基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法

摘 要：常規(guī)的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法主要依賴MAPEDIT軟件完成測繪定點的編輯處理，但這種方法易受測繪空間位置變化影響，導(dǎo)致采集的測繪坐標與實際坐標存在不吻合的情況。為此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一種全新的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法。該方法規(guī)劃了自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集路徑，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了無人機測繪數(shù)據(jù)采集中心，并設(shè)計了專門的無人機測繪激光點云配準算法，從而成功實現(xiàn)了自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)的采集。實例分析結(jié)果表明，設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法所采集的測繪坐標與實際坐標非常接近，證明了該方法具有較好的采集效果。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；自然資源；無人機；測繪；數(shù)據(jù)采集；激光點云配準算法

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-0-03

0 引 言

無人機測繪技術(shù)是一種新型地理空間數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)，需要在無人機上安裝傳感器和相機，以獲取高分辨率的遙感圖像，在地形測繪、土地利用規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測等方面應(yīng)用廣泛[1]。利用無人機測繪可以大幅度提高測繪數(shù)據(jù)的采集效率，因此開展自然資源無人機測繪方面的研究非常重要。近年來，相關(guān)研究人員基于無人機測繪特點設(shè)計了幾種常規(guī)的無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法，例如基于GIS的無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法[2]，以及基于三維激光掃描技術(shù)的無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法[3]。但以上2種方法易受測繪空間位置變化的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集測繪坐標與實際坐標存在不吻合的情況。因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種全新的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集

方法設(shè)計

1.1 自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集路徑規(guī)劃

當測繪環(huán)境相對復(fù)雜時，對無人機行動軌跡的精確度要求隨之提高。為了提高測繪精度，避免無人機測繪數(shù)據(jù)采集異常[4-5]，本文使用可視圖法和柵格法來規(guī)劃自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集路徑。規(guī)劃的柵格越小，所表示的測繪障礙就越精確。因此，可以通過確定合適的柵格尺寸，對無人機的測繪飛行空間進行離散化處理。同時，設(shè)定有效的膨脹系數(shù)[6]，并根據(jù)障礙物測繪標準進行環(huán)境建模，在確保留有足夠安全裕量的基礎(chǔ)上生成路徑規(guī)劃的先決條件[7]。此時，可設(shè)定一個微小的固定距離，定義避障性能參數(shù)矩陣lik的表達式為：

（1）

式中：Dik代表第i個路徑點與第k個障礙物的間距；Dsafe代表預(yù)設(shè)的安全測繪距離[8]。此時，考慮路徑最短性能，得到的路徑規(guī)劃安全懲罰函數(shù)f表達式為：

（2）

式中：λ為懲罰因子；n為路徑點個數(shù)。路徑規(guī)劃必須滿足無人機飛行避障性能?；诖?，計算最短路徑歐氏距離f1，表達式為：

（3）

式中：xi+1、yi+1為初始路徑點坐標；xi、yi為避障路徑坐標[9]。根據(jù)上述路徑規(guī)劃參數(shù)生成的路徑規(guī)劃目標函數(shù)F的表達

式為：

（4）

使用上述路徑規(guī)劃目標函數(shù)可以不斷地進行路徑規(guī)劃更新，進而提高測繪數(shù)據(jù)采集的效率。

1.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建無人機測繪數(shù)據(jù)采集中心

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建出高效的傳感網(wǎng)絡(luò)，同時利用無人機搭載傳感器就可以實時獲取測繪數(shù)據(jù)，包括地形地貌、氣象信息、水文數(shù)據(jù)等。基于此，本文首先基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了無人機測繪數(shù)據(jù)采集中心。設(shè)計該采集中心時需要考慮以下幾個要點：第一，需要直接獲取不同場景的測繪信息，以減少深度估計所帶來的計算成本；第二，需要降低無人機定位約束；第三，數(shù)據(jù)采集中心的采集傳感器必須有足夠的采樣頻率，以滿足多場景的測繪要求[10]。根據(jù)上述無人機測繪數(shù)據(jù)采集中心的設(shè)計要求，本文選取無人機動力系統(tǒng)、飛行控制器作為該中心的核心硬件設(shè)備，并利用機載電腦進行數(shù)據(jù)分析。除此之外，為滿足測繪的視覺定位要求，還配置了SLAM雙目魚眼相機以及慣性測量單元（Inertial Measurement Unit， IMU）輔助激光雷達。在測繪過程中，為了確保輔助飛行控制的精準性，本文設(shè)計的測繪數(shù)據(jù)采集中心利用Pixhawk 4開源固件進行了二次開發(fā)處理，并結(jié)合Realsense T265進行驅(qū)動，以期在最大程度上提升測繪采集的效果。

1.3 無人機測繪激光點云配準算法設(shè)計

由于獲取的初始測繪信息受測距特征影響，存在線性擬合誤差，因此，需要設(shè)計一種無人機測繪激光點云配準算法。首先對不同的測繪節(jié)點進行線性擬合計算，表達式為：

（5）

式中：w為擬合向量；z為擬合直線斜率；z0為截距。在測繪過程中，可以根據(jù)測繪節(jié)點的關(guān)系進行均值濾波處理，從而實現(xiàn)激光點云配準，表達式為：

