基于小型無(wú)人機(jī)的近岸海域成果定位精度探討

張金華，王同行，謝 恬，符史勇

(1.海南省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心，?？?海南570206，2.?？谑泻Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測(cè)中心，?？?海南 570105)

1 引言

此次作業(yè)采用的名為大白的ZW3 機(jī)型無(wú)人機(jī)，采用GPS+GLONASS 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)［1］，集成的機(jī)載傳感器獲取航向，速度，姿態(tài)等數(shù)據(jù)［2］，機(jī)載GPS 接收機(jī)飛行定位精度為±5 m，照片重疊率為縱向(飛行航向)為80%，橫向70%，飛行高度600 m，影像分辨率0.2 m，飛行后的數(shù)據(jù)以Pix4D Mapper 為圖像處理平臺(tái)，圖像處理后的控制點(diǎn)坐標(biāo)獲取、點(diǎn)位精度分析在ArcGIS 9.3 軟件平臺(tái)上完成［3］。

海域無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域一般為沿岸線的長(zhǎng)方形區(qū)域。海南省多沙灘和防風(fēng)林，具有特征地物少，控制點(diǎn)難以選取的特點(diǎn)。本次飛行區(qū)域選取海南省東方市魚(yú)鱗洲沿海區(qū)域?yàn)轱w行作業(yè)區(qū)。該區(qū)域南北長(zhǎng)12 km，東西寬3 km。該區(qū)域作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域的優(yōu)點(diǎn)有:①有兩條大體平行、相距1 開(kāi)幕左右的公路貫穿整個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域;②公路上及周邊遮擋較少，且行人不多，適合設(shè)置控制點(diǎn)，同時(shí)控制點(diǎn)可以分布均勻，分布圖如圖1 所示。其中，整個(gè)飛行作業(yè)區(qū)分為控制區(qū)、檢驗(yàn)區(qū)兩部分?？刂茀^(qū)為1－10 控制點(diǎn)覆蓋相關(guān)區(qū)域，南北長(zhǎng)4 km，東西3 km;檢驗(yàn)區(qū)為11－17 控制點(diǎn)覆蓋相關(guān)區(qū)域，南北長(zhǎng)8 km，東西寬3 km。在分析中，以控制區(qū)控制點(diǎn)的數(shù)量變化來(lái)分析無(wú)人機(jī)影像成果精度的變化。具體為無(wú)控制點(diǎn)參與解算成果，日常作業(yè)控制點(diǎn)數(shù)量、分布參與解算成果，1－10 號(hào)控制點(diǎn)參與解算的控制點(diǎn)能夠均勻布設(shè)整個(gè)控制區(qū)的解算成果。為了使1－10 號(hào)控制點(diǎn)分布比較均勻，控制點(diǎn)設(shè)置采用噴漆的方式，紅色圓點(diǎn)，直徑60 cm。

圖1 區(qū)域分布圖

2 數(shù)據(jù)獲取及處理流程

數(shù)據(jù)獲取及處理流程如圖2 所示。

圖2 流程圖

3 絕對(duì)定位精度誤差對(duì)比分析

本次實(shí)驗(yàn)共完成了3 組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。采用坐標(biāo)系為CGCS2000 坐標(biāo)系，采用南方S86－T接收機(jī)，應(yīng)用海南iCORS 平臺(tái)系統(tǒng)，控制點(diǎn)平面精度為±0.05 m，在檢定有效期內(nèi)。以實(shí)際采集的控制點(diǎn)做為真值，根據(jù)生成的TIF 數(shù)據(jù)，捕捉這些控制點(diǎn)，獲得控制點(diǎn)坐標(biāo)做為成果值與真值對(duì)比，分析在不同情況下的定位精度，具體情況如下。

無(wú)控制點(diǎn)參加解算，根據(jù)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的結(jié)果如表1，圖3 所示。

表1 1 組解算數(shù)據(jù)(單位:m)

圖3 1 組解算數(shù)據(jù)分布圖

1 號(hào)至5 號(hào)共5 個(gè)控制點(diǎn)參加解算(日常飛行一般沿海岸線方向，查找明顯地物作為控制點(diǎn)，點(diǎn)間距1 km，控制點(diǎn)基本為于沿海一線)，結(jié)果如表2，圖4 所示。

