基于AHP的無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪質(zhì)量控制研究與應(yīng)用

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)，激光掃描，層次分析法，質(zhì)量控制

0 引言

現(xiàn)階段，無(wú)人機(jī)激光掃描技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用效果顯著，已廣泛應(yīng)用于城市治理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)調(diào)查等多個(gè)領(lǐng)域，為行業(yè)帶來(lái)了革命性的變革。該技術(shù)是把具備高速線掃描測(cè)距功能的LiDAR系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)與慣性測(cè)量單元、高清相機(jī)組合構(gòu)成快速、準(zhǔn)確、高密度獲取地物地理空間數(shù)據(jù)的測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大面積范圍內(nèi)地物點(diǎn)三維位置的精確定位，有效提升了測(cè)繪工作的效率和精度[1-4]。但無(wú)人機(jī)激光掃描技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多影響質(zhì)量的因素，主要包含以下幾個(gè)方面：

（1）精度與穩(wěn)定性：無(wú)人機(jī)在飛行過程中受風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因素影響，會(huì)導(dǎo)致其姿態(tài)不穩(wěn)定，進(jìn)而影響測(cè)繪數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。此外，傳感器誤差、飛行器姿態(tài)等因素也可能導(dǎo)致測(cè)繪結(jié)果的精度不高。

（2）數(shù)據(jù)處理與解析：無(wú)人機(jī)獲取的影像數(shù)據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)處理和分析以提取有用數(shù)據(jù)，但如何高效、準(zhǔn)確地處理大量數(shù)據(jù)仍存在挑戰(zhàn)。特別是對(duì)于復(fù)雜地形和遮擋區(qū)域的數(shù)據(jù)解析存在較大難度。

（3）法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)人機(jī)在飛行過程中需要遵守相關(guān)的飛行管制和法規(guī)限制，如飛行高度、飛行區(qū)域等，這些限制可能會(huì)給測(cè)繪工作帶來(lái)一定的不便和困難。此外，針對(duì)無(wú)人機(jī)激光掃描在測(cè)繪中的應(yīng)用，尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這可能導(dǎo)致不同項(xiàng)目在采用無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪時(shí)存在技術(shù)路線、數(shù)據(jù)處理等方面+xZFUqdaAmb4d2f+vtLHAw==的差異，最終對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響。

（4）可靠性：無(wú)人機(jī)設(shè)備的可靠性也是影響測(cè)繪的一個(gè)重要因素。如果設(shè)備出現(xiàn)故障或損壞，可能會(huì)導(dǎo)致任務(wù)無(wú)法完成或數(shù)據(jù)質(zhì)量受影響。此外，無(wú)人機(jī)在飛行過程中可能面臨如電池故障、信號(hào)丟失等多種風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失或損壞。

綜上所述，無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中需要注意精度與穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)處理與解析、法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)以及可靠性等方面的因素，以確保測(cè)繪作業(yè)質(zhì)量可控。

1 質(zhì)量控制指標(biāo)分析

1.1 全流程質(zhì)量控制指標(biāo)體系

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)掃描測(cè)繪主要包括外業(yè)掃描作業(yè)（資料搜集與踏勘、制定航攝計(jì)劃、航攝準(zhǔn)備、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查）和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理（數(shù)據(jù)預(yù)處理、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類、數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型、正射影像圖等數(shù)字成果制作）等關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5-6]。AHP（Analytic Hierarchy Process）作為質(zhì)量管理過程中常用的方法，其原理是將復(fù)雜的質(zhì)量管理目標(biāo)分解為多個(gè)層次，通過專業(yè)評(píng)估建立判斷矩陣，量化各因素重要性，計(jì)算權(quán)重以協(xié)助決策，提高預(yù)測(cè)和判斷能力，優(yōu)化質(zhì)量管理[7-8]。

本研究對(duì)無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)掃描測(cè)繪全流程進(jìn)行分解，結(jié)合AHP分析與歸納出無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪三層次質(zhì)量控制指標(biāo)體系，如表1所示。

