關(guān)于無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)外業(yè)像控的探討

桂海鵬

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)航測(cè)近年來(lái)發(fā)展迅速。本文通過(guò)介紹無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)外業(yè)控制與成圖精度進(jìn)行闡述，并對(duì)其實(shí)際應(yīng)用情況和未來(lái)發(fā)展方向做出展望。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī) 外業(yè)像控 成圖精度

中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2018）03（a）-0000-00

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)在航天測(cè)繪領(lǐng)域的運(yùn)用，固定翼輕型無(wú)人飛機(jī)技術(shù)和GPS自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日益成熟，因而將無(wú)人飛機(jī)技術(shù)與測(cè)繪有機(jī)結(jié)合并運(yùn)用在航空攝影的設(shè)想也變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。在獲取應(yīng)急數(shù)據(jù)、小區(qū)域低空測(cè)繪方面，無(wú)人機(jī)航測(cè)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)介紹無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成與原理，對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)外業(yè)像控制與成圖精度進(jìn)行闡述，并列舉了無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用情況，對(duì)未來(lái)的相關(guān)研究方向做出展望。

1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成與原理

1.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

無(wú)人機(jī)，顧名思義，就是不載人飛機(jī)，它以無(wú)人駕駛器為基礎(chǔ)，通過(guò)操縱無(wú)線(xiàn)電遙控設(shè)備和相關(guān)的程序控制裝備來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行。在無(wú)人機(jī)上裝有用于拍攝的數(shù)碼相機(jī)，借助特定的軟件可以對(duì)航測(cè)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)一般由飛行操控系統(tǒng)和地面配套設(shè)備兩大主要部分構(gòu)成，它們各司其職、相互協(xié)作，共同完成無(wú)人機(jī)航測(cè)任務(wù)。其中，飛行操控系統(tǒng)中包含垂直陀螺、GPS接收天線(xiàn)、微處理器，地面配套設(shè)備則包含了數(shù)據(jù)接收終端和數(shù)據(jù)處理終端以及遙控設(shè)備。

1.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的原理

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在進(jìn)行航拍時(shí)，飛機(jī)的各種角度如俯仰、翻滾等都由垂直陀螺來(lái)測(cè)量。將垂直陀螺與微處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合后便可以在自由飛行時(shí)使飛機(jī)處于接近水平的狀態(tài)。在無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，因?yàn)闄C(jī)載通訊設(shè)備上裝有攝像頭，所以數(shù)據(jù)接收終端能夠及時(shí)地接收由機(jī)載通信設(shè)備獲取的影像信息和位置數(shù)據(jù)。這樣一來(lái)，位于地面的操控中心就可以根據(jù)所獲取的信息準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)飛機(jī)的飛行狀況，掌握拍攝狀況，若航向偏移或飛行姿態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題，也可及時(shí)地進(jìn)行修正。最后，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站會(huì)根據(jù)具體情況對(duì)獲取的影像資料做出適當(dāng)?shù)奶幚?，以滿(mǎn)足使用的需求。

2 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)與精度分析

2.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)外業(yè)像控點(diǎn)布設(shè)

利用無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行航攝外業(yè)布點(diǎn)一般包含全野外布點(diǎn)和非全野外布點(diǎn)兩種形式。利用前者所布設(shè)的像控點(diǎn)具有精度高的特點(diǎn)，但是測(cè)量工作量巨大，所以使用的比較少；使用后者布設(shè)則是通過(guò)測(cè)定少量控制點(diǎn)作為內(nèi)業(yè)加密的基礎(chǔ)，具有效率高的特點(diǎn)，能夠極大地減輕外業(yè)工作量，是目前使用最多最普遍的布點(diǎn)方式。

在利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航測(cè)時(shí)，像控點(diǎn)的布設(shè)對(duì)于后續(xù)精度的分析有十分重要的作用。若在布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)時(shí)，根據(jù)其稀疏程度有四種方案。第一種是在測(cè)區(qū)的四個(gè)角落各布設(shè)一個(gè)測(cè)控點(diǎn)，總共布設(shè)四個(gè)；第二種是將十二個(gè)測(cè)控點(diǎn)平均布設(shè)在三排，每排四個(gè)；第三種是將十六個(gè)測(cè)控點(diǎn)平均布設(shè)在四排，每排四個(gè)；最后一種是將二十八個(gè)測(cè)控點(diǎn)平均布設(shè)在七排，每排四個(gè)。那么通過(guò)測(cè)算檢查點(diǎn)與加密點(diǎn)之間的精度就可以評(píng)價(jià)出一個(gè)測(cè)區(qū)平差結(jié)果。

2.2 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)外業(yè)像控點(diǎn)精度分析

2.2.1 精度分析指標(biāo)

