無人機技術(shù)在復(fù)雜地形航道測繪中的應(yīng)用

牙廷周

摘要：為將無人機技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地形航道測繪工程中，文章基于無人機遙感技術(shù)，對無人機測量應(yīng)用的優(yōu)勢及應(yīng)用要點進行闡述，同時通過試驗手段研究了控制點數(shù)量、飛行方案對無人機航道測繪精度的影響，并指出航道測繪精度隨著控制點的增加呈現(xiàn)先提高后平穩(wěn)的趨勢。研究認為：當控制點個數(shù)達到17個時，隨著控制點個數(shù)的提高，精度提高不明顯，表明17個控制點為無人機航道測繪的最優(yōu)控制點個數(shù)，最優(yōu)飛行方案為折線飛行方案。所得結(jié)論可為無人機在航道測繪的廣泛應(yīng)用提供理論參考。

關(guān)鍵詞：無人機;航道測繪;控制點個數(shù);測繪精度;折線飛

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟快速發(fā)展及對工程質(zhì)量的追求，國內(nèi)測繪技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。無人機技術(shù)也逐漸被廣泛應(yīng)用于測繪工程實踐當中[1]。無人機主要通過不載人飛機的形式，由無線電遙控設(shè)備來進行控制，經(jīng)由導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等控制裝置，將無人機拍攝的影像用于加工、控制及處理[2-3]。無人機技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)集的可視化，是一種數(shù)據(jù)與計算機相結(jié)合的先進裝置，具有靈活性高、準確率高、效率高等優(yōu)點[4]。近年來航運業(yè)快速發(fā)展，對航道質(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繪方面的要求逐漸提高，需采用先進的技術(shù)提高精度[5]。因此如何將無人機技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜地形航道測繪中值得深入研究。

1 無人機技術(shù)在航道測繪中的優(yōu)勢

無人機技術(shù)應(yīng)用于航道測繪中，具備很大的優(yōu)勢：

（1）信息采集系統(tǒng)高效快捷。無人機技術(shù)在航道測繪中的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在便捷性、高效性、全面性等方面，其實際操作簡單，在航道周圍復(fù)雜地形中可進行連續(xù)作業(yè)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實時獲取高精度影像數(shù)據(jù)，對局部信息的采集效率極高。

（2）監(jiān)測尺度明顯高于傳統(tǒng)方法。無人機技術(shù)可根據(jù)實際需求進行現(xiàn)場調(diào)控監(jiān)測尺度，可同時監(jiān)測不同范圍內(nèi)的物體，運用三維測量模式對目標現(xiàn)場情況進行測量，并及時獲取目標信息。

（3）信息處理速度高。無人機技術(shù)可以將航道測繪得到的數(shù)據(jù)及時反饋到專門的信息處理系統(tǒng)中，做到及時監(jiān)測及時處理，大幅度提高信息處理的質(zhì)量和速度。

2 無人機技術(shù)在航道測繪中的應(yīng)用

無人機技術(shù)主要通過無人機飛行器在航道區(qū)域內(nèi)飛行并進行航拍，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，無人機操作具體步驟可參考圖1。在無人機拍攝過程中，飛行器主要拍攝角度分為垂直角度和4個傾斜角度，實現(xiàn)多角度無死角拍攝，拍攝原理可參考圖2。

2.1 測量最佳控制點數(shù)量確定

在用無人機進行航道測繪時，需首先在工作面上確定所需測繪的控制點，但控制點的數(shù)量并不與航測精度呈正比，因此在航道測繪中需制定合理的控制點個數(shù)。

為制定出在航道測繪中無人機的合理控制點數(shù)，本研究以現(xiàn)場試驗為研究手段，分別設(shè)置不同的控制點個數(shù)，由于3個點確定1個平面，本研究分別設(shè)置了3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25個控制點，分別計算不同控制點方案下的無人機航道測繪精度，最終數(shù)據(jù)精度采用x、y、z三個坐標軸上的相對均方根誤差（RMSE）和模型效率系數(shù)（Ens）表示，具體公式見式（1）、式（2）。

