低空航測無人機測量誤差思考

陳卓佳

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局115地質(zhì)大隊，貴州 清鎮(zhèn) 551400)

0 引 言

低空航測是航測技術(shù)的一種，具有機動靈活、高效快速、精細準(zhǔn)確、作業(yè)成本低、適用范圍廣的特點，大部分低空航測工作需要借助無人機等現(xiàn)代化設(shè)備作為載體，受到各類動態(tài)因素、工作因素影響，無人機航測又存在精度不完全理想的弊端，影響航測作業(yè)成果，有必要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上分析其測量誤差控制方法。

1 低空航測無人機測量誤差產(chǎn)生的原因

1.1 多動態(tài)因素造成的誤差

低空航測作業(yè)的基本要求之一是控制精度，使無人機在默認參數(shù)的支持下有序完成目標(biāo)航測。在此過程中，存在多個影響測量結(jié)果的動態(tài)因素，包括平面位置、高程、比例尺參數(shù)、焦距、相片極限長度等。上述因素可導(dǎo)致定位誤差，造成標(biāo)準(zhǔn)點測量方面的結(jié)果異常。以X表達水平誤差，其影響參數(shù)為：

X=0.06 A×0.01 S

式中：

A—航拍過程中相片的比例尺分母；0.06為固定影響系數(shù)。

S—航拍的總時間；

以Y表達航測的總誤差，其計算式為：

Y=X+0.04 B

式中：

B—相片的極限長度；0.04為固定影響系數(shù)。

上述參數(shù)的可控性越差、誤差越大，航測的結(jié)果越不理想。

1.2 定向誤差

定向誤差包括像點坐標(biāo)定位誤差、絕對誤差、相對誤差3種。像點坐標(biāo)定位誤差一般受到航測對象的地形地貌、影像影響，具有一定的偶然性，如航測過程中出現(xiàn)風(fēng)力破壞、較大的溝壑地貌等等。像點坐標(biāo)定位誤差是絕對誤差、相對誤差產(chǎn)生的基礎(chǔ)。相對誤差是指缺乏標(biāo)準(zhǔn)參照的情況下，航測范圍內(nèi)兩個點或若干點形成的小區(qū)域，出現(xiàn)水平、垂直方向的差異。絕對誤差是指在存在標(biāo)準(zhǔn)參照的情況下，目標(biāo)點與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)之間的距離、高程之間的差異。絕對誤差、相對誤差的產(chǎn)生均具有偶然性，受到定向誤差的直接影響，通常較少見，但在進行數(shù)據(jù)計算的過程中，可能因原始信息過少出現(xiàn)誤差增加的問題，如果航測對精度要求偏高，定向誤差的影響仍不容小覷。

1.3 攝像畸變誤差

攝像畸變出現(xiàn)的誤差，一般為偶然造成，難以根本消除，且影響較大。少數(shù)情況下因內(nèi)方位因素導(dǎo)致畸變，鏡頭收集的信息誤差增加，要求給予系統(tǒng)分析和控制。如在進行航測的過程中，因相機參數(shù)的異常，無法實時進行參數(shù)矯正，所獲航測結(jié)果往往不理想。進一步分析可發(fā)現(xiàn)，內(nèi)方位因素所制誤差，與檢驗場參數(shù)不當(dāng)直接相關(guān)。在相機功能的測定中，檢驗場需要收集若干已知的標(biāo)準(zhǔn)定位點信息，將所有定位點構(gòu)成一個檢驗影響，之后應(yīng)用相機(無人機一體化或無人機攜帶)進行該檢驗場進行的收集，結(jié)合既有標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果和無人機收集結(jié)果，進行對照分析，獲取該相機或該無人機的工作能力，如果在標(biāo)準(zhǔn)定位點的信息收集過程中，原始數(shù)據(jù)不完善，相機、無人機的功能測定結(jié)果也必然存在偏差，出現(xiàn)內(nèi)方位因素導(dǎo)致的畸變，影響后續(xù)航測活動。

2 低空航測無人機測量誤差的控制方法

2.1 線性糾偏

線性糾偏是一種多見的標(biāo)準(zhǔn)化糾偏方法，強調(diào)通過某一個或幾個固定的線性條件進行航測活動約束，通過約束條件，實現(xiàn)多動態(tài)因素所致誤差的控制。在上文所述航測總誤差的計算中，其表達為：

Y=X+0.04 B

控制上首先強調(diào)針對相片的比例尺分母、航拍的總時間、相片的極限長度3個方面建立約束系統(tǒng)，0.06和0.04為固定系數(shù)，無法根本消除，不予分析。比例尺分母的控制上，其對低空航測無人機測量誤差的影響具有線性變化特點，即分母的值越大，形成的誤差越大，航測條件復(fù)雜、多變時，應(yīng)考慮適當(dāng)縮小相片的比例尺分母，通過多部無人機綜合作業(yè)的方式，將所獲信息進行拼接，消除大范圍航測產(chǎn)生的誤差。航測時間、相片極限長度的影響帶有相似性，即航測總時間越長，誤差出現(xiàn)的可能性越高；相片極限長度越長，誤差出現(xiàn)的可能性越高。因此在后續(xù)工作中，可采用多段式航測模式，將航測區(qū)域進行多段多區(qū)域劃分，完成每一個部分的航測后，匯總所獲數(shù)據(jù)，可控制各類線性因素導(dǎo)致的誤差。

