無(wú)人機(jī)技術(shù)在復(fù)雜地形航道測(cè)繪中的應(yīng)用

牙廷周

摘要：為將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地形航道測(cè)繪工程中，文章基于無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行闡述，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)手段研究了控制點(diǎn)數(shù)量、飛行方案對(duì)無(wú)人機(jī)航道測(cè)繪精度的影響，并指出航道測(cè)繪精度隨著控制點(diǎn)的增加呈現(xiàn)先提高后平穩(wěn)的趨勢(shì)。研究認(rèn)為：當(dāng)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到17個(gè)時(shí)，隨著控制點(diǎn)個(gè)數(shù)的提高，精度提高不明顯，表明17個(gè)控制點(diǎn)為無(wú)人機(jī)航道測(cè)繪的最優(yōu)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，最優(yōu)飛行方案為折線飛行方案。所得結(jié)論可為無(wú)人機(jī)在航道測(cè)繪的廣泛應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);航道測(cè)繪;控制點(diǎn)個(gè)數(shù);測(cè)繪精度;折線飛

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展及對(duì)工程質(zhì)量的追求，國(guó)內(nèi)測(cè)繪技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。無(wú)人機(jī)技術(shù)也逐漸被廣泛應(yīng)用于測(cè)繪工程實(shí)踐當(dāng)中[1]。無(wú)人機(jī)主要通過(guò)不載人飛機(jī)的形式，由無(wú)線電遙控設(shè)備來(lái)進(jìn)行控制，經(jīng)由導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等控制裝置，將無(wú)人機(jī)拍攝的影像用于加工、控制及處理[2-3]。無(wú)人機(jī)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集的可視化，是一種數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的先進(jìn)裝置，具有靈活性高、準(zhǔn)確率高、效率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。近年來(lái)航運(yùn)業(yè)快速發(fā)展，對(duì)航道質(zhì)量的要求日益提高，航道建設(shè)的任務(wù)量增加使得在航道測(cè)繪方面的要求逐漸提高，需采用先進(jìn)的技術(shù)提高精度[5]。因此如何將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地形航道測(cè)繪中值得深入研究。

1 無(wú)人機(jī)技術(shù)在航道測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于航道測(cè)繪中，具備很大的優(yōu)勢(shì)：

（1）信息采集系統(tǒng)高效快捷。無(wú)人機(jī)技術(shù)在航道測(cè)繪中的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在便捷性、高效性、全面性等方面，其實(shí)際操作簡(jiǎn)單，在航道周?chē)鷱?fù)雜地形中可進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取高精度影像數(shù)據(jù)，對(duì)局部信息的采集效率極高。

（2）監(jiān)測(cè)尺度明顯高于傳統(tǒng)方法。無(wú)人機(jī)技術(shù)可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控監(jiān)測(cè)尺度，可同時(shí)監(jiān)測(cè)不同范圍內(nèi)的物體，運(yùn)用三維測(cè)量模式對(duì)目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行測(cè)量，并及時(shí)獲取目標(biāo)信息。

（3）信息處理速度高。無(wú)人機(jī)技術(shù)可以將航道測(cè)繪得到的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋到專門(mén)的信息處理系統(tǒng)中，做到及時(shí)監(jiān)測(cè)及時(shí)處理，大幅度提高信息處理的質(zhì)量和速度。

2 無(wú)人機(jī)技術(shù)在航道測(cè)繪中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)技術(shù)主要通過(guò)無(wú)人機(jī)飛行器在航道區(qū)域內(nèi)飛行并進(jìn)行航拍，將數(shù)據(jù)獲取為影像數(shù)據(jù)，以遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，完成數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)人機(jī)操作具體步驟可參考圖1。在無(wú)人機(jī)拍攝過(guò)程中，飛行器主要拍攝角度分為垂直角度和4個(gè)傾斜角度，實(shí)現(xiàn)多角度無(wú)死角拍攝，拍攝原理可參考圖2。

2.1 測(cè)量最佳控制點(diǎn)數(shù)量確定

在用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航道測(cè)繪時(shí)，需首先在工作面上確定所需測(cè)繪的控制點(diǎn)，但控制點(diǎn)的數(shù)量并不與航測(cè)精度呈正比，因此在航道測(cè)繪中需制定合理的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)。

為制定出在航道測(cè)繪中無(wú)人機(jī)的合理控制點(diǎn)數(shù)，本研究以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為研究手段，分別設(shè)置不同的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)，由于3個(gè)點(diǎn)確定1個(gè)平面，本研究分別設(shè)置了3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25個(gè)控制點(diǎn)，分別計(jì)算不同控制點(diǎn)方案下的無(wú)人機(jī)航道測(cè)繪精度，最終數(shù)據(jù)精度采用x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸上的相對(duì)均方根誤差（RMSE）和模型效率系數(shù)（Ens）表示，具體公式見(jiàn)式（1）、式（2）。

圖3為設(shè)置的不同控制點(diǎn)個(gè)數(shù)的精度對(duì)比。圖3顯示，在控制點(diǎn)個(gè)數(shù)比較少時(shí)，隨著控制點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加，精度明顯提高，RMSE的值明顯降低，Ens的值明顯提高，當(dāng)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，隨著個(gè)數(shù)的增加，精度提高并不明顯，當(dāng)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到17時(shí)，精度指標(biāo)數(shù)值保持穩(wěn)定，這表明當(dāng)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，控制點(diǎn)的增加只會(huì)造成操作的復(fù)雜與成本的提高，并不會(huì)顯著提高精度，在航道測(cè)繪過(guò)程中，在區(qū)域內(nèi)選擇17個(gè)控制點(diǎn)最為適宜。

