探析無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的海島礁測(cè)繪應(yīng)用

孟曉輝

（海警北海分局保障隊(duì)，山東 青島 266000）

海島礁測(cè)繪任務(wù)由于其所處的地理位置、客觀條件和相應(yīng)的測(cè)量精度標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)拍攝技術(shù)有更高的要求。而無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)具有智能化的特點(diǎn)，可以滿足該項(xiàng)測(cè)量任務(wù)的需要。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)概述及影響因素

1.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)概述

該項(xiàng)系統(tǒng)中包括硬件以及軟件兩個(gè)部分，前者涉及無(wú)人機(jī)工作的平臺(tái)、對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)、連接的遙感裝置、地面操控系統(tǒng)以及測(cè)速裝置等。硬件中的遙感裝置是較為重要的設(shè)備，其呈現(xiàn)的分辨率質(zhì)量與最終形成的海島礁測(cè)圖精細(xì)程度有直接關(guān)系。后者包括地面的操控系統(tǒng)、檢測(cè)航線規(guī)劃程序和最終數(shù)據(jù)處理程序等。而最終數(shù)據(jù)處理程序是海島礁成圖的重要環(huán)節(jié)。該項(xiàng)航測(cè)系統(tǒng)是以無(wú)人機(jī)為載體，配合機(jī)載的遙感裝置，按照既定的航線飛行，由此得到航線下地面的真實(shí)影像。在航拍過(guò)程中，根據(jù)總航線長(zhǎng)度進(jìn)行劃分，針對(duì)同一海島礁每間隔一段距離便進(jìn)行拍攝，由此能夠獲取海島礁不同角度的圖像，以形成較為完整的立體像，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的3D模型。之后借助使用的測(cè)圖程序根據(jù)既定的比例尺進(jìn)行數(shù)字化處理。最終得出繪制成圖，同時(shí)，也能夠生成相應(yīng)的數(shù)字化信息，如高程模型、海島礁影像以及其立體場(chǎng)景等。

1.2 影響航測(cè)質(zhì)量的因素

對(duì)于海島礁測(cè)繪任務(wù)而言，強(qiáng)調(diào)其最終呈現(xiàn)的高程精度，而干擾其最終精度的主要因素有四個(gè)方面。

首先，地面控制站。無(wú)人機(jī)在飛行期間的測(cè)量精度大部分是由地面控制系統(tǒng)情況決定的。同一海島礁測(cè)繪項(xiàng)目中，連接地面控制站的數(shù)量與最終呈現(xiàn)的精度呈同向變動(dòng)的關(guān)系，若控制點(diǎn)增加，最終成圖的精度也會(huì)隨之提高。其次，無(wú)人機(jī)自身飛行的速度。無(wú)人機(jī)和機(jī)載的拍攝裝置應(yīng)當(dāng)相互配合，其飛行速度應(yīng)滿足裝置拍攝的時(shí)間。若飛行速度相對(duì)較快，拍攝的影像會(huì)出現(xiàn)拖尾的問(wèn)題，導(dǎo)致拍攝出來(lái)的海島礁變形，其對(duì)于匹配同名點(diǎn)有所干擾。

再次，拍攝的時(shí)間。為保證拍攝影像的清晰度，航測(cè)的工作時(shí)間應(yīng)盡量定在一日中的正午左右。該階段的太陽(yáng)光線屬于相對(duì)垂直的狀態(tài)，被測(cè)量物體形成的陰影面積較小。但若選擇臨近黃昏時(shí)間段，由于太陽(yáng)直射的角度，會(huì)擴(kuò)大被測(cè)量物體的陰影面積，且陰影也會(huì)有所變形，進(jìn)過(guò)自動(dòng)數(shù)據(jù)處理后，會(huì)存在較大的誤差，影響成圖的精度。此外，對(duì)于海島礁的回測(cè)項(xiàng)目，需要得到相應(yīng)的海岸以及灘涂的數(shù)據(jù)，因此，拍攝任務(wù)的時(shí)間應(yīng)定在海島礁退潮的時(shí)間段。

最后，氣象條件。無(wú)人機(jī)航測(cè)需要在云層下方進(jìn)行，因此，當(dāng)?shù)卦茖拥那闆r不會(huì)對(duì)其作業(yè)造成較大的干擾，即使在云層較厚等情況下，也能完成既定的航測(cè)工作。雖然氣象對(duì)無(wú)人機(jī)本身的飛行無(wú)明顯影響，但會(huì)干擾拍攝數(shù)據(jù)的質(zhì)量。若在能見(jiàn)度高且無(wú)云層遮擋的情況下，拍攝圖像的辨識(shí)度會(huì)有所提高，相應(yīng)的同名點(diǎn)匹配效果更好，航測(cè)精度、光線亮度以及整體色調(diào)都會(huì)有所提升。

