探析無人機(jī)航測系統(tǒng)的海島礁測繪應(yīng)用

孟曉輝

（海警北海分局保障隊(duì)，山東 青島 266000）

海島礁測繪任務(wù)由于其所處的地理位置、客觀條件和相應(yīng)的測量精度標(biāo)準(zhǔn)，對拍攝技術(shù)有更高的要求。而無人機(jī)航測系統(tǒng)具有智能化的特點(diǎn)，可以滿足該項(xiàng)測量任務(wù)的需要。

1 無人機(jī)航測系統(tǒng)概述及影響因素

1.1 無人機(jī)航測系統(tǒng)概述

該項(xiàng)系統(tǒng)中包括硬件以及軟件兩個部分，前者涉及無人機(jī)工作的平臺、對應(yīng)的控制系統(tǒng)、連接的遙感裝置、地面操控系統(tǒng)以及測速裝置等。硬件中的遙感裝置是較為重要的設(shè)備，其呈現(xiàn)的分辨率質(zhì)量與最終形成的海島礁測圖精細(xì)程度有直接關(guān)系。后者包括地面的操控系統(tǒng)、檢測航線規(guī)劃程序和最終數(shù)據(jù)處理程序等。而最終數(shù)據(jù)處理程序是海島礁成圖的重要環(huán)節(jié)。該項(xiàng)航測系統(tǒng)是以無人機(jī)為載體，配合機(jī)載的遙感裝置，按照既定的航線飛行，由此得到航線下地面的真實(shí)影像。在航拍過程中，根據(jù)總航線長度進(jìn)行劃分，針對同一海島礁每間隔一段距離便進(jìn)行拍攝，由此能夠獲取海島礁不同角度的圖像，以形成較為完整的立體像，構(gòu)建對應(yīng)的3D模型。之后借助使用的測圖程序根據(jù)既定的比例尺進(jìn)行數(shù)字化處理。最終得出繪制成圖，同時，也能夠生成相應(yīng)的數(shù)字化信息，如高程模型、海島礁影像以及其立體場景等。

1.2 影響航測質(zhì)量的因素

對于海島礁測繪任務(wù)而言，強(qiáng)調(diào)其最終呈現(xiàn)的高程精度，而干擾其最終精度的主要因素有四個方面。

首先，地面控制站。無人機(jī)在飛行期間的測量精度大部分是由地面控制系統(tǒng)情況決定的。同一海島礁測繪項(xiàng)目中，連接地面控制站的數(shù)量與最終呈現(xiàn)的精度呈同向變動的關(guān)系，若控制點(diǎn)增加，最終成圖的精度也會隨之提高。其次，無人機(jī)自身飛行的速度。無人機(jī)和機(jī)載的拍攝裝置應(yīng)當(dāng)相互配合，其飛行速度應(yīng)滿足裝置拍攝的時間。若飛行速度相對較快，拍攝的影像會出現(xiàn)拖尾的問題，導(dǎo)致拍攝出來的海島礁變形，其對于匹配同名點(diǎn)有所干擾。

再次，拍攝的時間。為保證拍攝影像的清晰度，航測的工作時間應(yīng)盡量定在一日中的正午左右。該階段的太陽光線屬于相對垂直的狀態(tài)，被測量物體形成的陰影面積較小。但若選擇臨近黃昏時間段，由于太陽直射的角度，會擴(kuò)大被測量物體的陰影面積，且陰影也會有所變形，進(jìn)過自動數(shù)據(jù)處理后，會存在較大的誤差，影響成圖的精度。此外，對于海島礁的回測項(xiàng)目，需要得到相應(yīng)的海岸以及灘涂的數(shù)據(jù)，因此，拍攝任務(wù)的時間應(yīng)定在海島礁退潮的時間段。

最后，氣象條件。無人機(jī)航測需要在云層下方進(jìn)行，因此，當(dāng)?shù)卦茖拥那闆r不會對其作業(yè)造成較大的干擾，即使在云層較厚等情況下，也能完成既定的航測工作。雖然氣象對無人機(jī)本身的飛行無明顯影響，但會干擾拍攝數(shù)據(jù)的質(zhì)量。若在能見度高且無云層遮擋的情況下，拍攝圖像的辨識度會有所提高，相應(yīng)的同名點(diǎn)匹配效果更好，航測精度、光線亮度以及整體色調(diào)都會有所提升。

1.3 國內(nèi)應(yīng)用情況及與他國差距

近幾年，我國在該項(xiàng)技術(shù)上的應(yīng)用已經(jīng)取得較好的成績，在自然災(zāi)害、城市數(shù)據(jù)收集以及國土資源調(diào)查等方面有所應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)得到有效的技術(shù)改良，并擁有較為豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及較為廣闊的發(fā)展前景。但我國與其他國家相比，相關(guān)的監(jiān)管政策較為落后，低空空域的開放情況存在一定的滯后性，不利于該項(xiàng)技術(shù)的大規(guī)模發(fā)展。