2.2 參數(shù)采集和標(biāo)準(zhǔn)化運用

參數(shù)采集和標(biāo)準(zhǔn)化運用，是指對技術(shù)、數(shù)據(jù)信息進行復(fù)用，在實際工作中更多考慮現(xiàn)代技術(shù)的引入，尤其是虛擬現(xiàn)實技術(shù)。如針對某復(fù)雜地形區(qū)域進行航測工作，要求選取兩個基本參數(shù)，即垂直參數(shù)和水平參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，由于地形復(fù)雜，可進一步將垂直參數(shù)和水平參數(shù)進行拆分，設(shè)定10 m、20 m、30 m、50 m和100 m等若干水平、垂直小參數(shù)，不斷細化對應(yīng)的坐標(biāo)系。完成不同對象信息的采集后，將其代入計算機內(nèi)，生成一個初步模型。在此基礎(chǔ)上，進行信息的2次和3次收集，不斷將所獲參數(shù)生成獨立模型，最后將不同的虛擬模型進行疊加，計算存在較差誤差的參數(shù)，必要時進行迭代分析，消除一次參數(shù)采集可能出現(xiàn)的誤差。同時，考慮到復(fù)雜地形航測誤差較大的問題，還可在特殊區(qū)域引入其他輔助技術(shù)，如較深的溝壑區(qū)域，可引入RTK技術(shù)進行參數(shù)建模，應(yīng)對單一無人機航測的不足，進一步消除誤差。

2.3 自適應(yīng)實時矯正

攝像畸變誤差對低空航測無人機測量結(jié)果的影響更為明顯，要求在具體工作中引入能夠自動化作業(yè)的智能技術(shù)進行應(yīng)對。早期學(xué)者根據(jù)雞頭的生物學(xué)特點設(shè)計了雞頭穩(wěn)定器，以該設(shè)計為藍本，可知航測活動的要點在于保持無人機作業(yè)的穩(wěn)定性，然而攝像畸變、動態(tài)因素的影響在航測活動中均帶有不確定性，無法杜絕，擬通過自適應(yīng)實施矯正的形式進行控制。假定無人機作業(yè)最佳參數(shù)集合(含速度、焦距、比例尺等各類影響系數(shù))為G，在航測活動進行的過程中，多個因素可能導(dǎo)致G出現(xiàn)波動，波動的可能為一個參數(shù)，如行進路線；也可能是若干參數(shù)，如路線、速度和高度，導(dǎo)致無人機的實際工作參數(shù)往往無法實現(xiàn)與G的完全契合，而是圍繞G上下波動，帶有模糊線性特點，不同參數(shù)的集合或大于G、或小于G，少數(shù)情況下與G重合，各類參數(shù)的集合可表達為一個數(shù)集：

[……O1；2H；UF2；K76；G；99J；L290；H6……]

數(shù)集中所有參數(shù)均為隨機出現(xiàn)，且任何波動均可導(dǎo)致航測結(jié)果的異常，使誤差出現(xiàn)或加大誤差。為予以控制，可在工作中收集大數(shù)據(jù)信息，目標(biāo)數(shù)據(jù)為：

對象無人機在航測工作持續(xù)多久后，出現(xiàn)較大的航測信息誤差。假定大數(shù)據(jù)表明持續(xù)作業(yè)10分鐘后，航測數(shù)據(jù)的誤差增加，可將10分鐘作為一個固定參數(shù)，將其代入無人機的控制系統(tǒng)中。無人機每完成10分鐘的航測，其控制系統(tǒng)根據(jù)固定參數(shù)和程序，下達一次“參數(shù)調(diào)整”指令，無論無人機是否已經(jīng)出現(xiàn)較大的作業(yè)偏差，均以該程序進行自適應(yīng)調(diào)整，實時保持無人機各類工作參數(shù)處于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)G的周邊，以消除或降低出現(xiàn)的誤差，提升低空航測效果。

2.4 模擬分析

通過計算機建立分析模型，通過對照實驗的方式，了解不同技術(shù)模式下低空航測無人機測量誤差情況。采用參數(shù)調(diào)整法，默認航測高度為340 m，地點為野外空曠環(huán)境，設(shè)定山地、溝壑、丘陵、水道等增加航測復(fù)雜性，添加風(fēng)力條件模擬自然航測環(huán)境。以常規(guī)無人機低空航測為對照組，另以線性糾偏機制、參數(shù)采集和運用、自適應(yīng)矯正技術(shù)下的以常規(guī)無人機低空航測為觀察組，2組均進行100次實驗，對比誤差情況，包括高程誤差、水平誤差和無效采集發(fā)生率，其中無效采集指1：500比例尺下，誤差超過5 cm的情況。模擬結(jié)果見表1。

表1 模擬實驗結(jié)果

從表1可見，觀察組的高程誤差、水平誤差均較小，無效采集發(fā)生率也較低，與對照組相比優(yōu)勢明顯，表明低空航測無人機測量誤差具有可控性。后續(xù)工作中可加強線性糾偏機制、參數(shù)采集和運用、自適應(yīng)矯正技術(shù)的推行。

3 結(jié) 語

低空航測無人機測量誤差較為多見，原因明確，也具有一定的可控性。多動態(tài)因素造成的誤差、定向誤差、攝像畸變誤差等，影響無人機低空航測結(jié)果，為予以控制，后續(xù)工作中可應(yīng)用線性糾偏機制，加強參數(shù)采集運用，同時考慮引入自適應(yīng)實時矯正技術(shù)，進行誤差應(yīng)對，模擬實驗證明了上述理論可行性。