(shù)有著其他遙感技術(shù)不可替代的許多優(yōu)點，在國土資源遙感中可以成為衛(wèi)星遙感和載人機(jī)遙感的有效補充手段，在海島海岸帶應(yīng)急管理中甚至可以成為不可或缺的手段［3］。

國家海洋局利用無人機(jī)技術(shù)開展了海域無人機(jī)遙感監(jiān)視監(jiān)測，并將在深化近岸海域監(jiān)視監(jiān)測的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大監(jiān)測的內(nèi)容與范圍，全面加強對包括黃巖島、釣魚島、蘇巖礁以及西沙、中沙、和南沙群島海域在內(nèi)的我國全部管轄海域的綜合管控。無人機(jī)作為一種高新技術(shù)遙感監(jiān)測手段，彌補了現(xiàn)有衛(wèi)星遙感、航空遙感和現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)手段的不足，具有機(jī)動性強、成本低、效率高等特點，其所獲取的遙感影像分辨率高達(dá)0.1 m，遠(yuǎn)高于衛(wèi)星遙感影像，將成為國家海域動態(tài)監(jiān)視監(jiān)測管理系統(tǒng)重要的信息源。

國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心聯(lián)合航天恒星科技有限公司于2012年6月開展了無人機(jī)的海洋監(jiān)視監(jiān)測飛行工作，主要對威海市威海灣附近海島及海洋養(yǎng)殖區(qū)進(jìn)行無人機(jī)監(jiān)視飛行，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理，這次飛行時間約3 h，總共拍攝了1 007幅航攝照片，獲得了威海灣地圖高分辨率監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及威海灣內(nèi)海島植被分布、養(yǎng)殖區(qū)種類、面積等具體影像數(shù)據(jù)，制作了1∶1 000比例尺的專題圖，本次無人機(jī)遙感監(jiān)測獲得數(shù)據(jù)分辨率高、實時性好、量算精度高，為海洋監(jiān)視監(jiān)測和海洋執(zhí)法提供重要依據(jù)。國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心受北海總隊委托于2012年第四季度開展無人機(jī)的區(qū)域建設(shè)用海專項執(zhí)法檢查，北海技術(shù)中心針對專項執(zhí)法檢查要求和檢查項目，進(jìn)行無人機(jī)遙感監(jiān)測執(zhí)法方案編制，并開展無人機(jī)飛行區(qū)域調(diào)研和現(xiàn)場考察，為無人機(jī)遙感海洋執(zhí)法飛行檢查提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，保障無人機(jī)飛行執(zhí)法檢查的順利進(jìn)行。

2 無人機(jī)在海洋監(jiān)視監(jiān)測中的應(yīng)用技術(shù)研究

利用無人機(jī)平臺搭載監(jiān)視監(jiān)測傳感器，如攝像機(jī)、照相機(jī)等，獲取影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行影像數(shù)據(jù)處理，通過影像數(shù)據(jù)判讀與信息提取，開展數(shù)據(jù)應(yīng)用，從而實現(xiàn)無人機(jī)技術(shù)在海洋監(jiān)視監(jiān)測中的應(yīng)用。因此無人機(jī)技術(shù)在海洋監(jiān)視監(jiān)測的應(yīng)用，重在數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用。

通過對無人機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究，進(jìn)行無人機(jī)數(shù)據(jù)處理:進(jìn)行同名點生成、空三計算、DOM生產(chǎn)和影像鑲嵌，拼接為統(tǒng)一的影像圖，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成與信息制作。

2.1 無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)處理

(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。相機(jī)參數(shù):焦距長 (mm)、CCD尺寸 (μm);POS信息:時間、緯度、經(jīng)度、速度、縱搖、橫滾、航向、GPS高度、俯仰等;其他信息:控制點信息、控制點坐標(biāo)、航線軌跡圖、飛行方向、架次等。

(2)數(shù)據(jù)處理參數(shù)設(shè)置。模型選擇:數(shù)碼相機(jī);坐標(biāo)系選擇:地理坐標(biāo)系、投影坐標(biāo)系。

(3)數(shù)據(jù)處理。導(dǎo)入影像:多格式、批量導(dǎo)入。金字塔計算。內(nèi)定向:相機(jī)參數(shù) (焦距、像主點偏移、徑向畸變、CCD尺寸等)。外方位要素導(dǎo)入。同名點生成:根據(jù)控制數(shù)據(jù)，基于特征匹配進(jìn)行控制點、檢查點、同名點選取，進(jìn)行同名點的匹配，自動生成同名點，添加控制點;控制點的生成采用相關(guān)的圖像匹配算法，由計算機(jī)自動獲取特征點，進(jìn)行基于圖像特征的配準(zhǔn)。主要配準(zhǔn)方法有:基于矩的配準(zhǔn)方法、基于邊緣的配準(zhǔn)方式、基于相似性判據(jù)最優(yōu)化的方式，采用尺度不變特征轉(zhuǎn)換算法進(jìn)行特征點計算?？罩腥菧y量:設(shè)置迭次次數(shù)、收斂值、控制點標(biāo)準(zhǔn)方差、外方位元素標(biāo)準(zhǔn)方差、參數(shù)模型等。DEM提取:使用ATE提取數(shù)字高程模型。正射校正:進(jìn)行傾斜校正、投影差校正。影像鑲嵌:對鄰接的影像進(jìn)行幾何鑲嵌、色彩調(diào)整、去重疊等處理，拼接為統(tǒng)一的影像圖。生成數(shù)字正射影像圖DOM。

