無人機低空攝影在內河航道信息化的應用

姜若松+王東英+糜長軍+張波+萬斌

摘要：無人機低空攝影具有機動靈活、經濟便捷的技術優勢，它以高分辨率輕型數字遙感設備為機載傳感器、以計算機視覺技術、導航定位技術為技術支撐，具有對地快速實時巡查、測量能力，可廣泛海洋資源與環境監測、林業草場監測以及農業、水利、電力、交通、公安、軍事等領域。

關鍵詞：無人機全景拼接內河航道信息化

隨著“十二五”期間我省內河航道信息化事業的高速發展，以船聯網、水上ETC、感知航道、電子巡航為代表的新一代水運信息化系統陸續得到應用。在航道管理方面，由于缺乏信息化和可視化管理手段，基層工作的績效難以考核，不能有機地結合信息系統來提升航道管理效率。

無人機低空攝影在內河航道信息化的應用現狀

1、國內外航道信息化發展現狀

國外發達國家內河信息化建設較早：密西西比河在20世紀末已開始將智能運輸系統、差分全球定位系統等先進的通信和導航技術應用到航道信息采集和分析中，為航道的規劃、建設、養護及服務提供了支持和參考；萊茵河在1940年后開始逐步實現了信息技術標準的統一，于20世紀90年代末期實現了ENC在船舶雷達顯示圖像上加載、航段通信信號控制以及航道維護管理智能分析決策等內河航運綜合信息服務。

隨著我國內河航道信息化工程建設的逐步推進，以長江黃金水道為代表的內河導航信息化水平不斷提高，在電子航道圖系統研發應用等領域甚至呈現趕超國外發達國家內河航道信息化水平的趨勢。

2、無人機低空攝影發展技術現狀

隨著輕量MEMS慣性導航系統的出現，輕型的多旋翼無人飛行平臺開始蓬勃發展，到2005年左右，穩定的多旋翼無人機開始出現。2013年，國內大疆創新科技有限公司研發的四旋翼飛行器產品，配備Gopro運動相機，小巧靈活，控制簡單。隨著大疆的成功，國內像零度智控、天途、哈博森等公司也相繼推出多旋翼無人機。多旋翼無人機的成熟，基于該平臺的應用，如航拍、電力巡檢等市場快速打開。

基于無人機平臺的傾斜攝影技術越來越成熟，很多商業公司利用無人機平臺進行對地面的三維重建，比較有名的公司有pix4d、acute3d、skyline等。他們通過傾斜攝影測量全自動建模工具及移動端產品，結合云計算與云服務技術，真正實現了從上游影像處理、中游二三維展示分析，到下游具體行業應用與信息發布共享的三維空間信息全產業鏈覆蓋，為用戶提供一體化、一站式產品與服務。

無人機低空攝影在內河航道信息化應用的分析

無人機低空攝影是以獲取低空高分辨率遙感影像數據為應用目標，集成了無人駕駛飛行器、遙感及GPS-導航定位等高科技產品和技術，建立起來的一種高機動性、低成本和小型化，專用化的遙感系統。無人機低空攝影具有機動靈活、經濟便捷的技術優勢，它以高分辨率輕型數字遙感設備為機載傳感器、以計算機視覺技術、導航定位技術為技術支撐，具有對地快速實時巡查、測量能力，可廣泛海洋資源與環境監測、林業草場監測以及農業、水利、電力、交通、公安、軍事等領域。

1、無人機航測平臺的優勢

無人機航測平臺具有以下幾個獨特的優勢，第一，作業方式靈活快捷；第二，平臺構建、維護以及作業的成本極低；第三，因其飛行高度低，能夠獲取大比例尺高精度影像，在局部信息獲取方面有著巨大的優勢；第五，能夠獲取高重疊度的影像，增強了后續處理的可靠性和精度；由于上述的諸多優勢，基于小型無人機平臺搭建的三維環境重建系統已經成為世界各國爭相研究的熱點課題，現已逐步從研究開發階段發展到實際應用階段。

2、航道全景圖像拼接

由于多旋翼無人機體積比較小，自穩定性和抗風能力差，在拍照的過程中不可避免地會出現傾斜、抖動，相機本身也存在鏡頭的幾何畸變，所以首先要對無人機圖像進行幾何校正。圖像的幾何校正就是要校正成像過程中所造成的各種畸變，產生一幅符合某種地圖投影或圖形表達要求的新圖像。圖像預處理就是將變形的圖像糾正并且統一到建立的坐標系中，以便測量地物的坐標信息。圖像的配準是指對圖像間的匹配信息進行提取，在提取出的信息中尋找最佳匹配，完成圖像間的對齊。圖像拼接的成功與否主要是看圖像的配準。圖像的融合是指在配準以后對圖像進行縫合并平滑邊界，讓圖像過渡自然。圖像拼接技術路線如圖1所示。

3、航道場景三維重建平臺

多傳感器融合的無人機定位及場景三維重建技術：無人機獲取具有重疊覆蓋區域的序列圖像。無人機序列圖像三維重建在技術實現上分為圖像分析處理和三維解算兩個方面。圖像分析處理的目的是取得不同圖像上的同名目標點的對應，包括關鍵幀圖像選擇、圖像增強、特征點提取與匹配。三維解算以序列圖像同名點匹配結果作為輸入，解算場景的三維結構，包括圖像間相對運動解算、平差優化等內容。具體的三維重建實現流程如圖2所示：

通過無人機攜帶的IMU、視覺傳感器，基于貝葉斯濾波框架，實現無人機平臺的定位和環境結構特征的三維重建，該方法可以提供系統定位精度，特別是在GPS失效的情況下，也能很好的彌補利用低價位IMU的誤差漂移問題，同時構建的環境特征點圖通過最優化的方法能夠構建全景圖像。原理如圖3所示。

無人機航空攝影在航道的應用前景

隨著計算機技術、空間技術和通訊技術的飛速發展，水深測量裝備正在朝著系統功能更加集成化、系統外觀更加小型化和輕便化方向發展，測量精度將進一步提高。以地理信息系統為基礎，將航道及相關的岸邊設施以多維（立體和動態）、多尺度、多分辨率的信息進行描述，通過計算機技術、水聲納測量、航空攝影技術和大規模存儲技術將真實的港口和航道進行虛擬化、數字化和可視化，更加直觀地反映測區的岸線、建筑、特種地物地貌等，形成一個基于地理信息系統的航道三維數字化可視、可測平臺，使得管理者對于航道的規劃、設計、建設、養護、管理整個生命周期進行有效管理，必是數字化航道的發展趨勢。

參考文獻：

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（第一作者單位：宿遷市航道管理處，第三、四、五作者單位：江蘇蘇科暢聯科技有限公司）endprint