無人機航測技術在水庫移民安置規劃中的應用

周 海，張 星

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴陽 550002)

0 引 言

近年來，無人機技術也逐漸應用到鄉村地區規劃的移民安置上，隨著水庫移民的數量不斷增加，其要求也就越來越嚴格，如何利用無人機的航拍技術對移民進行安置規劃成為研究的重點。利用無人機來對安置的地區進行檢測，包括地形、地貌，然后根據所識別到的圖像或者視頻來分析判斷該地區是否可以規劃成移民的安置區。為此，本文對無人機航測技術在水庫移民安置規劃中的應用進行研究，期望采用無人機技術快速確定移民安置地區的位置，為制定水庫移民安置規劃提供幫助。

1 無人機飛行準備及實景采集

無人機的航測主要用于土地形狀以及環境的探測，在探測中要保證在電量以及光照充足的情況下使用，如果遭遇到不明因素的干擾就會破壞無人機內部的安全系統，導致航測技術失效[1]。因此，事先做好飛行的準備工作，對未知的實景進行采集，才能最大程度地保證水庫移民安置規劃成功。在此之前，首先規劃出無人機即將航測的地理位置，并且確保所有的備用儀器以及設備正常運行，將航測的地區重點圈起來，然后確定好將要出發的位置，選擇發射位置與航測位置的重點作為最佳監控區域，以便觀察。而只有將航測的準備工作完成，才可以繼續下一個步驟，保證無人機的準確勘測。

無人機裝置過程如下：

1) 在無人機上安放攝像機，與內部的控制相連[2]，可以達到隨時遙控無人機的目的。

2) 當無人機檢測到安置地區時，控制系統立即作出反應，反饋到攝像機。

3) 攝像機就會找好角度來對地區進行觀察，拍攝出地形與四周環境變化，并按照比例關系呈現出帶有色彩的視頻圖像[3]。

4) 將此地的形態狀況實時傳輸到工作人員的共享平臺上，為工作人員提供準確的數據信息，并作出相應的決策。

在對實景進行采集時，需要借助數學原理來模擬與計算，并且建立一個包括無人機位置、檢測點位置與發射信號位置三者的一個空間模型，確定每個位置在三維空間內的坐標來明確飛行路線以及建筑識別。將地區圖像、周圍環境探測圖像[4]、路線圖像作為3個點，利用這3個點建立立體模型，然后忽略掉影響拍攝的其他事物，將場景變為一個干凈的場地。獲取到標準的實景圖后，將圖像傳輸到下一個命令模塊，統一進行分類以及處理，使圖像可以被應用到水庫移民的計劃當中。而有的圖像由于角度問題導致邊緣不清晰，此時就需要另外對其進行拍攝，然后把不完整的圖像結合到一起，按照地形的特點進行再加工[5]，再進行模型構建，按照相同的比例呈現出完整的地勢地形，用于后期的采集和判斷。

2 水庫移民安置規劃區控制點校準

無人機在航測時會受到不同的影響，包括地域的差異性、設備的不統一以及日照或者天氣的好壞，都會對其造成程度不一的損傷。而采取的措施就是要保證控制點的位置不變，以控制點為統一的探測標準，來對整個無人機的航測進行校準，使勘測結果趨于準確，實現水庫移民安置，并且可以減少不必要的操作[6]，使其高效穩定地進行。

通常一臺無人機需要的控制點為5個，包括4個方向各設置一個，中心位置再設置一個掌握飛行的角度，使拍到的圖像不至于模糊、變形，視頻更加清晰[7]?？刂泣c的方向各不相同，無人機拍攝到的圖像也就各不相同，同時進行操作，監測到的地區就會顯現出優點與缺點，可以實時看到是否可以作為移民安置區域。因為水庫移民的數量不多，相對應的地區面積也不是特別大，所以設置5個控制點將整個區域的地貌描述出來，然后將幾個控制點按照比例縮小到平面上，繪制成一個圖形，根據無人機的航測特點得到控制點的準確位置[8]，包括其角度變化，見圖1。

圖1 控制點位示意圖

圖1中，A、B、C、D分別為4個控制點?；趫D1可知，無人機開始飛行的位置與4個方向的控制點的位置會有一定的關系，并且當無人機進行工作時，控制點會不自覺地發生移動[9]，導致結果瞬間變化而變得不準確。這主要是由于方向相鄰的兩個控制點的坐標位置比另外兩個較為波動，且處于較低的地勢；還有季節的變化也使控制點的位置較為不穩定，當處于白天時，無人機飛行會以太陽作為標準，來進行航測；當太陽逐漸落山，就會導致無人機的位置變化，同時4個控制點也會隨著無人機的變化而導致角度不同。因此，確定陽光的起始變化十分重要，基于以上特點，通過GPS準確定位來對控制點進行實時測量[10]，保證其與無人機之間的角度關系，步驟見圖2。

圖2 控制點校正過程

基于上述過程對控制點校正，能夠使控制點的位置更加準確，加大航拍技術的準確性。

3 水庫移民安置規劃實現

基于上述過程對無人機飛行準備及實景采集并對無人機航測校準，在此基礎上進一步處理水庫移民安置規劃[11]。由于無人機一般在空中作業，在地表的各種儀器不能及時掌握其具體動向，就會因氣候等變化出現與預計不同的效果，為此以無人機的移動或是拍攝的角度為主，在這個前提下才能繼續之后的工作。采用旋轉變換的識別算法來對無人機航測的各種建筑進行識別，判斷其具體屬性[12]。建立一個三維空間坐標系，分別取3個點，以原點為中心，按照一定的規律進行旋轉，就完成了一個周期的旋轉變換。假設橫軸方向存在一點a，其坐標為(x,y,-f)，而縱軸的一點R的坐標為(X,Y,Z)，那么二者旋轉之后的關系公式為：

