基于傾斜測(cè)量技術(shù)的區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林雙波

(內(nèi)蒙古赤峰市不動(dòng)產(chǎn)登記中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

0 引言

測(cè)繪是對(duì)地面上已經(jīng)存在的特征點(diǎn)和界線進(jìn)行選擇，并利用測(cè)量手段獲得能夠反映地面現(xiàn)狀的圖形和位置信息的方法，其被用于工程建設(shè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)和行政管理。應(yīng)急測(cè)繪指的是為國(guó)家應(yīng)對(duì)突發(fā)公共事件有效地提供地圖、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的服務(wù)[1-2]。災(zāi)害發(fā)生后，由于現(xiàn)場(chǎng)通訊設(shè)備受損、通訊網(wǎng)絡(luò)中斷等原因，使得現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)不能及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸，而利用無人機(jī)開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，可以突破測(cè)繪工作時(shí)空尺度的局限，為現(xiàn)場(chǎng)的搶險(xiǎn)救災(zāi)和應(yīng)急管理提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)支持。

文獻(xiàn)[3]中提出的基于三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)，利用三維激光掃描技術(shù)，獲取地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置工作提供基礎(chǔ)保障。文獻(xiàn)[4]中提出的基于視頻幀與GIS系統(tǒng)匹配技術(shù)的應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)，通過提取視頻幀影像與GNSS/IMU數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，依據(jù)GNSS/IMU數(shù)據(jù)類型，實(shí)現(xiàn)幀影像糾正，具有較好的測(cè)繪效果。然而上述系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，存在測(cè)繪誤差大的問題。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了基于傾斜測(cè)量技術(shù)的區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要利用無人機(jī)平臺(tái)搭載多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)攝影采集。傾斜攝影技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地物的多視角精確觀測(cè)，在實(shí)際地形測(cè)量中可以得到理想的結(jié)果。將傾斜測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以期提升系統(tǒng)的應(yīng)急測(cè)繪精度。

1 區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)以硬件執(zhí)行環(huán)境作為主要集成結(jié)構(gòu)，并為測(cè)繪功能的實(shí)現(xiàn)提供硬件支持。

1.1 傳感器與驅(qū)動(dòng)器

系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的傳感器主要用來監(jiān)測(cè)無人機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，而驅(qū)動(dòng)器為無人機(jī)飛行提供動(dòng)力支持，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜攝影元件的驅(qū)動(dòng)。在無人機(jī)設(shè)備上安裝MEMS傳感器，傳感器中的核心運(yùn)行元件是MPU9250九軸慣性測(cè)量單元，包括了3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)、3軸磁強(qiáng)計(jì)和數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理單元，其內(nèi)部工作電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無人機(jī)傳感器內(nèi)部工作電路圖

圖1所示的傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)三軸的加速度、角速度和三軸的磁場(chǎng)信息的采集。這樣就可以確保同時(shí)讀取9個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)，同時(shí)讀取9個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)，從而達(dá)到最大程度的一致。MEMS傳感器具有I2C和SPI兩種接口，該I2C總線可以對(duì)外部的傳感器進(jìn)行讀取。圖1中SDA、SCL這兩個(gè)引腳被用作數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，因?yàn)闊o人機(jī)攜帶的裝置較多，同時(shí)也要考慮到無人機(jī)主板的體積，所以，可以通過I2C接口來與內(nèi)部控制器進(jìn)行通訊，從而可以降低線路的數(shù)量，減小主板的體積，同時(shí)還可以降低主控GPIO的占用率。除MEMS傳感器外，還裝設(shè)了MS5540C型號(hào)的數(shù)字大氣壓力傳感器，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償和校正功能，對(duì)無人機(jī)的飛行環(huán)境氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證無人機(jī)的飛行安全。