對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)外業(yè)像控點(diǎn)精度進(jìn)行分析時(shí)一般會(huì)使用誤差統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)各個(gè)測(cè)試模型中平差后控制點(diǎn)的檢查點(diǎn)的精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。在使用誤差分析法時(shí)常有的指標(biāo)有五個(gè)，分別為：平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、中誤差、粗差剔除和最大值。首先，平均值是對(duì)樣本平均值的估算，其公式為： ；然后是標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差是估算出總體的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以平均值為參照標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差的公式為 。其次，中誤差的計(jì)算是在同一觀測(cè)條件下對(duì)一組真誤差平方中數(shù)求平方根，求中誤差公式 中，m的單位為米，是檢查點(diǎn)的中誤差值，n是需要評(píng)定精度的所有檢查點(diǎn)的數(shù)量之和，△單位為米，是對(duì)檢查點(diǎn)進(jìn)行野外實(shí)測(cè)后所得數(shù)值與計(jì)算值的誤差。再次，進(jìn)行粗差剔除時(shí)一般以正態(tài)分布為標(biāo)準(zhǔn)，使用觀測(cè)值的95%概率對(duì)誤差做粗差剔除。最后，最大值的選取一般是建立在粗差剔除基礎(chǔ)上的，將已經(jīng)完成粗差剔除的控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值大的將被視作最大值。

2.2.2 精度分析注意事項(xiàng)

在對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)外業(yè)像控的精度進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)注意要滿(mǎn)足航測(cè)內(nèi)業(yè)的精度要求。若無(wú)法達(dá)到航測(cè)內(nèi)業(yè)精度的要求，可在對(duì)測(cè)區(qū)的自由網(wǎng)進(jìn)行平差后，通過(guò)向外業(yè)加入控制點(diǎn)，其平面精度就可以達(dá)到1：2000，接近1：1000的航測(cè)內(nèi)業(yè)精度要求。對(duì)平原地區(qū)和丘陵地貌，需使用高程野外實(shí)測(cè)，否則在控制點(diǎn)增加的情況下，平面精度和高程精度的改善都很微小，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)平原和丘陵的高程精度要求。

3 無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)成像分辨率高、成像清晰、操作簡(jiǎn)單，因此被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可以用來(lái)監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害。我國(guó)地形復(fù)雜，氣候多變，各種類(lèi)型的自然災(zāi)害頻發(fā)，使用無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)ψ匀粸?zāi)害做出及時(shí)地防范，對(duì)災(zāi)害造成的損失和傷亡人數(shù)等可以做出較準(zhǔn)確的調(diào)查，同時(shí)對(duì)災(zāi)后評(píng)估和救援也起到輔助作用。測(cè)繪部門(mén)可使用無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行國(guó)土測(cè)繪，測(cè)制大比例尺土地利用圖，對(duì)地形圖進(jìn)行實(shí)時(shí)修訂，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查漏補(bǔ)缺等。國(guó)土資源部門(mén)還可以利用無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的違規(guī)占用耕地、破壞生態(tài)環(huán)境等違法行為相關(guān)影像資料作為處理依據(jù)。我國(guó)在對(duì)面積狹小、地勢(shì)偏遠(yuǎn)、分布零散的眾多小城鎮(zhèn)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)所使用的常規(guī)航空攝像形式，會(huì)浪費(fèi)大量不必要的人力和物力，同時(shí)還會(huì)受到復(fù)雜地形的限制，若使用無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)則可以極大地降低成本，提高效率，為制定規(guī)劃圖提供可靠、有效的數(shù)據(jù)。此外，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)還能被應(yīng)用在水利水電行業(yè)中。由于我國(guó)水利水電開(kāi)發(fā)環(huán)境都十分險(xiǎn)峻，人工測(cè)量的方式無(wú)法克服環(huán)境因素帶來(lái)的困難，所以無(wú)人機(jī)航測(cè)便于為水利水電工程提供選址服務(wù)，也便于對(duì)施工的進(jìn)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。使施工變得安全、可靠、有保障。例如，我國(guó)江蘇省水利科學(xué)研究院首次引進(jìn)了無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠有效克服天氣等不利因素，并彌補(bǔ)了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感周期長(zhǎng)、時(shí)效性差、精確度較低的缺陷，水利測(cè)繪作業(yè)帶來(lái)了極大的便利。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)使其得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，幫助各行各業(yè)解決了很多實(shí)際問(wèn)題，提高了工作效率。但是無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在很多方面也有明顯的不足。今后，應(yīng)該注重在原有網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上增加中、低頻無(wú)線(xiàn)電通信功能，以便消除通信死角；逐步取代GPRS，利用傳輸速度更高的系統(tǒng)向服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)；用主頻更高的ARM芯片取代STC單片機(jī)，避免在數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)程中將某些關(guān)鍵字節(jié)忽略掉；改良和設(shè)計(jì)出體積更小、更便于無(wú)人機(jī)攜帶的PCB電路板，減輕無(wú)人機(jī)荷載；使用組合導(dǎo)航代替目前被普遍使用的單點(diǎn)GPS定位系統(tǒng)，從而提高精度，縮小測(cè)量位置與實(shí)際位置的偏差；完善無(wú)人機(jī)航測(cè)線(xiàn)路規(guī)劃算法，充分考慮各種因素，設(shè)計(jì)更加合理的航線(xiàn)。這些都是未來(lái)無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)的方向，只有不斷完善，才能不斷提高，才能更好地服務(wù)于社會(huì)。

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