除去7 號(hào)的1 號(hào)—10 號(hào)分布均勻的9 個(gè)控制點(diǎn)參加解算(在添加控制點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)7 號(hào)控制點(diǎn)因遮擋，無(wú)法辨別，因此其未參加解算)，結(jié)果如表3，圖5 所示。

表2 2 組解算數(shù)據(jù)(單位:m)

表3 3 組解算數(shù)據(jù)(單位:m)

圖4 2 組解算數(shù)據(jù)分布圖

圖5 3 組解算數(shù)據(jù)分布圖

4 誤差對(duì)比分析

(1)3 組數(shù)據(jù)存在很大的共性，即在Y 方向(航向方向)上的誤差在控制區(qū)能夠與X 方向(垂直于航向方向)基本相同，但是在檢驗(yàn)區(qū)，該誤差會(huì)迅速激增，明顯高過(guò)X 方向誤差多倍。

(2)增加控制點(diǎn)并使其均勻分布于飛行作業(yè)區(qū)能夠有效地提高定位精度，控制區(qū)定位精度在±0.3 m 范圍內(nèi)。

(3)無(wú)控制點(diǎn)參加解算整幅圖像定位精度基本一致，而有控制點(diǎn)參加解算的圖像數(shù)據(jù)精度在控制點(diǎn)覆蓋區(qū)域向外，誤差迅速增加，在1 km 處誤差已經(jīng)達(dá)到1.5 m，而且隨著距離的增加，誤差不斷增大。

(4)根據(jù)中誤差公式計(jì)算可得，控制點(diǎn)的增加及分布的合理化，可以有效地提高定位精度。其中，在控制區(qū)域，中誤差減小到了0.124 m，為達(dá)到海籍調(diào)查規(guī)范中界址點(diǎn)所需精度提供可能。

4 相對(duì)精度誤差分析

4.1 數(shù)據(jù)對(duì)比如下，如表4，圖6 所示。

表4 數(shù)據(jù)對(duì)比表

圖6 數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4.2 結(jié)果分析

(1)兩組數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn):在控制區(qū)，有均勻分布控制點(diǎn)參加解算，相對(duì)誤差最高為0.2 m，而無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)誤差最高為1.7 m。但是同時(shí)發(fā)現(xiàn)，無(wú)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差整幅圖像比較穩(wěn)定，最高未超過(guò)3 m，而增加了控制點(diǎn)的數(shù)據(jù)最高確達(dá)到了6 m。這說(shuō)明增加控制點(diǎn)后雖然有效的提高了控制區(qū)的定位精度，但對(duì)無(wú)控制點(diǎn)的區(qū)域則會(huì)引入誤差。

(2)根據(jù)上表誤差數(shù)據(jù)均為正值得出:無(wú)論有無(wú)控制點(diǎn)，整幅圖像均被拉伸。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)討論得知了海南省海域動(dòng)態(tài)監(jiān)管無(wú)人機(jī)成果的定位精度，從中也得到了誤差變化的規(guī)律，為今后提高無(wú)人機(jī)作業(yè)成果定位精度提供了理論指導(dǎo)。以1 km 為間距的控制點(diǎn)分布區(qū)域內(nèi)能達(dá)到海域使用面積測(cè)量規(guī)范得要求，如果要達(dá)到海籍調(diào)查規(guī)范中界址點(diǎn)精度優(yōu)于0.1 m 的要求［4］。因此，要進(jìn)一步加密控制點(diǎn)、優(yōu)化網(wǎng)形。同時(shí)在研究中發(fā)現(xiàn)根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)在一些方面無(wú)法討論，如因控制點(diǎn)較少，不能全面地分析誤差與控制點(diǎn)數(shù)量、分布的關(guān)系等。今后將持續(xù)關(guān)注該領(lǐng)域的論文成果，同時(shí)也會(huì)在今后的工作中，選取合適的地點(diǎn)、地形開(kāi)展研究。

［1］譚雁英，周旗，張波，等.小型無(wú)人機(jī)航位推算定位算法研究與誤差分析［J］.火力與指揮控制，2007，32(5):8－15.

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［4］李玉清.基于Pixelgrid 的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理［J］.現(xiàn)代測(cè)繪，2013，36(2):36－38.

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［1］富立，劉文麗.無(wú)人機(jī)捷聯(lián)航姿系統(tǒng)磁航向誤差分析［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，15(6):650－652.

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