無人機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器設(shè)備由電子調(diào)速器和電機(jī)兩部分組成，其中電機(jī)選用的是無刷直流電機(jī)，能夠滿足無人機(jī)對(duì)電機(jī)的基本要求。而電子調(diào)速器能夠利用主控器輸出的PWM調(diào)制信號(hào)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使電機(jī)閉環(huán)運(yùn)行，并對(duì)電機(jī)施加了一個(gè)電子變相，達(dá)到了對(duì)無刷電機(jī)的保護(hù)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上加入一個(gè)穩(wěn)壓二極管，電機(jī)在掉電或者停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)對(duì)電機(jī)造成沖擊，會(huì)對(duì)電機(jī)造成損傷，穩(wěn)壓二極管起到保護(hù)電機(jī)的作用，消耗掉多余的反向電動(dòng)勢(shì)，并通過MOS管來完成對(duì)驅(qū)動(dòng)電流的放大。

1.2 無人機(jī)航空控制器

無人機(jī)中航空控制器的工作內(nèi)容是控制無人機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)參數(shù)，保證無人機(jī)能夠精準(zhǔn)地按照應(yīng)急測(cè)繪路線航行[5]。設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇的航空控制器型號(hào)為STM32F4，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無人機(jī)航空控制器結(jié)構(gòu)圖

選擇的航空控制器以Cortex-M4為內(nèi)核結(jié)構(gòu)框架，傳感器模塊是控制器主要連接的外部設(shè)備，需要用到I2C接口電路和外部終端，利用四路PWM波與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連，用ADC來對(duì)實(shí)時(shí)供電的電池電量進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)固件DEBUG端口，選用SWD接口來進(jìn)行調(diào)試，系統(tǒng)是一款低功耗產(chǎn)品，因此必須對(duì)其進(jìn)行低功耗的考慮和喚醒設(shè)計(jì)。

1.3 傾斜攝影元件

設(shè)計(jì)系統(tǒng)中應(yīng)用了傾斜測(cè)量技術(shù)，為保證該技術(shù)的正常運(yùn)行，需在硬件系統(tǒng)中安裝相應(yīng)的傾斜攝影元件。在考慮分辨率、輻射特性、電子快門速度等性能的情況下，傾斜儀作為傾斜攝影元件，在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于無人機(jī)引擎振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集質(zhì)量降低[6]。所以在傾斜攝影相機(jī)元件安裝過程中，在無人機(jī)與傾斜儀之間加裝穩(wěn)定裝置，可以有效地改善無人機(jī)與傾斜儀間的振動(dòng)。

1.4 無人機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)

由于傳感器、控制器、傾斜攝影元件的加設(shè)，提高了無人機(jī)的機(jī)體重量，因此普通無人機(jī)常用的發(fā)動(dòng)機(jī)已無法滿足無人機(jī)的航空飛行要求，因此需要對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)中，采用排量更大的DLE120CC發(fā)動(dòng)機(jī)[7]，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無人機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)組成結(jié)構(gòu)圖

將圖3所示的航空發(fā)電機(jī)與無人機(jī)傳感器與航空控制器相連，保證無人機(jī)控制終端能夠監(jiān)測(cè)到實(shí)際的飛行狀態(tài)，并在低能量損耗情況下，及時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，避免出現(xiàn)空中熄火事件[8]。另外，由于無人機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)排量的提升，能夠有效提高設(shè)備的抗風(fēng)性，從而適應(yīng)應(yīng)急測(cè)繪項(xiàng)目的極端環(huán)境條件。

1.5 應(yīng)急測(cè)繪項(xiàng)目的特殊設(shè)計(jì)