2 無人機(jī)航測系統(tǒng)在海島礁測繪中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目為某海島航測工作，被檢測的海島面積在1km2左右，東西長0.9km，南北跨度2.2km，與陸地的距離大約在8km，需要應(yīng)用到無人機(jī)進(jìn)行航測，根據(jù)航測數(shù)據(jù)，完成1：1000的地形圖。根據(jù)無人機(jī)航測結(jié)果，海島礁的最高點(diǎn)海拔60m，坡度在15°。鑒于島內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，樹木較多，為提升整體航測水平，應(yīng)用了美國Trimble UX5 HP固定機(jī)翼的無人機(jī)，并且搭載專業(yè)化的傳感裝置和相機(jī)，確保海島礁測繪工作的有序開展。

2.2 飛行設(shè)計及航空攝影

測繪數(shù)據(jù)獲取中，對飛行方案進(jìn)行選擇，重點(diǎn)設(shè)計飛行高度和路線，并且對攝影間隔時間進(jìn)行嚴(yán)格控制。在飛行路線的設(shè)計中，綜合考慮地形和地貌因素，將無人機(jī)的航行高度控制在200m，航向重疊度在65%，滿足圖形比例尺結(jié)構(gòu)和設(shè)計規(guī)范要求。航行過程中，將拍攝間隔設(shè)計在2s。相關(guān)人員利用Accesse軟件，對飛行方案進(jìn)行優(yōu)化。方案設(shè)計中，預(yù)計應(yīng)用兩架無人機(jī)、飛行時間控制在58分鐘，共計拍攝了156張海島礁遠(yuǎn)景圖像，圖像色彩度飽和、清晰無遮擋，與地形圖的制作要求相符合。

2.3 像控點(diǎn)及檢查點(diǎn)測量

對像控點(diǎn)進(jìn)行控制，可以通過局域網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)，具體操作中，需要在航向和周邊重合區(qū)域內(nèi)，每間隔6條基線設(shè)計一個控制點(diǎn)，確保所有像控點(diǎn)在合理范圍內(nèi)。確保后期制圖精準(zhǔn)度，需要對區(qū)域內(nèi)的檢查點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，一般情況下，檢查點(diǎn)應(yīng)超過兩個，位置選擇應(yīng)滿足成像要求，并且注重在航向范圍內(nèi)，對像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。利用海南HiCORS對像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)位置坐標(biāo)進(jìn)行確認(rèn)，為進(jìn)一步控制無人機(jī)成像的精準(zhǔn)度，需要選擇至少3個有效控制點(diǎn)，并且對控制點(diǎn)進(jìn)行測量，提升測繪工作效率。

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的收集方式

測繪過程中，使用天寶TBC測量軟件，對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與整理。軟件應(yīng)用可及時準(zhǔn)確生成拍攝的海島礁圖像，致力于提升加密測量和立體繪圖效率，實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作的自動化與數(shù)字化。影像數(shù)據(jù)經(jīng)過技術(shù)處理后，可形成質(zhì)量較高的二維圖像和三維立體結(jié)構(gòu)，促使數(shù)據(jù)資源得的高效應(yīng)用。對相關(guān)部分進(jìn)行技術(shù)應(yīng)用，利用高分辨率投影和重疊控制技術(shù)，對圖像進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)踐中，海島示意圖可通過DOM、DSM和DLG等多種形式測繪技術(shù)進(jìn)行繪制。數(shù)據(jù)信息獲取方式直接影響制圖工作，在海島礁測繪中，應(yīng)對數(shù)據(jù)收集方式進(jìn)行優(yōu)化，通過對無人機(jī)飛行時間和面積進(jìn)行調(diào)整，確保數(shù)據(jù)信息獲取更加全面，同時，對數(shù)據(jù)信息的真實(shí)性與可靠性進(jìn)行研究，必要時，可多次使用無人機(jī)對同一區(qū)域進(jìn)行測繪，并且對不同飛行環(huán)境下的地形數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對比，明確其中存在的差異，致力于提升測繪數(shù)據(jù)有效性。對相關(guān)數(shù)據(jù)收集過程也需要進(jìn)行監(jiān)督和管理，重點(diǎn)加強(qiáng)無人機(jī)性能檢查和工況條件分析。同時，海島測繪數(shù)據(jù)收集中，應(yīng)避開霧天和雨天，避免圖形信息模糊，數(shù)據(jù)資源不準(zhǔn)確、不全面問題發(fā)生。為達(dá)到地形圖制作目標(biāo)，也需要對數(shù)據(jù)收集方案進(jìn)行控制，利用先進(jìn)技術(shù)更新無人機(jī)系統(tǒng)，提升數(shù)據(jù)獲取能力。

