海洋局应用四旋翼无人机遥感成像 可千米高度悬停
时间：2013-06-06浏览： 次责任编辑：四川拓图测绘仪器
为海洋监测插上翅膀
——国家海洋局第三海洋研究所实现无人机业务化应用纪实
说到无人机，人们可能并不陌生，经常在电视或者网络上看到欧美等发达国家运用无人机执行军事侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等任务，在地震救灾、考古、水利、农业、电力等民用方面也能看到无人机所发挥的巨大作用。然而，人们可能并不一定知道，其实在海洋领域，无人机也正发挥着无可替代的作用。
高空拍照能手
走进国家海洋局第三海洋研究所(以下简称海洋三所)海洋声学与遥感实验室，一个白色半球四周伸出4个带有机翼支架的设备引起了记者的注意，它就是四旋翼无人机。据科研人员介绍，这个外形有点像蜘蛛的四旋翼无人机是高空拍照能手，它可在1000米以下的任意高度悬停和飞行，并从空中对海岛、海岸带等进行立体“扫描”，帮助科研人员获取全面的地理测绘、海洋遥感等方面的现状信息。它不仅可以到达地面调查人员无法到达的地方，而且可在较短时间内完成调查工作，大大节省了人力物力，提高了调查效率。
海洋三所海洋声学与遥感实验室主任杨燕明博士给记者讲述了开展无人机运用的一段历史。2009年，正当我国全面开展“908专项”调查之际，陆续有地面调查人员找到海洋三所声学与遥感实验室，希望能提供时效性好而且清晰度高的遥感影像数据，并且最好有高潮位、低潮位等特殊时段的遥感影像数据，以满足相关调查研究工作的需要。这可给实验室出了一个很大的难题，因为卫星绕地球周期性飞行，所拍摄的影像数据都是固定时段的，即便特定时段卫星刚好飞行到预定区域上空，由于受云层遮盖等多种天气因素影响，所获取的影像数据也不一定能满足海岛海岸带调查需求。
杨燕明博士从事海洋遥感科研工作多年，对遥感领域的新技术一直持续关注。他敏锐地意识到，既然卫星遥感不能满足需要，何不尝试应用新型无人机拍摄海岛海岸带现状影像呢。他认为随着空间技术的进步，无人机的操控性和安全性已大大提高，完全可以将其运用到海洋领域。无人机能够低空飞行，突破了时间、空间、天气，甚至空管等因素的限制，按照地面调查人员的特定要求获取满意的影像数据成为可能。
开发图像后处理软件
然而，无人机运用在海岛海岸带方面的调查研究毕竟是新课题，没有足够的成功经验可以借鉴，而且缺少相应的技术规程，最初的运用并不顺利。
选用哪种类型的无人机作为遥测平台，就是他们遇到的第一个难题。其实早在20世纪90年代，无人机就被试图运用到海洋领域，但由于当时的无人机采用固定翼模式，其操控性较低、安全性较差以及缺乏相应链路支持等，曾造成较严重的安全隐患，无人机在海洋领域方面的运用一直停滞不前。随着空间科技的进步，无人机也有了很大发展，形成了固定翼无人机、传统无人直升机、无人飞艇、四旋翼无人机等多种类型，而每一种又各有优缺点。经过慎重比较，海洋三所声学与遥感实验室最终选择四旋翼无人机作为遥测平台。
四旋翼无人机依靠电力驱动，抗风能力强，对起降场地要求低，安全性好，即使出现故障，也不会对人员和财产造成伤害。与其他类型的无人机相比，同等条件下，四旋翼无人机机动性好，操作简便，能在1000米高度以内悬停或飞行，可广泛运用于海岛海岸带调查、海域使用监测以及灾害应急监测等领域。
从国外买来了四旋翼无人机，却不能立即投入使用。因为国外厂商只提供无人机飞行器系统，而缺乏相应的影像后处理软件加以支持，这等于一台电脑没有安装相应的程序一样，根本无法实现用户的遥测目的。比如如何实现对无人机所拍摄的海量照片进行无缝拼接，从航拍影像走向遥感目标，最后获取包含大量地理信息的测绘数据。同时，要求获取的测绘数据不仅要有经纬度，而且在高程方向也要有相应的信息，这都是杨燕明和他的同事们需要解决的一个个难题。