根據(jù)區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)實(shí)際測(cè)繪區(qū)域的自然環(huán)境特征，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。若測(cè)繪區(qū)域?yàn)楦吆貐^(qū)，則需要對(duì)傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行溫控處理，通過在傾斜儀外部設(shè)置溫度調(diào)節(jié)腔，并在該腔內(nèi)設(shè)置隔熱和阻熱材料，減少傾斜儀與外部的熱交換，促進(jìn)其內(nèi)部的導(dǎo)熱，實(shí)現(xiàn)傾斜儀內(nèi)部的熱均衡，并為傾斜儀的主動(dòng)溫度控制提供有利的條件[9]。為了保證機(jī)載供電電池在較低的溫度條件下仍能工作，在電池上安裝了電加熱薄膜，并且通過溫控裝置對(duì)蓄電池的溫度進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用了一臺(tái)溫控器與一臺(tái)熱敏電阻器相結(jié)合的溫控裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并按照地面的命令對(duì)電池進(jìn)行加溫或停溫。而當(dāng)測(cè)繪區(qū)域氣壓過高時(shí)，可以在無人機(jī)外部添加一個(gè)保護(hù)套，保護(hù)套使用的材料密度需高于無人機(jī)本身材料，提高無人機(jī)的堅(jiān)硬度。同理，針對(duì)不同的區(qū)域環(huán)境特征，對(duì)相關(guān)元件進(jìn)行相應(yīng)處理。

2 區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)備的支持下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪功能，測(cè)繪系統(tǒng)主要包括測(cè)量和繪制兩個(gè)步驟，具體的執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪流程圖

在傾斜測(cè)量技術(shù)的支持下，利用無人機(jī)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，通過對(duì)區(qū)域位置信息的測(cè)算，得出區(qū)域內(nèi)各個(gè)組成主體的數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，最終將其制成可視化圖像，得出區(qū)域測(cè)繪系統(tǒng)的輸出結(jié)果。為了滿足系統(tǒng)的應(yīng)急測(cè)繪需求，需要盡量提高相關(guān)元件的運(yùn)行速度。

2.1 規(guī)劃區(qū)域無人機(jī)航空飛行軌跡

2.1.1 計(jì)算無人機(jī)航空飛行高度

綜合考慮測(cè)繪區(qū)域空間分布、區(qū)域?yàn)?zāi)害等情況，計(jì)算無人機(jī)的飛行高度范圍。首先利用式(1)計(jì)算無人機(jī)的航空攝像高度：

HAerial photography=f·A·σ

(1)

其中：f為無人機(jī)航攝的焦距值，A和σ分別為相機(jī)像元大小和地面分辨率。由于無人機(jī)在空中航攝的過程中受到了氣流等因素的影響，導(dǎo)致無人機(jī)不能一直維持著一條直線，從而造成了航向的扭曲，與此同時(shí)，航攝區(qū)域的地面地形也是凹凸不平的，這些因素都會(huì)對(duì)航攝相片的實(shí)際航向重疊度產(chǎn)生一定的影響[10]。為了確保后期相片立體量測(cè)和拼接的需求，需要計(jì)算無人機(jī)的飛行高度范圍，計(jì)算結(jié)果如下：

(2)

式中，σmin和σmax分別為采集航拍影像分辨率的最小值和最大值。

2.1.2 區(qū)域無人機(jī)航空飛行軌跡生成與更新

在應(yīng)急測(cè)繪區(qū)域周圍選擇無人機(jī)的起降場(chǎng)，得出無人機(jī)的初始飛行位置，標(biāo)記為(x0，y0)，根據(jù)起降場(chǎng)與測(cè)繪目標(biāo)區(qū)域之間的空間位置，確定無人機(jī)的初始飛行方向。假設(shè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)繪的主體數(shù)量為Nmain body，第i個(gè)主體的位置坐標(biāo)為(xmi，ymi)，則可以利用式(3)對(duì)無人機(jī)起降場(chǎng)和測(cè)繪主體之間的距離進(jìn)行度量。

(3)

同理可以得出區(qū)域內(nèi)所有主體與起降場(chǎng)之間的距離度量結(jié)果，并選擇距離最短的主體作為無人機(jī)的第一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在已知該主體位置的情況下，生成對(duì)應(yīng)飛行軌跡為：

(4)