2.2 無(wú)人機(jī)最優(yōu)飛行方案確定

為找出無(wú)人機(jī)在復(fù)雜地形航道測(cè)繪中最優(yōu)飛行方案。本文基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的手段，分別擬定了2種不同的飛行方案，分別為折線飛行方案和環(huán)形飛行方案，具體如圖4所示。根據(jù)2種不同的方案進(jìn)行試飛，得出不同航測(cè)結(jié)果，分析比較與實(shí)際情況的區(qū)別，得出最優(yōu)飛行方案。

表1為不同飛行方案下測(cè)得的控制點(diǎn)經(jīng)緯度及海拔與實(shí)際值的對(duì)比。由表1可以看出，不同方案下的測(cè)定結(jié)果有所不同，其中折線方案的測(cè)定結(jié)果普遍低于實(shí)際值，而環(huán)形方案的測(cè)定結(jié)果普遍高于實(shí)際值，同時(shí)折線方案的精度要明顯高于環(huán)形方案，折線方案測(cè)定的控制點(diǎn)經(jīng)度與實(shí)測(cè)值的誤差為0.009%～0.057%，環(huán)形方案為0.057%～0.38%，折線方案測(cè)定的控制點(diǎn)緯度與實(shí)測(cè)值的誤差為0.086%～0.257%，環(huán)形方案為2.511%～6.271%，折線方案測(cè)定的控制點(diǎn)海拔與實(shí)測(cè)值的誤差為0～0.059%，環(huán)形方案為0.039%～0.412%，因此折線方案為無(wú)人機(jī)飛行的最優(yōu)方案。

2.3 無(wú)人機(jī)測(cè)繪步驟

2.3.1 獲得測(cè)量影像資料

在進(jìn)行航道測(cè)繪的過(guò)程中，測(cè)繪人員需針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，合理確定無(wú)人機(jī)的飛行區(qū)域及飛行路線，同時(shí)在正式航測(cè)之前需進(jìn)行一定的試飛操作。為避免由于無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中飛行幅度造成影像的偏角，在進(jìn)行所需數(shù)據(jù)必要測(cè)定的同時(shí)，仍需在飛行過(guò)程中進(jìn)行多數(shù)據(jù)拍攝，以豐富數(shù)據(jù)，便于后期對(duì)影像修正。飛行結(jié)束后，針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域，確保影像的準(zhǔn)確性。

由本文研究可知，在制定無(wú)人機(jī)飛行方案及控制點(diǎn)數(shù)量時(shí)，應(yīng)選擇折線飛行方案，控制點(diǎn)數(shù)量應(yīng)定為17個(gè)，這樣可以保證無(wú)人機(jī)測(cè)繪的最高精度。

2.3.2 采集數(shù)據(jù)，生成矢量化數(shù)據(jù)

無(wú)人機(jī)采集復(fù)雜地形航道數(shù)據(jù)時(shí)，一般采取自動(dòng)加密數(shù)據(jù)采集的方式，該方式主要是在對(duì)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行收集的基礎(chǔ)上，采用拍攝設(shè)備和傳感器來(lái)暫存采集數(shù)據(jù)，并及時(shí)加密，是一種內(nèi)部控制系統(tǒng)的自我保護(hù)機(jī)制，得出的數(shù)據(jù)更加有效、準(zhǔn)確。

在獲得影像資料之后，需對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理，主要運(yùn)行計(jì)算機(jī)軟件將數(shù)據(jù)合成DMS數(shù)據(jù)格式，通過(guò)對(duì)航道地形、坡度等因素的拍攝，對(duì)航道基本特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，明確最終航道走向、地形、坡度等要素，使得最終數(shù)據(jù)可真實(shí)反映航道的實(shí)際情況。

2.3.3 獲取特殊目標(biāo)

在測(cè)量中，存在許多信息數(shù)據(jù)獲取難度比較大的特殊測(cè)繪目標(biāo)，比如大型工程項(xiàng)目、軍事或文物建筑等。采用傳統(tǒng)測(cè)量方法或技術(shù)來(lái)對(duì)這些特殊測(cè)繪目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量就會(huì)難以準(zhǔn)確、全面地獲取相應(yīng)的資料和數(shù)據(jù)，這時(shí)候靈活地運(yùn)用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，就能確保測(cè)量位置的準(zhǔn)確性，提高影像資料獲取的精準(zhǔn)度，提高測(cè)繪工程測(cè)量成圖的制作質(zhì)量和效率，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)航道周?chē)臉?biāo)志性建筑物等的測(cè)繪，存在獲取難度較大的可能，需采用傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)對(duì)特殊目標(biāo)進(jìn)行重新校對(duì)，以獲得全面的航道測(cè)繪信息。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于航道測(cè)繪工程中，具有效率高、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的控制點(diǎn)個(gè)數(shù)及飛行器航線，以確保無(wú)人機(jī)在航道測(cè)繪中的應(yīng)用質(zhì)量。本文分析研究了無(wú)人機(jī)在航測(cè)測(cè)繪過(guò)程中的最優(yōu)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)及最優(yōu)飛行方案，指出最優(yōu)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)為17個(gè)，最優(yōu)飛行方案為折線飛行方案，同時(shí)根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，擬定了無(wú)人機(jī)航道測(cè)繪的具體步驟，本文結(jié)論可為無(wú)人機(jī)在航道測(cè)繪中的應(yīng)用提供科學(xué)支撐。

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收稿日期：2020-05-27