1.2 質(zhì)量控制指標(biāo)重要度評(píng)估

在開展無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪質(zhì)量控制過程中，可以結(jié)合三層次質(zhì)量控制指標(biāo)面向無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪領(lǐng)域的專家、技術(shù)人員和作業(yè)人員開展評(píng)估，根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以獲得各層次質(zhì)量控制權(quán)重，明確質(zhì)控控制重點(diǎn)，以指導(dǎo)無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪質(zhì)量控制工作。本研究結(jié)合無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪質(zhì)量控制實(shí)踐，設(shè)置了供參考的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)開展質(zhì)量指標(biāo)重要度評(píng)估，如表2所示。

上式中，CI 取值范圍在0到1之間，用于判斷矩陣中的元素是否滿足傳遞性和一致性。當(dāng)CI值越接近1，表示一致性越低；而CI 值越接近0，則表示一致性越高。CR 用于判斷判斷矩陣是否滿足一致性要求，結(jié)合判斷矩陣階數(shù)可得RI 值。當(dāng)CR <0.1時(shí)，判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，計(jì)算得出的權(quán)重可信；若CR≥0.1，則判斷矩陣未通過一致性檢驗(yàn)，需要檢查判斷矩陣的邏輯性問題，應(yīng)修正后重新分析。

2 案例應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某項(xiàng)目利用無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)掃描技術(shù)對(duì)某典型地形地貌區(qū)域進(jìn)行掃描作業(yè)，采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行濾波和分類，建立不同地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，根據(jù)剝離植被后的高密度地面點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成調(diào)查區(qū)域高精度數(shù)字化成果，為開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。最終成果按《基礎(chǔ)地理信息數(shù)字成果1：500 1：1000 1：2000 1：5000 1：10000數(shù)字表面模型》（CH/T 9022—2014）的要求，點(diǎn)云密度不低于16點(diǎn)/m2，格網(wǎng)不大于0.5m。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施

項(xiàng)目實(shí)施前，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)對(duì)該項(xiàng)目無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪質(zhì)量指標(biāo)重要度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，分析出在工作準(zhǔn)備階段應(yīng)對(duì)起降場(chǎng)地選取、航線規(guī)劃及硬件檢校3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)管控，在數(shù)據(jù)采集階段對(duì)飛行姿態(tài)控制指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)管控，在數(shù)據(jù)預(yù)處理階段對(duì)數(shù)據(jù)檢查指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)管控，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理階段對(duì)航線匹配、航帶平差進(jìn)行重點(diǎn)管控。

2.2.1 起降場(chǎng)地選取

機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)作業(yè)時(shí)需要持續(xù)穩(wěn)定接收GNSS信號(hào)，同時(shí)激光雷達(dá)測(cè)程較短導(dǎo)致無(wú)人機(jī)作業(yè)高度普遍較低，因此對(duì)起飛點(diǎn)（一般為作業(yè)人員、地面站、基站所在位置）環(huán)境要求高。在傾斜攝影測(cè)量基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)有影像資料及場(chǎng)地實(shí)際情況，本項(xiàng)目機(jī)載激光掃描作業(yè)選擇的起降場(chǎng)地具有平坦開闊、通視良好、數(shù)據(jù)傳輸良好、人員流動(dòng)少等特點(diǎn)。

2.2.2 航線規(guī)劃

在結(jié)合測(cè)區(qū)地形地貌、采集設(shè)備技術(shù)參數(shù)以及成圖精度等基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)航高、重疊度以及航線。設(shè)計(jì)航高綜合考慮影像地面分辨率、點(diǎn)云密度和精度、激光測(cè)距能力及飛行安全等因素，同時(shí)考慮激光安全等級(jí)。航線布設(shè)原則上按常規(guī)方法布設(shè)，對(duì)于不規(guī)則測(cè)區(qū)，可根據(jù)測(cè)區(qū)范圍及地形特點(diǎn)，采用非常規(guī)方法布設(shè)。在確保測(cè)區(qū)內(nèi)合格點(diǎn)云密度和精度符合要求的情況下，旁向超出測(cè)區(qū)邊界線不少于150 m。

2.2.3 硬件檢校

作業(yè)前對(duì)機(jī)載L i DA R設(shè)備進(jìn)行飛行檢校，重點(diǎn)檢校設(shè)備安裝偏心角（如側(cè)滾、俯仰及航向角）。其他硬件設(shè)備如慣性測(cè)量單元等須處于質(zhì)檢合格期內(nèi)，無(wú)人機(jī)平臺(tái)、載荷設(shè)備均按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢定。