在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于測(cè)繪主體位置坐標(biāo)是系統(tǒng)的主要測(cè)繪內(nèi)容，因此在航跡生成過程中輸入的主體位置信息均為預(yù)估信息。利用傳感器設(shè)備獲取無人機(jī)的實(shí)時(shí)航行位置，搜索與無人機(jī)當(dāng)前位置最近的主體，利用式(4)生成相應(yīng)的飛行軌跡，直到區(qū)域內(nèi)所有主體均被遍歷為止[11]。在無人機(jī)的實(shí)際航空飛行過程中，需要利用內(nèi)置的傳感器設(shè)備檢測(cè)初始生成的軌跡上是否存在障礙，若存在障礙，則需要重新生成飛行軌跡點(diǎn)，飛行軌跡點(diǎn)的更新結(jié)果為：

(5)

其中：(xi，yi)和(xi-hinder，yi-hinder)分別為存在障礙的初始軌跡點(diǎn)及其更新結(jié)果，δx和δy對(duì)應(yīng)的是水平和豎直方向上的調(diào)整量[12]。最終將更新軌跡點(diǎn)添加到原飛行軌跡中，與前、后軌跡點(diǎn)相連，得出區(qū)域無人機(jī)航空飛行軌跡的更新結(jié)果。

2.2 利用傾斜測(cè)量技術(shù)獲取區(qū)域影像數(shù)據(jù)

利用無人機(jī)及其內(nèi)置的傾斜儀設(shè)備，獲取應(yīng)急測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的影像數(shù)據(jù)，傾斜測(cè)量影像數(shù)據(jù)的采集原理如圖5所示。

圖5 傾斜測(cè)量影像數(shù)據(jù)采集原理圖

在數(shù)據(jù)采集前，首先需要對(duì)無人機(jī)上的傾斜儀進(jìn)行標(biāo)定處理。將生成的航空飛行軌跡導(dǎo)入到無人機(jī)中，利用控制器設(shè)備，保證無人機(jī)能夠在指定的飛行高度上按照規(guī)劃軌跡飛行[13]。為了保證獲取的傾斜測(cè)量影像數(shù)據(jù)能夠滿足系統(tǒng)的應(yīng)急測(cè)繪精度需求，需要對(duì)相機(jī)的曝光頻率進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如下：

(6)

其中：υUAV和W分別為無人機(jī)的飛行速度和拍攝影像的有效航向幅寬，上述變量的計(jì)算公式為：

(7)

其中：ζ1和ζ2均為常量參數(shù)，rlocus為生成飛行軌跡半徑，κoverlapping為影像之間的有效重疊系數(shù)，b和H分別對(duì)應(yīng)的是相機(jī)底片航向幅寬和相對(duì)飛行高度[14]。在無人機(jī)傾斜影像獲取過程中，采集參數(shù)滿足如下條件：

(8)

式中，θ和?分別為無人機(jī)機(jī)載傾斜儀的傾斜角度和可視角度，Lhorizontal-max和Lhorizontal-min對(duì)應(yīng)的是無人機(jī)與生成多視傾斜影像中對(duì)應(yīng)地物水平距離的最大值和最小值。同時(shí)啟動(dòng)無人機(jī)飛行程序和影像采集程序，通過實(shí)時(shí)區(qū)域成像，得出初始影像的獲取結(jié)果。

2.3 初始區(qū)域影像預(yù)處理

2.3.1 影像勻光勻色

在無人機(jī)航空的影像數(shù)據(jù)采集過程中，由于拍攝角度不同，導(dǎo)致得到的影像數(shù)據(jù)可能存在光纖與色度不一致的情況，影像對(duì)測(cè)繪主體的識(shí)別與測(cè)量精度，因此需要對(duì)初始采集的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行勻光勻色處理[15]。影像的勻光勻色處理過程可以描述為：

IUniform light(x，y)=I(x，y)κmultiply+κadd

(9)

式中，I(x，y)為初始采集的影像數(shù)據(jù)，κmultiply和κadd分別為乘系數(shù)和加系數(shù)，參數(shù)κmultiply和κadd的求解公式為：

(10)

其中：κbrightness、κexpand分別為圖像的亮度系數(shù)和擴(kuò)展系數(shù)，gtarget和gavg分別為灰度目標(biāo)值和平均值，ξstandard和ξtarget分別為標(biāo)準(zhǔn)偏差和影像局部灰度偏差的目標(biāo)值。將式(9)的計(jì)算結(jié)果代入式(8)中，即可得出區(qū)域傾斜測(cè)量影像的勻光勻色處理結(jié)果。