(1)

其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3都是旋轉之后的坐標，而為了能夠及時對圖像進行處理，就要最大程度地還原每個坐標點的位置[13]，并建立一個數學模型，使無人機、建筑物與投影保持在同一方向。假設a點經過投影后的兩個坐標為p(x,y)與q(x′,y′)，基于上述條件得到的關系公式為：

(2)

其中：γ為轉換因子，h為矩陣參數。

多次轉換矩陣的大小與方向會使坐標的角度與位置都不相同，也就出現了模型的多樣性[14]，為收集樣本提供了很多方便。而從公式中可以得出，無論怎樣改變，最終控制空間變化的一直都是轉換因子，最后得到的是相同的矩陣參數。

假設一個建筑為M，坐標為(XM,YM,ZM)，N為地面上控制點，坐標為(X,Y,Z)，投影的坐標為(Xn,Yn,Zn)，三者處于相同方向，因此可得出空間坐標的表達式為：

(3)

其中：x與y為平面初始坐標；(x,y,-f)為a點坐標；f為控制點的空間位置。

雖然圖像的還原度已經達到標準，但其尺度大小還需要進一步確定，將其定義為：

(4)

其中：H為尺度坐標；μ為尺度因子；e為倍數。

為了使圖像的分辨率更高，信息更加清晰，就要加強其抗干擾能力[15]，從另一個方面提高其準確性，得到的旋轉后的坐標為：

(5)

其中：θ為角度，m(x,y)為平面上隨機一點；L為降噪后的坐標。

最后經過多次計算與研究，可以得到只有矩陣的大小為，方向分成3個，獲取的數據信息或者是圖像才是最為精準的。

經過上述過程獲得準確的航測圖像，即獲得水庫移民地區各建筑及其他因素的實際位置，根據位置以及詳細的移民信息即可完成水庫移民安置規劃。

4 實例分析

為驗證所設計的無人機航測技術在水庫移民安置規劃中的應用效果，以某水庫安置區作為研究對象，進行實例分析。

4.1 實驗準備

此次研究中航測平臺采用智能鳥電動無人機，型號為KC160，這是一個小型的固定翼無人機，能夠全自動巡航，其主要參數見表1。

表1 無人機平臺主要參數

為了使單張航拍圖像覆蓋的范圍更寬，搭建航測系統，搭載索尼微單，拍照方式為定點或者定焦。

4.2 航測區概況與作業數據

該安置區基本情況見表2。

表2 安置區基本情況

該安置區地勢較為平坦，地物簡單，植被主要以水稻、桑樹為主，測區范圍約15 km2。測區內有高壓輸電線穿過，但是對無人機作業的影響較小。實驗的航測區范圍見圖3。

圖3 航測區范圍

在航測結束后，將無人機觀測數據與架設基準站采集的數據導入TBC軟件中，經過數據凈化處理，得到無人機航測的數據。

4.3 航測精度分析

在精度分析中，以航測區內20個具有明顯特征的區域作為檢查點，該區域的各個區域實際坐標位置為已知，對比結果見表3。

表3 航測精度分析

通過分析表3能夠發現，所研究的無人機航測技術監測的對象位置與實際對象的位置相差較小，基本能夠保持一致，能夠較為準確地獲得安置區各個對象的位置，證明所研究的方法在水庫移民安置規劃中能較為準確地劃分安置區域。

4.4 效率分析

在效率分析上，主要對比兩項，其中一項為測量一般地形區域的項目面積的時間；另一項為地形復雜區域項目面積的測量時間。兩者都分別對大面積與小面積項目測量，分析在一般地形與復雜地形下各個項目的測量時間。其中大面積主要包含房屋面積、電桿、水泥地面、田坎、管線等，小面積如安置區林地、居民地等。其中一般地形各個項目的測量時間見圖4。

由圖4能夠發現，在一般地形區域下，林地、居民地等小面積項目測量中，無人機航測技術花費的時間較少，能夠較為快速地檢測出各個項目的面積。在一般地形區域下，小面積各個項目測量上花費的時間較大面積項目測量上花費的時間多一點，但是整體測量時間不超過5 min。

圖4 一般地形區域項目測量時間

復雜地形區域各個項目測量時間分析結果見圖5。

圖5 復雜地形各個項目測量時間

通過分析圖5可知，在復雜地形上，各個項目的測量上花費的時間較一般地形上各個項目測量上花費的時間多一些。因為在地形復雜的情況下會增加校準的時間，所以增加了一些時間，但是在幾個項目的測量上花費的時間均不超過10 min。可見，無人機航測技術測量效率較高，即能夠提高水庫移民安置規劃效率。

5 結 語

本文基于無人機航測技術，完成了水庫移民安置規劃方法的設計，并通過實驗驗證了提出的方法的有效性。無人機航測技術進行移民安置規劃不但減少了資金的投入，也節省了大量時間，對于移民安置來說具有重要意義。