1.3 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況及與他國(guó)差距

近幾年，我國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)上的應(yīng)用已經(jīng)取得較好的成績(jī)，在自然災(zāi)害、城市數(shù)據(jù)收集以及國(guó)土資源調(diào)查等方面有所應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到有效的技術(shù)改良，并擁有較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及較為廣闊的發(fā)展前景。但我國(guó)與其他國(guó)家相比，相關(guān)的監(jiān)管政策較為落后，低空空域的開(kāi)放情況存在一定的滯后性，不利于該項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在海島礁測(cè)繪中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目為某海島航測(cè)工作，被檢測(cè)的海島面積在1km2左右，東西長(zhǎng)0.9km，南北跨度2.2km，與陸地的距離大約在8km，需要應(yīng)用到無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)，根據(jù)航測(cè)數(shù)據(jù)，完成1：1000的地形圖。根據(jù)無(wú)人機(jī)航測(cè)結(jié)果，海島礁的最高點(diǎn)海拔60m，坡度在15°。鑒于島內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，樹(shù)木較多，為提升整體航測(cè)水平，應(yīng)用了美國(guó)Trimble UX5 HP固定機(jī)翼的無(wú)人機(jī)，并且搭載專業(yè)化的傳感裝置和相機(jī)，確保海島礁測(cè)繪工作的有序開(kāi)展。

2.2 飛行設(shè)計(jì)及航空攝影

測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取中，對(duì)飛行方案進(jìn)行選擇，重點(diǎn)設(shè)計(jì)飛行高度和路線，并且對(duì)攝影間隔時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制。在飛行路線的設(shè)計(jì)中，綜合考慮地形和地貌因素，將無(wú)人機(jī)的航行高度控制在200m，航向重疊度在65%，滿足圖形比例尺結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)規(guī)范要求。航行過(guò)程中，將拍攝間隔設(shè)計(jì)在2s。相關(guān)人員利用Accesse軟件，對(duì)飛行方案進(jìn)行優(yōu)化。方案設(shè)計(jì)中，預(yù)計(jì)應(yīng)用兩架無(wú)人機(jī)、飛行時(shí)間控制在58分鐘，共計(jì)拍攝了156張海島礁遠(yuǎn)景圖像，圖像色彩度飽和、清晰無(wú)遮擋，與地形圖的制作要求相符合。

2.3 像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)測(cè)量

對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行控制，可以通過(guò)局域網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，具體操作中，需要在航向和周邊重合區(qū)域內(nèi)，每間隔6條基線設(shè)計(jì)一個(gè)控制點(diǎn)，確保所有像控點(diǎn)在合理范圍內(nèi)。確保后期制圖精準(zhǔn)度，需要對(duì)區(qū)域內(nèi)的檢查點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，一般情況下，檢查點(diǎn)應(yīng)超過(guò)兩個(gè)，位置選擇應(yīng)滿足成像要求，并且注重在航向范圍內(nèi)，對(duì)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。利用海南HiCORS對(duì)像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)，為進(jìn)一步控制無(wú)人機(jī)成像的精準(zhǔn)度，需要選擇至少3個(gè)有效控制點(diǎn)，并且對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，提升測(cè)繪工作效率。

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的收集方式

測(cè)繪過(guò)程中，使用天寶TBC測(cè)量軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與整理。軟件應(yīng)用可及時(shí)準(zhǔn)確生成拍攝的海島礁圖像，致力于提升加密測(cè)量和立體繪圖效率，實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作的自動(dòng)化與數(shù)字化。影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)技術(shù)處理后，可形成質(zhì)量較高的二維圖像和三維立體結(jié)構(gòu)，促使數(shù)據(jù)資源得的高效應(yīng)用。對(duì)相關(guān)部分進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用，利用高分辨率投影和重疊控制技術(shù)，對(duì)圖像進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)踐中，海島示意圖可通過(guò)DOM、DSM和DLG等多種形式測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行繪制。數(shù)據(jù)信息獲取方式直接影響制圖工作，在海島礁測(cè)繪中，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)收集方式進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間和面積進(jìn)行調(diào)整，確保數(shù)據(jù)信息獲取更加全面，同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性與可靠性進(jìn)行研究，必要時(shí)，可多次使用無(wú)人機(jī)對(duì)同一區(qū)域進(jìn)行測(cè)繪，并且對(duì)不同飛行環(huán)境下的地形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比，明確其中存在的差異，致力于提升測(cè)繪數(shù)據(jù)有效性。對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)收集過(guò)程也需要進(jìn)行監(jiān)督和管理，重點(diǎn)加強(qiáng)無(wú)人機(jī)性能檢查和工況條件分析。同時(shí)，海島測(cè)繪數(shù)據(jù)收集中，應(yīng)避開(kāi)霧天和雨天，避免圖形信息模糊，數(shù)據(jù)資源不準(zhǔn)確、不全面問(wèn)題發(fā)生。為達(dá)到地形圖制作目標(biāo)，也需要對(duì)數(shù)據(jù)收集方案進(jìn)行控制，利用先進(jìn)技術(shù)更新無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，提升數(shù)據(jù)獲取能力。