2.3.2 畸變校正

區(qū)域影像中可能存在畸變，可分為徑向畸變和切向畸變兩個(gè)部分，區(qū)域影像畸變的處理結(jié)果可以表示為：

(11)

其中：βx和βy分別為影像畸變校正參數(shù)在水平和豎直兩個(gè)方向上的分量，上述參數(shù)的具體取值可根據(jù)影像畸變量直接得出。利用式(10)對(duì)初始區(qū)域影像中的所有像素點(diǎn)進(jìn)行校正，得出畸變校正處理結(jié)果。

2.4 計(jì)算測(cè)繪主體幾何數(shù)據(jù)

區(qū)域范圍內(nèi)需要測(cè)繪的主體包括：房屋建筑、植被、道路、水體等，并根據(jù)不同主體的結(jié)構(gòu)與紋理特征，設(shè)置各個(gè)測(cè)繪主體的標(biāo)準(zhǔn)特征向量，將其標(biāo)記為ψi。那么在測(cè)繪主體幾何數(shù)據(jù)計(jì)算開始前，首先需要對(duì)傾斜影像中的主體進(jìn)行識(shí)別并分割[16]。利用灰度共生矩陣提取區(qū)域傾斜影像的紋理特征，具體包括主對(duì)角線慣性矩、局部均勻性、灰度相關(guān)等，其中主對(duì)角線慣性矩和局部均勻性的提取結(jié)果可以表示為：

(12)

式中，i和j為影像中任意像素點(diǎn)及其相鄰節(jié)點(diǎn)的灰度值，k為灰度梯度等級(jí)，Pij為傾斜影像中每種(i，j)值出現(xiàn)的頻率。同理可以得出初始影像中所有紋理特征向量的提取結(jié)果。根據(jù)影像紋理之間的差異，對(duì)影像進(jìn)行分割，設(shè)置圖像分割閾值為ζ，則影像分割結(jié)果可以表示為：

(13)

通過式(13)的處理，得到的Icut apart(x，y)為一幅二值圖像，相當(dāng)于將源圖像用空間占有數(shù)組來進(jìn)行表達(dá)。將提取的所有影像特征進(jìn)行融合處理，得出影像的綜合特征提取結(jié)果，記為ψdraw。在此基礎(chǔ)上，將當(dāng)前區(qū)域傾斜影像特征與設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)特征進(jìn)行匹配，得出影像主體的識(shí)別結(jié)果：

(14)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(14)中，即可得出當(dāng)前影像特征與主體i對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)特征之間的匹配結(jié)果。若計(jì)算得出s(i)的值高于閾值s0(i)，說明當(dāng)前影像中對(duì)應(yīng)主體為i，否則需要替換主體及其標(biāo)準(zhǔn)特征，直到滿足匹配要求位置[17]。以測(cè)繪的房屋建筑主體面積為例，該主體的幾何數(shù)據(jù)計(jì)算公式如下：

(15)

其中：ci和ui分別為第i個(gè)房屋建筑的長(zhǎng)度和寬度，Nhouse為區(qū)域影像中包含的房屋建筑數(shù)量。而在植被幾何數(shù)據(jù)計(jì)算過程中，需要根據(jù)可見光植被指數(shù)，進(jìn)一步確定植物類型。不同植物可見光植被指數(shù)的計(jì)算公式如下：

(16)

式中，λgreen、λred和λblue分別為區(qū)域傾斜影像中綠光、紅光、藍(lán)光的波段，基于此可以得出任意植被的幾何數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果。在實(shí)際的測(cè)繪主體幾何數(shù)據(jù)過程中，由于使用影像存在一定的拍攝角度，因此需要對(duì)主體幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜校正，校正處理過程為：

A′=φA×tanθ

(17)

由此得出系統(tǒng)中所有應(yīng)急測(cè)繪主體幾何數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果。

