摘要：無人駕駛飛行器（無人機(jī)）是非常靈活的測量平臺，可以從研究地點(diǎn)上方的固定位置收集接近連續(xù)的中等空間分辨率和高解析度的圖像。文章探討旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)在監(jiān)測海面區(qū)域方向的潛力，提出利用旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)在中等高度空間獲取高分辨率和高解析度圖像的航測方案，確定海洋劃定區(qū)和海灘的特征，獲取日常海灘的安全信息。利用航測獲取的信息可評估污染物擴(kuò)散和海洋平流層變化的趨勢，有助于更全面地了解海洋環(huán)境，為海洋資源開發(fā)和海洋環(huán)境保護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)；海洋區(qū)域；航空監(jiān)測； 圖像解析

中圖分類號：P231" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）02-0118-04

0 引言

無人駕駛飛行器（無人機(jī)）是一種較小的遠(yuǎn)程操作飛機(jī)，與其他需要高空間環(huán)境的機(jī)載光學(xué)測量平臺相比，無人機(jī)較易獲得中等空間分辨率和高解析度的圖像。較低的運(yùn)營成本使無人機(jī)作為環(huán)境調(diào)查平臺的應(yīng)用越來越廣泛，新的應(yīng)用包括農(nóng)業(yè)、考古、氣象和海洋等領(lǐng)域的繪圖和監(jiān)測。無人機(jī)分為2類，一類是固定翼飛行器，類似于小型飛機(jī)；另一類是旋轉(zhuǎn)翼飛行器，類似于直升機(jī)，有多個螺旋槳在水平面上旋轉(zhuǎn)［1］。無人機(jī)可應(yīng)用于長期監(jiān)測工作，如大氣監(jiān)測、海岸侵蝕調(diào)查、海灘垃圾監(jiān)測、野生動物監(jiān)測等。王千秋等［2］研發(fā)一套基于無人機(jī)的模塊化大氣污染監(jiān)測系統(tǒng)對大氣情況進(jìn)行監(jiān)測，不足之處在于系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性無法保證，數(shù)據(jù)的處理和分析算法也需要優(yōu)化和改進(jìn)，無法用于海洋環(huán)境監(jiān)測。劉勐等［3］主要研究無人機(jī)傾斜攝影在滑坡區(qū)域的監(jiān)測，不足之處在于無人機(jī)在飛行過程中受到天氣條件的限制，對飛行的高度和角度要求較高，并且無人機(jī)傾斜攝影的成本較高，不適用于海洋區(qū)域航測。盛希寧［4］基于四旋翼無人機(jī)的飛行優(yōu)勢，設(shè)計(jì)針對三維空間進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)，可實(shí)時采集不同高度的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)雖然具有巨大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢，但是無人機(jī)的飛行時間有限，對使用環(huán)境的要求較高，無法滿足海洋區(qū)域長期監(jiān)測的要求。

無人機(jī)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面具有優(yōu)勢，通過使用無人機(jī)進(jìn)行空中勘測，使海洋監(jiān)測不再局限于監(jiān)測區(qū)的當(dāng)?shù)貤l件。此外，航空成像非常適合與機(jī)器學(xué)習(xí)工具集成，這些工具已經(jīng)被用于解決一系列海洋環(huán)境研究中的復(fù)雜目標(biāo)認(rèn)知和分類問題。無人機(jī)可以攜帶高清相機(jī)、多光譜相機(jī)、紅外相機(jī)等多種傳感器，對海洋中的水質(zhì)、植被、海洋生物等進(jìn)行高精度、大范圍的測量，為海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理提供數(shù)據(jù)支持。旋翼無人機(jī)在航測過程中相機(jī)的傾斜角度會導(dǎo)致不等距的像素分辨率，該分辨率隨著相機(jī)與目標(biāo)距離的縮小而逐漸增大。旋翼無人機(jī)可以直接在測量劃定區(qū)上方運(yùn)行，以很低的成本連續(xù)拍攝高分辨率的圖像。本文討論了2種旋翼無人機(jī)的操作用途和監(jiān)測誤差，并提出一種海洋劃定區(qū)監(jiān)測工作方式。

