城市無(wú)人機(jī)低空數(shù)字測(cè)量信息采集方法研究

李一鳴

（遼寧省農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)校，遼寧 錦州 121000）

0 引言

隨著我國(guó)信息化的發(fā)展，各個(gè)區(qū)域的地理信息庫(kù)急需進(jìn)行更新。受地理信息比例尺動(dòng)態(tài)變化影響，常規(guī)的數(shù)字測(cè)量信息采集方法已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足目前的信息采集需求，采集延時(shí)過(guò)長(zhǎng)，采集精度也較低。無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)稱UAV，是一種無(wú)線操控飛機(jī)，能使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行全面控制，因此，相關(guān)人員將無(wú)人機(jī)技術(shù)與信息采集技術(shù)進(jìn)行融合性研究，無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量信息采集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。雖然無(wú)人機(jī)的靈活性較強(qiáng)，但其飛行高度有限，經(jīng)常受氣候影響而出現(xiàn)嚴(yán)重的信息采集延時(shí)，因此需要設(shè)計(jì)一種新的無(wú)人機(jī)低空測(cè)量采集方法。

事實(shí)上，無(wú)人機(jī)在數(shù)字測(cè)量和信息采集時(shí)能快速獲取分辨率較高的影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行DOM處理，因此，其可以在最大程度上避免地理信息比例尺動(dòng)態(tài)變化造成的數(shù)字測(cè)量信息采集問(wèn)題。除此之外，無(wú)人機(jī)還具有先進(jìn)的智能化系統(tǒng)，能快速生成POS信息采集數(shù)據(jù)，完成數(shù)字測(cè)量信息采集。研究表明，無(wú)人機(jī)測(cè)量采集能大大提高采集效率，對(duì)地理信息獲取有突出的作用。但目前我國(guó)現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)低空數(shù)字測(cè)量信息采集方法的采集路徑規(guī)劃較差，采集延時(shí)過(guò)高，不能滿足無(wú)人機(jī)信息采集的實(shí)時(shí)性需求，因此，該文設(shè)計(jì)了一種新的無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)量信息采集方法。

1 無(wú)人機(jī)低空測(cè)量采集方法設(shè)計(jì)

1.1 規(guī)劃無(wú)人機(jī)低空采集測(cè)量路徑

為了提高無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)量信息采集效果，需要尋找最優(yōu)的測(cè)量采集路徑，因此需要進(jìn)行無(wú)人機(jī)低空采集測(cè)量路徑規(guī)劃。假設(shè)目前無(wú)人機(jī)處于一個(gè)三維的城市環(huán)境中，此時(shí)需要避免環(huán)境對(duì)其造成的威脅，獲取一條安全的路徑，基于此，該文設(shè)計(jì)的方法使用了蟻群算法，設(shè)計(jì)了總路徑規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，如公式（1）所示。

式中：為第一次規(guī)劃路徑長(zhǎng)度；為路徑點(diǎn)之間的距離。

在目標(biāo)函數(shù)使用過(guò)程中，必須進(jìn)行最小化處理，使獲取的無(wú)人機(jī)采集路徑最短，因此可以根據(jù)城市環(huán)境中的威脅變化關(guān)系，進(jìn)行二次路徑規(guī)劃。

根據(jù)蟻群算法可知，所有節(jié)點(diǎn)連接中心的信息量最高，因此，在三維空間內(nèi)進(jìn)行路徑規(guī)劃需要確定空間內(nèi)部的離散點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)信息素更新，獲取更多最優(yōu)路徑，避免出現(xiàn)局部最優(yōu)問(wèn)題，此時(shí)的局部信息素計(jì)算式τ如公式（2）所示。

式中：為信息衰減系數(shù)；T為路徑點(diǎn)中信息素值。

UVA從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度會(huì)隨著信息素變化而變化，路徑越長(zhǎng)，全局信息素越多，反之則越少，此時(shí)計(jì)算的最優(yōu)采集路徑Δ如公式（3）所示。

式中：（）為第m個(gè)螞蟻完成信息采集的路徑長(zhǎng)度，假設(shè)路徑的起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)都符合路徑規(guī)劃需求，此時(shí)可以使用采集分解法將縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)分解，以便達(dá)到簡(jiǎn)化搜索空間的目的，避免了路徑規(guī)劃的復(fù)雜性，最大程度上降低了無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)量信息采集誤差，提高了信息采集的有效性。