2.5 外業(yè)調(diào)繪及編輯成圖

針對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪圖像中未能呈現(xiàn)的局部地形和地貌特征，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充，此時(shí)，需要應(yīng)用外業(yè)調(diào)繪和編輯技術(shù)。外業(yè)調(diào)繪技術(shù)應(yīng)用主要是對(duì)地形結(jié)構(gòu)進(jìn)行改正和補(bǔ)充，并且可對(duì)點(diǎn)狀地物進(jìn)行補(bǔ)測(cè)、調(diào)查其屬性等。具體測(cè)繪中，需要對(duì)方法和技術(shù)進(jìn)行完善，通過(guò)將制作的攝像圖進(jìn)行放大，發(fā)現(xiàn)圖形結(jié)構(gòu)中存在的主要問(wèn)題，并且結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，確保地形圖準(zhǔn)確完整，具有較高的參考價(jià)值。當(dāng)外業(yè)調(diào)繪完成后，需要結(jié)合測(cè)繪數(shù)據(jù)和相關(guān)資料圖，對(duì)地形圖進(jìn)行編輯，此時(shí)，可利用南方CASS7.0成圖軟件進(jìn)行編輯，確保圖形繪制更加科學(xué)有效。

實(shí)踐中，對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的誤差值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，相關(guān)誤差主要產(chǎn)生在平面位置和高程上，相關(guān)人員應(yīng)參考《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量業(yè)內(nèi)規(guī)范》和海洋工程地形測(cè)量要求，對(duì)圖形進(jìn)行補(bǔ)充，確保圖形精準(zhǔn)度獲得提升，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。同時(shí)，在測(cè)量工作中，應(yīng)認(rèn)識(shí)到圖形編輯的重要性，善于利用合適的編輯軟件，對(duì)地形圖進(jìn)行調(diào)整，提升無(wú)人機(jī)測(cè)繪在海島測(cè)繪中的使用價(jià)值。對(duì)測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，需要重點(diǎn)考慮圖形精準(zhǔn)度問(wèn)題，對(duì)相關(guān)圖形進(jìn)行技術(shù)補(bǔ)充，明確無(wú)人機(jī)測(cè)繪中存在的不足，是目前工作重點(diǎn)。相關(guān)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)像控點(diǎn)進(jìn)行位置優(yōu)化，利用先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，并且收集相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)和拍攝資料。為地形圖制作提供可靠依據(jù)。

2.6 精度分析

對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪精度進(jìn)行嚴(yán)格要求，是提升無(wú)人機(jī)測(cè)繪工作效率的關(guān)鍵，需要對(duì)加密精度和測(cè)圖精度進(jìn)行分析。對(duì)加密精度分析，隨機(jī)選擇了航行范圍內(nèi)5個(gè)檢查點(diǎn)，精度分析中，將外業(yè)實(shí)測(cè)的檢查點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)真指，將控制點(diǎn)的坐標(biāo)值控制在計(jì)算值，并且對(duì)其中的差值進(jìn)行校驗(yàn)，提升驗(yàn)證效果。在影像處理中，應(yīng)用了DSM技術(shù)，在正射影像圖生均勻布置了5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，并且對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行分析，明確其坐標(biāo)值。在DSM上，測(cè)量了具體高程，將測(cè)量數(shù)據(jù)與外業(yè)測(cè)繪結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其中存在的誤差進(jìn)行控制，提升平面精準(zhǔn)度和高程精準(zhǔn)度，使得地形圖繪制更加準(zhǔn)確。實(shí)踐應(yīng)用中，測(cè)量精度進(jìn)行分析具有重要意義，不僅提高了測(cè)繪人員的重視程度，也可以促進(jìn)技術(shù)升級(jí)，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，重點(diǎn)優(yōu)化照相設(shè)備和傳感裝置，提升圖形數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)及其實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行分析，可以通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)獲取海島礁的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)于后續(xù)的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目提供更準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。該項(xiàng)技術(shù)打破了常規(guī)的測(cè)繪模式，在海島礁的測(cè)繪項(xiàng)目中表現(xiàn)出較好的發(fā)展前景。