1 航測方案

1.1 選擇無人機(jī)

本文選擇了2種類型的商用旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)，型號分別為Y6及AT6，用于航測固定的海洋區(qū)域。這2個型號的無人機(jī)都是六旋翼機(jī)，與AT6相比，Y6的三支柱配置更具優(yōu)勢，其螺旋槳布局穩(wěn)定，只有5個旋轉(zhuǎn)葉片，可提供更廣闊的無障礙視野。但是，當(dāng)無人機(jī)在水上運(yùn)行時，AT6所載電機(jī)比Y6的穩(wěn)定性更好。無人機(jī)的導(dǎo)航通過計(jì)劃任務(wù)和航路點(diǎn)自主執(zhí)行，或通過無線電控制遠(yuǎn)程執(zhí)行。機(jī)載飛行控制器能通過內(nèi)部傳感器穩(wěn)定和保持無人機(jī)的位置和高度。無人機(jī)數(shù)據(jù)存儲于機(jī)身的儲存器，分別以2 400 MHz和915 MHz的頻率實(shí)時傳輸給操作員；來自機(jī)載攝像頭的實(shí)時饋送以5.8 GHz的頻率傳輸給操控系統(tǒng)。

1.2 相機(jī)和鏡頭校正

在航測期間，2架無人機(jī)都配備了黑色版攝像機(jī)以及能由操作員精確控制俯仰的陀螺平衡環(huán)。這種相機(jī)與無人機(jī)組合具有2個突出的優(yōu)點(diǎn)：一是相機(jī)屬于輕量級，可使無人機(jī)獲得更長的飛行時間；二是魚眼鏡頭具備大的視野，這也是從有限的高度捕捉大面積畫面的必要條件。攝像機(jī)視角為傾斜角度，可以實(shí)現(xiàn)沿岸地面覆蓋和跨岸地面覆蓋［4-5］。

當(dāng)飛行高度在5 m時，目前常用的無人機(jī)能拍攝像素密度為5～9 pt/cm的照片，允許其集成用于基于機(jī)器學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法，并為人眼的劃定區(qū)檢測和分類提供良好的條件。高度 H3根據(jù)安裝在無人機(jī)上的照相機(jī)的規(guī)格進(jìn)行設(shè)置，劃定寬度 B 和一個額外的寬度B1計(jì)算海岸兩側(cè)的寬度。假設(shè)攝像機(jī)處于最低點(diǎn)，H3可用以下公式計(jì)算：

其中：[Sw35]為一個35 mm全幀照相機(jī)的傳感器寬度；[f35]為照相機(jī)焦距為35 mm的等效格式；B為劃定區(qū)域的寬度，B1為估計(jì)的劃定寬度。

沿著劃定海洋區(qū)域樣帶橫斷面布設(shè)的測量位置（N）的數(shù)量可以通過以下方式計(jì)算：將劃定區(qū)域?qū)挾菳 除以在高度 H1處的相機(jī)的水平視野（HFOV），取四舍五入后的整數(shù)。根據(jù)在最低點(diǎn)拍攝像機(jī)的角度，并且假設(shè)其他方向節(jié)軸線等于0°，所用相機(jī)水平視野的計(jì)算公式為

測量位置（N）的數(shù)量可以用以下公式計(jì)算：

將計(jì)算結(jié)果四舍五入為整數(shù)即可得到測量位置的數(shù)量，本實(shí)踐應(yīng)用案例的計(jì)算結(jié)果為12個測量位置，該數(shù)量可實(shí)現(xiàn)94%的劃定區(qū)域?qū)挾缺灰曇案采w。

1.3 航測規(guī)劃

海洋劃定區(qū)航測主要過程的時間尺度通常為秒到分鐘，需要每隔幾秒鐘獲取一次圖像，以正確解析劃定區(qū)的圖像學(xué)。本文使用相機(jī)的延時功能，采樣率為0.5 Hz，照片分辨率為1 200萬像素。為了獲得一個近乎連續(xù)的數(shù)據(jù)集，本實(shí)驗(yàn)周期性部署飛行2架無人機(jī)。當(dāng)?shù)谝患軣o人機(jī)的電池達(dá)到下限時，第二架無人機(jī)起飛并開始監(jiān)測。2架無人機(jī)被自動編程在同一位置徘徊，保持觀察位置不變，這種循環(huán)方案可確保無人機(jī)連續(xù)不斷地待命。為了延長使用時間，無人機(jī)電池可利用便攜式汽油發(fā)電機(jī)就地充電。