2.2 影像判讀與信息提取

利用GIS工具進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的矢量化，生成矢量圖;標(biāo)識監(jiān)控區(qū)，繪制監(jiān)控區(qū)界限，量測計算面積、周長、距離等數(shù)據(jù)，并標(biāo)識其特征物與現(xiàn)場狀況，獲取無人機(jī)遙感監(jiān)測影像判讀數(shù)據(jù)。

2.3 比對分析

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、區(qū)域規(guī)劃等資料，進(jìn)行現(xiàn)勢數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的比對分析，獲取變化趨勢和變遷軌跡，獲得不同時域監(jiān)測目標(biāo)的影像變化 (廊線的變遷、面積變化、功能區(qū)變化、海洋環(huán)境狀況等);分析監(jiān)視目標(biāo)特征指標(biāo)，比對在時間序列上監(jiān)視目標(biāo)特征指標(biāo)的變化，從而分析其變化趨勢和變化特征，為海洋監(jiān)視監(jiān)測與執(zhí)法提供依據(jù)支持。

2.4 基于無人機(jī)遙感監(jiān)測的海洋管理與執(zhí)法輔助決策支持

搜集法律法規(guī)、海洋規(guī)劃、海洋功能區(qū)區(qū)劃、歷史影像數(shù)據(jù)等資料，進(jìn)行GIS信息的提取與數(shù)據(jù)制作集成，建立歷史數(shù)據(jù)的矢量圖。

基于GIS進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)矢量圖與無人機(jī)影像、矢量圖進(jìn)行比對分析，分析變化趨勢、差異點、面積變化、邊界線變化、長度變化、海洋環(huán)境狀況等，制作監(jiān)測區(qū)域的變遷專題圖。

根據(jù)比對分析結(jié)果，提取違法違規(guī)行為信息，繪制違法違規(guī)矢量圖，標(biāo)識違規(guī)區(qū)域和行為，為海洋管理與執(zhí)法提供執(zhí)法依據(jù)和決策支持。

圖1 基于無人機(jī)的海洋監(jiān)視監(jiān)測技術(shù)流程

3 應(yīng)用實例

2012年針對“濰坊濱海生態(tài)旅游度假區(qū)”區(qū)域建設(shè)用海規(guī)劃項目進(jìn)行無人駕駛飛行巡查，目標(biāo)是掌握該規(guī)劃項目的用海規(guī)劃總體實施情況，主要包括:岸線情況 (填海項目及周邊海岸線和人工岸線監(jiān)測)、地面構(gòu)筑物 (填海項目平面布局及構(gòu)筑物監(jiān)測)、填海區(qū)域。本次無人機(jī)監(jiān)視監(jiān)測任務(wù)飛行采用CY－01H固定翼無人機(jī)系統(tǒng)，搭載可見光相機(jī)，飛行高度800 m，累計4個飛行架次，實際飛行面積為154 km2，覆蓋全部規(guī)劃用海區(qū)域，獲取有效航拍影像圖片5 596張。飛行任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行了室內(nèi)圖片、數(shù)據(jù)的處理，無縫拼合鑲嵌全景圖片制作等，并生成規(guī)劃區(qū)域矢量數(shù)據(jù)，利用GIS工具進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的測算，與歷史資料和規(guī)劃進(jìn)行比對分析，最終獲得區(qū)域建設(shè)用?，F(xiàn)狀圖和調(diào)查報告，為海洋行政管理與執(zhí)法提供現(xiàn)場監(jiān)測依據(jù)。

4 討論

無人機(jī)為全面了解海洋環(huán)境狀況、海域使用狀況等提供了影像數(shù)據(jù)支持，發(fā)揮其靈活機(jī)動、快速、高效以及高分辨率影像的優(yōu)勢，為海洋監(jiān)視監(jiān)測、海洋管理與執(zhí)法等提供了技術(shù)支持。通過建立基于無人機(jī)技術(shù)的海洋監(jiān)視監(jiān)測業(yè)務(wù)體系，可提高海洋管理的效率與機(jī)動性，實現(xiàn)立體化的海洋監(jiān)視監(jiān)測。

［1］羅艷，謝健，徐淑升.重視無人機(jī)系統(tǒng)在海洋工作中的作用［J］. 海洋開發(fā)與管理，2011，28(9):43 －46.

［2］金偉，葛宏立，杜華強.無人機(jī)遙感發(fā)展與應(yīng)用概況［J］.遙感信息，2009(1):88－92.

［3］楊燕明，鄭凌虹，文洪濤，等.無人機(jī)遙感技術(shù)在海島管理中的應(yīng)用研究［J］.海洋開發(fā)與管理，2011，28(1):6－10.