2.5 外業(yè)調(diào)繪及編輯成圖

針對無人機(jī)測繪圖像中未能呈現(xiàn)的局部地形和地貌特征，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充，此時，需要應(yīng)用外業(yè)調(diào)繪和編輯技術(shù)。外業(yè)調(diào)繪技術(shù)應(yīng)用主要是對地形結(jié)構(gòu)進(jìn)行改正和補(bǔ)充，并且可對點(diǎn)狀地物進(jìn)行補(bǔ)測、調(diào)查其屬性等。具體測繪中，需要對方法和技術(shù)進(jìn)行完善，通過將制作的攝像圖進(jìn)行放大，發(fā)現(xiàn)圖形結(jié)構(gòu)中存在的主要問題，并且結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)對其進(jìn)行補(bǔ)充，確保地形圖準(zhǔn)確完整，具有較高的參考價值。當(dāng)外業(yè)調(diào)繪完成后，需要結(jié)合測繪數(shù)據(jù)和相關(guān)資料圖，對地形圖進(jìn)行編輯，此時，可利用南方CASS7.0成圖軟件進(jìn)行編輯，確保圖形繪制更加科學(xué)有效。

實(shí)踐中，對檢測點(diǎn)的誤差值進(jìn)行統(tǒng)計，相關(guān)誤差主要產(chǎn)生在平面位置和高程上，相關(guān)人員應(yīng)參考《低空數(shù)字航空攝影測量業(yè)內(nèi)規(guī)范》和海洋工程地形測量要求，對圖形進(jìn)行補(bǔ)充，確保圖形精準(zhǔn)度獲得提升，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。同時，在測量工作中，應(yīng)認(rèn)識到圖形編輯的重要性，善于利用合適的編輯軟件，對地形圖進(jìn)行調(diào)整，提升無人機(jī)測繪在海島測繪中的使用價值。對測繪技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，需要重點(diǎn)考慮圖形精準(zhǔn)度問題，對相關(guān)圖形進(jìn)行技術(shù)補(bǔ)充，明確無人機(jī)測繪中存在的不足，是目前工作重點(diǎn)。相關(guān)人員應(yīng)認(rèn)識到無人機(jī)測繪系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢，對像控點(diǎn)進(jìn)行位置優(yōu)化，利用先進(jìn)技術(shù)對其進(jìn)行測量，并且收集相關(guān)測量數(shù)據(jù)和拍攝資料。為地形圖制作提供可靠依據(jù)。

2.6 精度分析

對無人機(jī)測繪精度進(jìn)行嚴(yán)格要求，是提升無人機(jī)測繪工作效率的關(guān)鍵，需要對加密精度和測圖精度進(jìn)行分析。對加密精度分析，隨機(jī)選擇了航行范圍內(nèi)5個檢查點(diǎn)，精度分析中，將外業(yè)實(shí)測的檢查點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)真指，將控制點(diǎn)的坐標(biāo)值控制在計算值，并且對其中的差值進(jìn)行校驗(yàn)，提升驗(yàn)證效果。在影像處理中，應(yīng)用了DSM技術(shù)，在正射影像圖生均勻布置了5個檢測點(diǎn)，并且對檢測目標(biāo)進(jìn)行分析，明確其坐標(biāo)值。在DSM上，測量了具體高程，將測量數(shù)據(jù)與外業(yè)測繪結(jié)果進(jìn)行對比，對其中存在的誤差進(jìn)行控制，提升平面精準(zhǔn)度和高程精準(zhǔn)度，使得地形圖繪制更加準(zhǔn)確。實(shí)踐應(yīng)用中，測量精度進(jìn)行分析具有重要意義，不僅提高了測繪人員的重視程度，也可以促進(jìn)技術(shù)升級，對無人機(jī)測繪系統(tǒng)進(jìn)行升級，重點(diǎn)優(yōu)化照相設(shè)備和傳感裝置，提升圖形數(shù)據(jù)獲取質(zhì)量。

3 結(jié)語

通過上述對無人機(jī)航測系統(tǒng)及其實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行分析，可以通過該項(xiàng)技術(shù)獲取海島礁的相關(guān)數(shù)據(jù)，對于后續(xù)的開發(fā)項(xiàng)目提供更準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。該項(xiàng)技術(shù)打破了常規(guī)的測繪模式，在海島礁的測繪項(xiàng)目中表現(xiàn)出較好的發(fā)展前景。