2 航測應(yīng)用過程

2.1 地理校正

為了使用航空圖像補(bǔ)充可用的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，可將二維（2D）圖像平面投影到三維（3D）地理平面上。相機(jī)校準(zhǔn)定義了2D圖像和3D地理平面之間的關(guān)系。通常，相機(jī)校準(zhǔn)包括2個步驟：首先從圖像中去除透鏡失真，其次以透視變換的方式將2D圖像平面投影到3D地理平面上（見圖1）。為了找到必要的變換矩陣，需將地面控制點(diǎn)的像素位置與它們在現(xiàn)實(shí)世界中已知的 GPS（全球定位系統(tǒng)） 位置聯(lián)系起來。在實(shí)驗(yàn)期間，需要設(shè)置陸基控制點(diǎn)，即海灘上的藍(lán)色長方形防水布［圖1（b）中的方塊處］，以及水基地面控制點(diǎn)，即固定在劃定區(qū)外底部的布吉板［圖1（b）中的圓圈處］。每個實(shí)驗(yàn)日，使用精確到1 cm的RTK（實(shí)時動態(tài)載波相位差分技術(shù)），通過GPS測量防水布的輪廓。布吉板配備了GT31 GPS定位器，精確到2～3 m。使用變換矩陣，將圖像投影到地理平面上，結(jié)果被稱為正射影像。圖1的像素分辨率在0.035～0.7 m范圍內(nèi)，具體取決于飛行高度、相機(jī)傾斜度以及正射影像覆蓋的區(qū)域等。最大和平均重投影誤差（即地面控制點(diǎn)的GPS測量位置與從正射照片獲得的地面控制點(diǎn)位置之間的差）分別為1.22 m和0.71 m。誤差主要受到以下因素的影響：①用于測量地面控制點(diǎn)的GPS設(shè)備的精度；②透鏡校正；③在無失真圖像中定位地面控制點(diǎn)的精度。

2.2 游蕩持續(xù)時間和游蕩精度

使用無人機(jī)監(jiān)測海洋劃定區(qū)時，需要重點(diǎn)考慮游蕩持續(xù)時間和游蕩精度。更長的游蕩持續(xù)時間可保證更長時間的連續(xù)數(shù)據(jù)采集。無人機(jī)的高游蕩精度獲得了穩(wěn)定的視野，使其更容易查看用于校正程序的所有地面控制點(diǎn)。關(guān)于游蕩時間，分析實(shí)驗(yàn)任務(wù)的日志數(shù)據(jù)可知，Y6在游蕩時平均消耗的功率低于AT6，因此Y6的游蕩持續(xù)時間比AT6更長。Y6的平均游蕩時間和最大游蕩時間分別為9.63 min 、11.61 min；AT6的平均游蕩時間和最大游蕩時間分別為5.72 min、8.97 min。以上時間主要取決于電池的類型和使用年限、飛行風(fēng)格及環(huán)境條件。

為了分析2款無人機(jī)的游蕩精度，本文的研究主要集中在第A日和第B日的任務(wù)。在這些任務(wù)中，設(shè)定部署無人機(jī)飛往相同的預(yù)定義航路點(diǎn)，以獲得具有類似視野的近乎連續(xù)的數(shù)據(jù)集。定義一個觀察圈，無人機(jī)90%的時間都在觀察圈內(nèi)徘徊（見圖2），結(jié)合圖3的無人機(jī)游蕩精度與平均風(fēng)強(qiáng)的函數(shù)關(guān)系可知，AT6的徘徊半徑比Y6的更大。另一方面，與Y6相比，AT6的平均位置變化較小（除了第B日AT6的異常值）。這些結(jié)果表明，AT6中的GPS定位比Y6更準(zhǔn)確，但Y6的位置保持校正增益比AT6更好。此外，通過將收集的風(fēng)力數(shù)據(jù)與第A日和第B日的每一次無人機(jī)任務(wù)聯(lián)系起來，可以看出平均風(fēng)力顯著影響無人機(jī)平均游蕩誤差的可變性（見圖3）。然而，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，在高度為100 m左右、風(fēng)速為10 m/s的情況下，保持所有必要的地面控制點(diǎn)相對容易。