2.5 實(shí)現(xiàn)區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪

按照區(qū)域無人機(jī)航空傾斜測(cè)量結(jié)果，結(jié)合區(qū)域測(cè)繪主體幾何數(shù)據(jù)的求解結(jié)果，采用地圖制作的方式得出系統(tǒng)的應(yīng)急測(cè)繪結(jié)果。在系統(tǒng)內(nèi)新疆一個(gè)測(cè)繪工程，將傾斜測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入索引文件中，經(jīng)過實(shí)景建模與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，在界面中對(duì)測(cè)繪主體地物進(jìn)行編輯，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)繪主體的準(zhǔn)確勾畫[18]。根據(jù)系統(tǒng)輸出應(yīng)急測(cè)繪圖像大小與實(shí)際主體地物之間的尺寸關(guān)系，確定目標(biāo)對(duì)象的實(shí)際測(cè)繪數(shù)值，該數(shù)值的求解結(jié)果為：

w′=w×τ×A′

(18)

其中：w和w′分別為區(qū)域主體地物的真實(shí)數(shù)據(jù)和測(cè)繪數(shù)據(jù)，τ為設(shè)置的比例尺。在完成一個(gè)主體地區(qū)的測(cè)繪后，計(jì)算其周圍主體與該主體之間的距離，通過比例尺的轉(zhuǎn)換確定具體測(cè)繪位置，重復(fù)上述操作得出下一主體的測(cè)繪結(jié)果[19-20]。最終將各個(gè)測(cè)繪主體進(jìn)行組合，并利用硬件系統(tǒng)中的顯示器設(shè)備進(jìn)行可視化輸出，完成系統(tǒng)的區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪工作。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的基于傾斜測(cè)量技術(shù)的區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行測(cè)試分析。在系統(tǒng)測(cè)試過程中，將系統(tǒng)硬件、軟件作為一個(gè)整體，采用白盒測(cè)試方式，在已知目標(biāo)區(qū)域精準(zhǔn)主體信息的情況下，判斷系統(tǒng)的測(cè)繪結(jié)果是否與實(shí)際位置信息一致，從而得出系統(tǒng)測(cè)繪精度的測(cè)試結(jié)果。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)在精度方面的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)作為對(duì)比系統(tǒng)，且與設(shè)計(jì)系統(tǒng)在同樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中運(yùn)行，從而確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，通過具體指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)與對(duì)比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的效果。

3.1 無人機(jī)選型與試飛檢查

為滿足系統(tǒng)的航空傾斜測(cè)量要求，適應(yīng)研究區(qū)域的氣象條件，選擇Tello型號(hào)的四軸無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，該無人機(jī)由云臺(tái)、圖傳設(shè)備等部分組成，無人機(jī)的外殼選用樹脂復(fù)合材料，機(jī)身采用鎂鋁合金，機(jī)臂為碳纖維材質(zhì)，有效載荷1.39 kg，機(jī)身內(nèi)置了衛(wèi)星定位模塊。從無人機(jī)的飛行性能方面來看，無人機(jī)的平飛速度和垂直起降速度分別為10 m/s和4 m/s，最高飛行高度能夠達(dá)到600 m，最大荷載量為5 kg，具有良好的抗風(fēng)性能，能夠在5級(jí)風(fēng)環(huán)境下正常飛行。在正常飛行狀態(tài)下，無人機(jī)的續(xù)航能力能夠達(dá)到45 min左右。為保證選擇的無人機(jī)能夠在目標(biāo)環(huán)境中正常運(yùn)行，需要在實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)無人機(jī)進(jìn)行試飛檢查。在起飛前，無人機(jī)需要進(jìn)行俯仰、速度、遙控器等多個(gè)方面的測(cè)試，其中俯仰測(cè)試是為了確保陀螺儀的零點(diǎn)和俯仰角度都是正確的。在無人機(jī)模式中，當(dāng)飛機(jī)的縱傾發(fā)生改變時(shí)，判斷縱傾發(fā)生改變。在進(jìn)行空速檢測(cè)時(shí)，用手將空速表前面的空氣擋住，此時(shí)空速表上的數(shù)值為0，如果不是0，應(yīng)重設(shè)0。用手指將空速管塞緊，稍微擠壓一下，空速指示器上的數(shù)值應(yīng)該逐步增大，或維持不變，否則就會(huì)出現(xiàn)漏氣或堵塞的情況。接通遙控器，確認(rèn)RC與RPV的控制方式轉(zhuǎn)換正確，檢測(cè)遠(yuǎn)程控制的信道狀態(tài)。若覺得操縱量過大，則可由遙控器調(diào)整操縱桿的操縱桿行程。遠(yuǎn)程控制，最大可達(dá)到20 m。關(guān)掉遙控，進(jìn)入無人駕駛模式。此外，還要檢測(cè)無人駕駛飛機(jī)的振動(dòng)狀況，也就是啟動(dòng)引擎，觀測(cè)各種速度下的傳感器和操縱桿的振動(dòng)狀況，尤其是地面上顯示的姿態(tài)參數(shù)。所有的彈跳都要控制在一個(gè)較小的幅度內(nèi)，否則就需要改善緩沖裝置。