圖3為設(shè)置的不同控制點個數(shù)的精度對比。圖3顯示，在控制點個數(shù)比較少時，隨著控制點個數(shù)的增加，精度明顯提高，RMSE的值明顯降低，Ens的值明顯提高，當控制點個數(shù)達到一定數(shù)量時，隨著個數(shù)的增加，精度提高并不明顯，當控制點個數(shù)達到17時，精度指標數(shù)值保持穩(wěn)定，這表明當控制點個數(shù)達到一定數(shù)量時，控制點的增加只會造成操作的復(fù)雜與成本的提高，并不會顯著提高精度，在航道測繪過程中，在區(qū)域內(nèi)選擇17個控制點最為適宜。

2.2 無人機最優(yōu)飛行方案確定

為找出無人機在復(fù)雜地形航道測繪中最優(yōu)飛行方案。本文基于現(xiàn)場試驗的手段，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種不同的方案進行試飛，得出不同航測結(jié)果，分析比較與實際情況的區(qū)別，得出最優(yōu)飛行方案。

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

2.3 無人機測繪步驟

2.3.1 獲得測量影像資料

在進行航道測繪的過程中，測繪人員需針對現(xiàn)場實際情況，合理確定無人機的飛行區(qū)域及飛行路線，同時在正式航測之前需進行一定的試飛操作。為避免由于無人機飛行過程中飛行幅度造成影像的偏角，在進行所需數(shù)據(jù)必要測定的同時，仍需在飛行過程中進行多數(shù)據(jù)拍攝，以豐富數(shù)據(jù)，便于后期對影像修正。飛行結(jié)束后，針對重點區(qū)域，確保影像的準確性。

由本文研究可知，在制定無人機飛行方案及控制點數(shù)量時，應(yīng)選擇折線飛行方案，控制點數(shù)量應(yīng)定為17個，這樣可以保證無人機測繪的最高精度。

2.3.2 采集數(shù)據(jù)，生成矢量化數(shù)據(jù)

無人機采集復(fù)雜地形航道數(shù)據(jù)時，一般采取自動加密數(shù)據(jù)采集的方式，該方式主要是在對數(shù)據(jù)和信息進行收集的基礎(chǔ)上，采用拍攝設(shè)備和傳感器來暫存采集數(shù)據(jù)，并及時加密，是一種內(nèi)部控制系統(tǒng)的自我保護機制，得出的數(shù)據(jù)更加有效、準確。

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

2.3.3 獲取特殊目標

在測量中，存在許多信息數(shù)據(jù)獲取難度比較大的特殊測繪目標，比如大型工程項目、軍事或文物建筑等。采用傳統(tǒng)測量方法或技術(shù)來對這些特殊測繪目標進行測量就會難以準確、全面地獲取相應(yīng)的資料和數(shù)據(jù)，這時候靈活地運用無人機遙感技術(shù)，就能確保測量位置的準確性，提高影像資料獲取的精準度，提高測繪工程測量成圖的制作質(zhì)量和效率，具有很強的應(yīng)用價值。對航道周圍的標志性建筑物等的測繪，存在獲取難度較大的可能，需采用傳統(tǒng)的測量技術(shù)對特殊目標進行重新校對，以獲得全面的航道測繪信息。

3 結(jié)語

無人機技術(shù)應(yīng)用于航道測繪工程中，具有效率高、準確度高等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合理的控制點個數(shù)及飛行器航線，以確保無人機在航道測繪中的應(yīng)用質(zhì)量。本文分析研究了無人機在航測測繪過程中的最優(yōu)控制點個數(shù)及最優(yōu)飛行方案，指出最優(yōu)控制點個數(shù)為17個，最優(yōu)飛行方案為折線飛行方案，同時根據(jù)上述試驗結(jié)果，擬定了無人機航道測繪的具體步驟，本文結(jié)論可為無人機在航道測繪中的應(yīng)用提供科學(xué)支撐。

參考文獻：

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收稿日期：2020-05-27