2.2.4 飛行姿態(tài)控制

在機(jī)載雷達(dá)采集數(shù)據(jù)過程中，使用飛行控制管理系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航控制，使用系統(tǒng)控制軟件控制并監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

（1）起飛后，在切入航線前，先進(jìn)行繞8字運(yùn)動(dòng)，使組合導(dǎo)航收斂；在完成航飛任務(wù)切出航線后，同樣通過繞8字的方式保證航線內(nèi)POS精度均勻。

（2）作業(yè)區(qū)域內(nèi)飛行速度盡可能保持一致。

（3）在同一條航線內(nèi)，飛機(jī)上升、下降速度變化不宜大于10 m/s。

2.2.5 數(shù)據(jù)檢查

對(duì)數(shù)據(jù)文件、點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。其中，數(shù)據(jù)文件檢查POS數(shù)據(jù)文件、機(jī)載GNSS流動(dòng)站及地面基準(zhǔn)站GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)文件、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件以及原始影像文件是否完整有效。

檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)覆蓋是否滿足航線設(shè)計(jì)要求；航線質(zhì)量（速度、飛行姿態(tài)等）是否滿足要求；航帶重疊度有無(wú)漏洞；同架次相鄰航線及不同架次間航線拼接誤差是否滿足要求；點(diǎn)云密度及精度是否滿足要求。點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)全覆蓋全域，不得有漏洞，數(shù)據(jù)存在局部缺陷，影響精度或密度時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)飛或重飛。

檢查影像數(shù)據(jù)是否完整覆蓋測(cè)區(qū)：影像片數(shù)統(tǒng)計(jì)，是否漏拍；影像是否覆蓋全測(cè)區(qū)，是否有漏洞；影像是否有虛焦，過曝等質(zhì)量問題。若檢查結(jié)果不滿足要求，應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)飛或重飛。

2.2.6 航線匹配

點(diǎn)云航線匹配包括設(shè)置安置文件夾、加載調(diào)查區(qū)點(diǎn)云、加載并定義航跡線參數(shù)、選擇調(diào)查區(qū)所包括的航跡線、航跡線分割，最后實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云與航跡線匹配，評(píng)判點(diǎn)云分層以及側(cè)滾角、俯仰角、航偏角影響情況。測(cè)區(qū)點(diǎn)云航線匹配如圖1所示。

2.2.7 航帶平差

添加像控點(diǎn)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行航帶平差以減小點(diǎn)云分層現(xiàn)象，降低側(cè)滾角、俯仰角、航偏角、航帶拼接等因素影響。對(duì)控制點(diǎn)所在點(diǎn)位的高程精度進(jìn)行計(jì)算并評(píng)估高程計(jì)算精度，利用控制點(diǎn)對(duì)作業(yè)區(qū)域點(diǎn)云的高程面進(jìn)行調(diào)整以減少高程誤差。

2.3 成果質(zhì)量

利用Lidar360軟件對(duì)測(cè)區(qū)航帶平差后的點(diǎn)云進(jìn)行航線（速度分析、飛行姿態(tài)分析等）、航帶重疊、密度質(zhì)量分析。質(zhì)量檢查結(jié)果顯示，測(cè)區(qū)的飛行速度、飛行姿態(tài)、航帶重疊、密度質(zhì)量均滿足相關(guān)規(guī)范要求。測(cè)區(qū)22個(gè)檢查點(diǎn)中，最大高程誤差為-0.208 m，最大中誤差為0.129 m，滿足1：500一級(jí)丘陵地誤差不超過0.25 m的精度要求。測(cè)區(qū)點(diǎn)云密度質(zhì)量檢查如圖2所示，測(cè)區(qū)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過分解無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)掃描測(cè)繪全流程，結(jié)合AHP分析與歸納出無(wú)人機(jī)激光掃描測(cè)繪三層次質(zhì)量控制指標(biāo)。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用前期，運(yùn)用研究成果分析出無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)掃描測(cè)繪開展過程中重點(diǎn)質(zhì)量控制指標(biāo)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，針對(duì)性采取措施開展質(zhì)量管控，有效保障了人機(jī)激光雷達(dá)掃描測(cè)繪成果質(zhì)量，取得了較好的全流程質(zhì)量管理效果。本文的研究成果對(duì)于無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)掃描測(cè)繪業(yè)務(wù)的質(zhì)量管理具有較好的實(shí)踐指導(dǎo)意義。