3.2 選擇應(yīng)急測(cè)繪目標(biāo)區(qū)域

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)以多個(gè)研究區(qū)域作為測(cè)繪目標(biāo)，且保證選擇的研究區(qū)域之間存在明顯的地形差異。此次實(shí)驗(yàn)選擇的測(cè)繪目標(biāo)可以分為林地、城市和山區(qū)3種類型，其中，林地研究區(qū)域選擇某人工實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，區(qū)域面積為8 652 km2，與城市建筑相比，林地區(qū)域地形較為復(fù)雜，海拔范圍達(dá)到200～350 m，林地區(qū)域森林覆蓋率達(dá)到70%以上，種植的植被種類包括落葉松、云杉、油松等。城市選擇的是某市主城區(qū)，主城區(qū)內(nèi)由公共建筑和居民建筑兩部分組成，城區(qū)總面積約為6 786 km2。而山區(qū)選擇的是某鐵礦礦山，其地貌特點(diǎn)是具有典型的低山丘陵地形，研究區(qū)域的土壤土層很薄，主要是裸巖、碎石和砂礫，以及大量的水體，區(qū)域面積為9 464 km2。在應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)運(yùn)行前，首先確定測(cè)繪主體，并記錄各測(cè)繪主體的實(shí)際數(shù)據(jù)信息。其中，部分測(cè)繪主體的實(shí)際數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 應(yīng)急測(cè)繪目標(biāo)區(qū)域部分主體真實(shí)數(shù)據(jù)表

除表1數(shù)據(jù)外，還需要標(biāo)記各個(gè)主體中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)。由于大部分主體為不規(guī)則形狀，因此此次實(shí)驗(yàn)未記錄主體長(zhǎng)度和寬度，也未對(duì)長(zhǎng)度、寬度數(shù)據(jù)進(jìn)行效果測(cè)試。

3.3 設(shè)定傾斜測(cè)量技術(shù)運(yùn)行參數(shù)

以配置的無人機(jī)平臺(tái)作為背景，設(shè)置傾斜測(cè)量影像的分辨率為2.0 ppi，航空比例尺為1∶100，航向與旁向重疊指數(shù)分別為80%和60%，傾斜儀間距為20 m，傾斜儀頻率為50 Hz，焦距為48 mm，傾斜儀測(cè)量結(jié)果以16∶9的格式輸出。

3.4 描述系統(tǒng)測(cè)試過程

采用各個(gè)研究地區(qū)的天地圖作為基礎(chǔ)底圖，使用GDAL、OSGEarth等開源軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)基于傾斜測(cè)量技術(shù)的區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)的開發(fā)。在實(shí)驗(yàn)過程中，將設(shè)定的傾斜測(cè)量技術(shù)運(yùn)行參數(shù)輸入到無人機(jī)中，通過對(duì)目標(biāo)區(qū)域的分析生成航行路線，傾斜影像數(shù)據(jù)的獲取結(jié)果。林地區(qū)域的傾斜影像如圖6所示。