为把无人机运用起来，科研人员只能自己开发相应的图像后处理软件，结合已有的计算机处理技术和海洋领域的工作特点，一点一点地摸索，边开发边实践，逐步建立起四旋翼无人机航空遥测后处理平台。经过科研团队一年多的探索实践，他们成功攻克了镜头畸变校正、姿态正射校正、匀色匀光、薄云去除、影像配准及镶嵌等技术难题，自动化程序处理可让400多张原始图像处理在几小时内完成，完全满足海洋灾害应急监测的需求。在三维数字高程模型反演和三维实景数据处理方面，实现空间分辨率高达2厘米、数字高程精度在7厘米以内，目前处于国内领先水平。
海岛调查效率高
2009年底，科研人员们把无人机运用于厦门白兔屿海岛调查首获成功，获取了第一张海岛无人机遥测影像图，也成为第一家将无人机用于“908专项”调查资料获取的单位。
第一次获得成功以后，无人机在海岛调查领域的优势逐渐被海洋三所科研人员认识和挖掘出来。由于有些海岛(特别是无居民海岛)位置偏远，并且海上风大，登岛调查条件非常差，无法让调查人员获得一张全景的海岛影像。四旋翼无人机可以在船舶上直接起降，无需滑行跑道，从而到达调查人员无法到达的地方，并从空中充分获取海岛地理测绘，植被覆盖，海岛、海岸带滑坡、崩塌，岸滩侵蚀程度等详细现状信息，评估出地质灾害程度，为后续生态修复治理提供准确可靠的定量数据。无人机的调查效率也高于人员登岛调查，它可在较短时间内完成调查工作，省去大量人力物力。
由于四旋翼无人机具有机动性强、成本低、效率高等优点，杨燕明和他的同事们进一步开发，使四旋翼无人机遥感技术实现业务化运行。只要有工作需要，就可以立即配合开展无人机遥测作业，及时提供分辨率高、信息量大、地理位置坐标准确的遥感影像资料。为此，国内很多合作单位也慕名而来，纷纷邀请杨燕明带领的科研团队把该项技术运用到他们承担的项目中。今年4月，应国家海洋局东海分局预报中心的请求，海洋三所遥感实验室派出技术人员开展上海崇明岛岸滩侵蚀监测，快速、高效地获取了相关地质灾害监测地理信息数据，为我国典型海岛地质灾害监测与预警示范研究公益性专项工作的开展提供了强有力的遥感影像数据支撑。
开展数百架次飞行作业
近年来，科研人员先后将四旋翼无人机遥感技术成功运用到十多个项目的地理信息获取工作中，从大连长兴岛，河北打网岗、北戴河，烟台长山岛，到上海崇明岛，三亚鹿回头，湛江东海岛，福建城洲岛，漳州海洋三所科技兴海基地，都留下了海洋三所无人机团队工作的足迹。他们开展了数百架次的飞行作业，获取的原始图像就有1万多张，数据量高达40吉字节。这些优良的影像数据大大促进了相关方面的调查研究工作顺利开展。
在海洋三所地质实验室承担的厦门观音山沙滩修复工程中，四旋翼无人机遥感技术就发挥了重要作用。在沙滩修复工程实施前，科研人员通过无人机遥测为工程量计算提供高分辨率的遥感影像数据。沙滩修复以后，又通过无人机遥测评估沙滩修复效果，针对发现的问题及时调整修复方案，保证达到理想的修复效果。
厦门下潭尾滨海湿地生态公园建设过程中，通过无人机从空中对人工种植的红树林存活率进行遥测评估，实现了对人较难到达的滩涂区域进行监测，这不仅提高了评估的准确率和效率，而且还大大减少了人力物力投入，为后期科学合理地补种红树植物提供了重要的科学依据。
目前，海洋三所海洋声学与遥感实验室已成功将无人机运用于海岛、海岸带的生态修复，地质灾害监测，警戒潮位核定，区域用海等多个领域。今年，海洋三所将无人机示范应用于海岸带巡查和海岛行政执法上。今后，实验室还准备将绿、红、近红外三波段遥感相机，热红外遥感相机和高光谱遥感相机陆续集成于无人机载荷平台上，以实现红树林、互花米草等生态环境参数遥感，电厂热扩散监测，近海水质监测等，进一步拓展无人机在海岛、海岸带上的业务化应用，为海洋业务化监测、海洋环境管理决策提供重要依据。
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