1.2 采集處理無(wú)人機(jī)測(cè)量圖像

無(wú)人機(jī)測(cè)量圖像質(zhì)量直接影響最終的數(shù)字測(cè)量信息采集效果，因此該文使用航帶網(wǎng)法采集了無(wú)人機(jī)測(cè)量信息，可以根據(jù)信息采集需求進(jìn)行有效的像控點(diǎn)布設(shè)，如圖1所示。

圖1 像控點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)圖1可知，每條航帶的像控點(diǎn)都需要布設(shè)在控制點(diǎn)中央，在最大程度上避免其產(chǎn)生偏離。

采集到測(cè)量圖像后，需要進(jìn)行影像預(yù)處理。受相機(jī)安裝影響，其可能會(huì)出現(xiàn)光學(xué)畸變誤差，影響信息采集的精度。因此該文設(shè)計(jì)的信息采集方法使用幾何變換法校正誤差。首先，需要建立合理的集合關(guān)系，設(shè)置畸變影響坐標(biāo)，此時(shí)需要始終保持影像的灰度值不變。其次，根據(jù)灰度插值原理反算畸變影像坐標(biāo)，完成圖像畸變校正。

校正完畢后需要進(jìn)行空中三角測(cè)量解析。該文設(shè)計(jì)的數(shù)字測(cè)量信息采集方法使用光束法完成空中三角測(cè)量，劃分每張影像的基本單元后進(jìn)行平差計(jì)算，使公共點(diǎn)交會(huì)。此時(shí)解析后的影像數(shù)據(jù)內(nèi)可能存在區(qū)域誤差，可以使用位置坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行誤差排除，提高數(shù)字測(cè)量信息采集質(zhì)量。

1.3 設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)低空測(cè)量采集算法

為了提高無(wú)人機(jī)低空測(cè)量采集效率，該文還設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)低空測(cè)量采集算法。在無(wú)人機(jī)信息采集過(guò)程中，不可避免地要進(jìn)行影像匹配變換。該文設(shè)計(jì)的信息采集方法將采集影響劃分成了幾個(gè)不同的類型，即面特征匹配、點(diǎn)特征匹配和線特征匹配，基于上述匹配類型設(shè)計(jì)的低空測(cè)量采集算法流程如下：

首先，選取合適的采集影像特征點(diǎn)，獲取性能良好的算子。其次，進(jìn)行特征點(diǎn)描述和特征點(diǎn)匹配，獲取影像之間的映射關(guān)系，進(jìn)而完成無(wú)人機(jī)低空測(cè)量采集。因此，該文設(shè)計(jì)了采集高斯函數(shù)，如公式（4）所示。

式中：為變換系數(shù)；為二維坐標(biāo)。

對(duì)某個(gè)給定的信息采集圖像，可以根據(jù)高斯變煥原則進(jìn)行卷積運(yùn)算，運(yùn)算式如公式（5）所示。

式中：（，，）為卷積空間；（，）為給定的二維圖像。

此時(shí)可以形成一個(gè)基礎(chǔ)差分尺度空間，該尺度空間內(nèi)含有多個(gè)極值點(diǎn)，這些極值點(diǎn)均可以代替像素信息之間的關(guān)系進(jìn)行采集比較。確定極值點(diǎn)后可以進(jìn)一步進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)，尋找性能穩(wěn)定的極值點(diǎn)，進(jìn)行DOG噪聲匹配，判斷不同數(shù)字測(cè)量信息圖像之間的敏感性。然后可以進(jìn)行邊緣響應(yīng)，判斷信息的抗噪能力。此時(shí)，去除不穩(wěn)定的極值點(diǎn)，進(jìn)行三維二次擬合，獲取的泰勒級(jí)數(shù)（）如公式（6）所示。

式中：為尺度空間系數(shù)；為檢測(cè)極值點(diǎn)；?為信息采集閾值；為邊緣響應(yīng)點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)上述步驟處理的數(shù)字測(cè)量信息的精確度均得到了明顯提升。為了避免邊緣響應(yīng)薄弱對(duì)數(shù)字信息采集造成的影響，該文設(shè)計(jì)的方法還結(jié)合了DOG函數(shù)峰值原則，生成了Hessian主曲率矩陣，可有效地進(jìn)行數(shù)字測(cè)量信息采集，最大程度上提高采集效率，降低采集延時(shí)。