圖6 林地區(qū)域傾斜影像示意圖

在此基礎(chǔ)上，通過影像分析、幾何信息計(jì)算、地圖繪制等步驟，輸出系統(tǒng)的應(yīng)急測(cè)繪結(jié)果，如圖7所示。

圖7 林地區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)輸出結(jié)果

按照上述方式可以得出城市以及山區(qū)研究區(qū)域的應(yīng)急測(cè)繪輸出結(jié)果。將設(shè)置的文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)對(duì)比系統(tǒng)分別標(biāo)記為對(duì)比系統(tǒng)一和對(duì)比系統(tǒng)二，重復(fù)上述操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)比系統(tǒng)的開發(fā)與運(yùn)行，并得出相應(yīng)的輸出結(jié)果。

3.5 設(shè)置系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)

設(shè)置測(cè)繪范圍占比指標(biāo)反映系統(tǒng)的應(yīng)急測(cè)繪范圍，該指標(biāo)的計(jì)算公式為：

(19)

式中，Aout和Atotal分別為輸出的應(yīng)急測(cè)繪面積和研究區(qū)域的總面積。系統(tǒng)測(cè)繪精度的測(cè)試指標(biāo)設(shè)置為主體面積測(cè)繪誤差和主體位置測(cè)繪誤差，其中，主體面積測(cè)繪誤差的計(jì)算公式為：

εA=Aout-Areality

(20)

其中：Aout為系統(tǒng)實(shí)際輸出的主體測(cè)繪面積，Areality為目標(biāo)主體的實(shí)際面積。另外，主體位置測(cè)繪誤差的計(jì)算公式如下：

εp=(xout-xreality)+(yout-yreality)

(21)

式中，(xout，yout)和(xreality，yreality)分別為主體中心點(diǎn)的測(cè)繪位置坐標(biāo)和實(shí)際位置坐標(biāo)。最終計(jì)算得出測(cè)繪范圍占比越大，測(cè)繪誤差越小，說明系統(tǒng)的測(cè)繪功能與精度越優(yōu)。

3.6 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

通過相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，得出研究區(qū)域場(chǎng)景測(cè)繪范圍的測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 系統(tǒng)測(cè)繪區(qū)域范圍測(cè)試數(shù)據(jù)表 km2

將表2中的數(shù)據(jù)代入式(19)中，計(jì)算得出3個(gè)系統(tǒng)的平均測(cè)繪范圍占比分別為0.961、0.979和0.999。另外，主體面積測(cè)繪誤差的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 區(qū)域主體面積測(cè)繪誤差測(cè)試數(shù)據(jù)表 km2

將表3中的數(shù)據(jù)和表1中的數(shù)據(jù)代入式(20)中，得出3個(gè)系統(tǒng)的平均主體面積測(cè)繪誤差分別為1.15、0.69和0.22 km2。統(tǒng)計(jì)測(cè)繪主體的位置信息數(shù)據(jù)，通過式(21)的計(jì)算得出系統(tǒng)位置測(cè)繪誤差的測(cè)試對(duì)比結(jié)果，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主體位置測(cè)繪誤差測(cè)試對(duì)比曲線

從圖8中可以直觀看出，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的位置測(cè)繪誤差明顯低于兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)，由此證明設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有更高的應(yīng)急測(cè)繪精度。

4 結(jié)束語

無人機(jī)因其體積小、成本低、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)土空間規(guī)劃、鐵路、公路及水利等諸多領(lǐng)域。在此次研究中，通過傾斜測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用解決了無人機(jī)在數(shù)據(jù)收集過程中存在的遮擋問題，進(jìn)一步提高了區(qū)域無人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪精度，從而提升了應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。而在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)繪區(qū)域場(chǎng)地通常是比較復(fù)雜和變化的，通過這種方式可以使作業(yè)順利開展，對(duì)數(shù)字測(cè)繪行業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展具有重要意義。