3 航測試驗(yàn)

旋翼無人機(jī)是一種靈活的海洋劃定區(qū)監(jiān)測平臺，用于航測時需要大約1 h進(jìn)行設(shè)置，包括地面控制點(diǎn)（GCP）的布設(shè)。旋翼無人機(jī)能在劃定區(qū)正上方或向海的固定位置徘徊數(shù)小時，并且能以良好的精度對獲得的中等空間分辨率和高解析度的圖像進(jìn)行地理校正，非常適用于提取海洋劃定區(qū)的特征，以及在關(guān)鍵的空間和時間尺度上研究劃定區(qū)的具體用途。

單張正射照片能提供海洋劃定區(qū)的許多有價值的信息，一些示例分析則有助于試驗(yàn)研究。對某一時期內(nèi)的連續(xù)正射照片進(jìn)行平均誤差分析，返回的“時間曝光圖像”通常用于沙洲形態(tài)和激流的研究。因此，無人機(jī)可以通過單張正射照片快速識別和測量風(fēng)暴前和風(fēng)暴后或颶風(fēng)中重要的形態(tài)變化，也可以通過使用時間曝光圖像作為日常海灘安全工具，定位可能發(fā)生強(qiáng)撕裂流的危險區(qū)域。無人機(jī)獲得相似視野連續(xù)正射照片的能力為在不同空間和時間尺度上追求科學(xué)劃定區(qū)的運(yùn)動學(xué)提供了新的應(yīng)用。例如，在1 m和1 s的最小尺度上跟蹤單個波峰，提供一個波速和消散的定量空間模式。

單張正射照片提供的海洋劃定區(qū)域信息可以用來估算劃定區(qū)域的深度，該算法被用于固定翼無人機(jī)的航空圖像，與旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)的數(shù)據(jù)相比，可顯示估計(jì)的水深和實(shí)際數(shù)據(jù)之間的落差。該算法還可以評估波浪消散的空間模式，例如空間尺度為10 m、時間尺度為10 min時，可觀察沖浪區(qū)渦流的形成，該模式會影響激流運(yùn)動學(xué)，從而影響海上航行的安全。在相同的規(guī)模上，著色劑的釋放產(chǎn)生了示蹤劑分散度和濃度以及渦流擴(kuò)散率的估計(jì)值。在最大空間尺度為100～1 000 m、時間尺度為30～60 min的范圍內(nèi)，著色劑的演變可用于研究物質(zhì)在表層區(qū)的停留時間以及表層區(qū)和內(nèi)陸架之間的物質(zhì)交換。

4 結(jié)語

本文研究了旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)監(jiān)測海洋劃定區(qū)的具體應(yīng)用。無人機(jī)是一種靈活的測量平臺，可以從研究場地上方的固定位置收集高解析度的圖像。旋翼無人機(jī)獲得的連續(xù)正射照片滿足了在不同的空間尺度和時間尺度對劃定區(qū)運(yùn)動學(xué)的精確追求，實(shí)現(xiàn)了對污染物擴(kuò)散趨勢和海洋平流層變化趨勢的正確估計(jì)。

5 參考文獻(xiàn)

［1］鄭偉.基于視覺的微小型四旋翼飛行機(jī)器人位姿估計(jì)與導(dǎo)航研究［D］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

［2］王千秋，李俊杰，駱毅. 基于無人機(jī)的模塊化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［J］.信息記錄材料，2022，23（10）：106-109.

［3］劉勐，蘇俊武，薛洪文.無人機(jī)傾斜攝影在滑坡區(qū)域監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.自動化儀表，2023，44（9）：87-91，96.

［4］盛希寧.基于四旋翼無人機(jī)的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（4）：25-26，30.