2 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)低空數(shù)字測(cè)量信息采集方法的采集效果，該文搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，將其與常規(guī)的無(wú)人機(jī)低空數(shù)字測(cè)量信息采集方法進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)如下。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了滿足試驗(yàn)需求，該文搭建了數(shù)字測(cè)量信息采集試驗(yàn)平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)量信息采集平臺(tái)

根據(jù)圖2可知，該文搭建的無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)量信息采集平臺(tái)主要由5個(gè)重點(diǎn)部分組成，分別是飛行器中心、傳感中心、控制中心、監(jiān)控中心以及地面保障中心。

飛行器中心內(nèi)部包括先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)和起落系統(tǒng)，可以搭載無(wú)人機(jī)完成試驗(yàn)。在開(kāi)始試驗(yàn)時(shí)，飛行器中心會(huì)設(shè)定試驗(yàn)無(wú)人機(jī)一個(gè)相應(yīng)的加速度進(jìn)行發(fā)射，提高試驗(yàn)的有效性。傳感器中心主要使用Canon EOS 5DS數(shù)碼相機(jī)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該數(shù)碼相機(jī)的定焦鏡頭為35 mm，分辨率為8 688×5 792像素，為了避免相機(jī)畸變產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差，在開(kāi)始測(cè)量前必須對(duì)Canon EOS 5DS數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行有效校驗(yàn)，獲取符合試驗(yàn)需求的校驗(yàn)參數(shù)，此時(shí)的校驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 Canon EOS 5DS數(shù)碼相機(jī)校驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1可知，上述校驗(yàn)內(nèi)容得到的校驗(yàn)值均在試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，證明該數(shù)碼相機(jī)通過(guò)了試驗(yàn)校驗(yàn)，可以進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。

控制中心主要由IMU、氣壓計(jì)和GPS等部件組成，可以實(shí)時(shí)控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，調(diào)整無(wú)人機(jī)所處的高度，提高其飛行平穩(wěn)性。不僅如此，控制中心可以使用INS系統(tǒng)隨時(shí)記錄產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，控制飛機(jī)的運(yùn)行軌跡，記錄飛機(jī)完整控制過(guò)程。監(jiān)控中心主要由通信軟件組成，可以規(guī)劃試驗(yàn)路徑，記錄無(wú)人機(jī)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，一旦試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)了試驗(yàn)故障，可以立即向地面監(jiān)控中心發(fā)送警報(bào)數(shù)據(jù)，提高試驗(yàn)的安全性。使用的地面監(jiān)控中心如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，該地面監(jiān)控中心的監(jiān)控效果較好，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整傳感儀器的控制參數(shù)，顯示飛行數(shù)據(jù)圖形，實(shí)現(xiàn)可視化控制。地面保障中心主要為試驗(yàn)提供安全保障，為無(wú)人機(jī)野外作業(yè)提供可靠性。全部試驗(yàn)中心的參數(shù)調(diào)整完畢后即可進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。

圖3 地面監(jiān)控中心

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)上述的試驗(yàn)準(zhǔn)備可以進(jìn)行城市無(wú)人機(jī)低空數(shù)字測(cè)量信息采集試驗(yàn)，即分別使用該文設(shè)計(jì)的城市無(wú)人機(jī)低空數(shù)字測(cè)量信息采集方法和常規(guī)的數(shù)字測(cè)量信息采集方法進(jìn)行試驗(yàn)，記錄不同采集區(qū)域下2種方法的采集延時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2可知，該文設(shè)計(jì)的城市無(wú)人機(jī)低空數(shù)字測(cè)量信息采集方法在多個(gè)區(qū)域的數(shù)字測(cè)量信息采集中的采集延時(shí)均較短，而常規(guī)的數(shù)字測(cè)量信息采集方法的采集延時(shí)較長(zhǎng)。證明該文設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)低空數(shù)字測(cè)量信息采集方法的采集效果較好，具有實(shí)時(shí)性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)攝影技術(shù)是一種先進(jìn)的智能化技術(shù)，因其較低的成本和較好的信息獲取效果被各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。但研究表明，目前的無(wú)人機(jī)數(shù)字測(cè)量信息采集方法極容易受到環(huán)境影響，產(chǎn)生較高的信息采集延時(shí)，因此該文設(shè)計(jì)了一種新的無(wú)人機(jī)低空數(shù)字測(cè)量信息采集方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的數(shù)字測(cè)量信息采集方法的采集延時(shí)較短，具有實(shí)時(shí)性，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可以作為后續(xù)城市信息采集的參考。