（6）

式中：ε代表均值計算；p（z， z0）代表均值濾波輸出結(jié)果；

q（z， z0）代表測繪點灰度值。使用該激光點云配準算法可以按照節(jié)點的灰度值快速進行降序排列處理，并調(diào)整對應(yīng)中心的像素匹配關(guān)系，消除產(chǎn)生的數(shù)據(jù)噪聲點，從而提高測繪數(shù)據(jù)采集坐標與預(yù)設(shè)坐標的擬合度。

2 實例分析

2.1 概況及準備

根據(jù)無人機測繪數(shù)據(jù)采集實驗要求，本文選取X區(qū)域作為研究區(qū)域，該研究區(qū)域的植被覆蓋率較高，存在混交闊葉林。本文使用多重疊度規(guī)劃法設(shè)置無人機測繪路徑，選定的作業(yè)區(qū)域面積為100 m×100 m，飛行高度預(yù)設(shè)為50 m。

本次采集到的無人機測繪數(shù)據(jù)要通過I7-670HQ處理器統(tǒng)一進行處理，再傳輸至ALIENWARE工作站中，實驗操作系統(tǒng)為Windows 10 64位。在開始實驗后，需要選取

Python 3.7和OpenCV 3.4進行輔助分析，使用AMAZE算法提取了測繪特征，本文選取3Strandard無人機作為實驗無人機。首先需要進行影像匹配，描述不同的測繪特征點；再進行空中三角測量，輸出有效的實例分析數(shù)據(jù)采集坐標。在無人機測繪的過程中，需要不斷調(diào)整機身的位置、姿態(tài)。因此，在實例分析中使用慣性測量單元IMU來調(diào)整控制指令，利用加速度計和陀螺儀測量三軸姿態(tài)角，采用GPS PPK技術(shù)進行動態(tài)后差分處理，并進行坐標解算，保證測繪結(jié)果的精度處于1 cm+（1～2 ppm）范圍內(nèi)。

2.2 測繪數(shù)據(jù)采集結(jié)果與討論

根據(jù)上述研究概況及準備，進行自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集實驗，分別使用本文設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法、文獻[2]的基于GIS的無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法，以及文獻[3]的基于三維激光掃描技術(shù)的無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法進行測繪數(shù)據(jù)采集，并記錄3種方法在不同測繪數(shù)據(jù)采集點下的測繪坐標數(shù)據(jù)。測繪數(shù)據(jù)采集結(jié)果見表1。

由表1可知，在不同測繪數(shù)據(jù)采集點下本文設(shè)計的方法采集的測繪坐標數(shù)據(jù)與實際坐標數(shù)據(jù)擬合較好，而文獻[2]和文獻[3]的方法所采集的測繪坐標數(shù)據(jù)與實際坐標數(shù)據(jù)相差較大。上述實例分析結(jié)果表明，本文設(shè)計的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法的采集效果較好，具有較高的可靠性，有一定的應(yīng)用價值。

3 結(jié) 語

無人機測繪的難度較大，影響因素復(fù)雜，常規(guī)的無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法的采集精度難以保證。針對這些問題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種全新的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法。實例分析結(jié)果表明，設(shè)計的自然資源無人機測繪數(shù)據(jù)采集方法的采集效果較好，具有較高的可靠性，可為自然資源的優(yōu)化管理作出一定貢獻。

參考文獻

[1]徐紅.工程測量：建筑施工的“眼睛”和“尺子”—訪北京中建華海測繪科技有限公司執(zhí)行董事張勝良[J].中國測繪，2023（5）：22-25.

[2]張燕純.基于GIS的區(qū)域國土資源測繪數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2023，41（7）：206-208.

[3]陳偉.基于三維激光掃描技術(shù)的城市建筑物立面測繪數(shù)據(jù)采集方法[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2022，58（12）：5-8.

[4]沈健，程梟翀，陳曉虎.綜合測繪技術(shù)在古建筑現(xiàn)狀勘察中的應(yīng)用研究—以養(yǎng)心殿東配殿綜合測繪項目為例[J].北京測繪，2021，35（10）：1256-1261.

[5]潘霞芬.一體化測繪技術(shù)在城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用[J].價值工程，2019，38（25）：242-243.

[6]褚會鵑，王立靜，宋寧.一體化測繪技術(shù)在城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用思路構(gòu)架實踐[J].智能建筑與城市信息，2021（8）：25-26.

[7]白成軍，韓旭，傅程.明末清初西方傳教士對中國古代測繪技術(shù)發(fā)展的影響[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2022，41（2）：32-38.

[8]耿丹，王丹.工程測量標準化的新探索—論強制性工程建設(shè)國家標準《工程測量通用規(guī)范》[J].工程勘察，2022，50（2）：46-50.

[9]黃智濤.古建筑測繪工作的內(nèi)容及測繪技術(shù)探析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2018（15）：104-105.

[10]高峰，王海龍，錢超.現(xiàn)代測繪技術(shù)在“粵港澳大灣區(qū)風暴潮智能預(yù)警體系設(shè)置與產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用”課題中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2021（9）：54-55.

作者簡介：姜 敏（1987—），女，山東濟南人，碩士，正高級工程師，研究方向為測繪地理信息系統(tǒng)、自然資源管理、攝影測量與遙感。

任 耀（1986—），男，河南南陽人，碩士，高級工程師，研究方向為3S技術(shù)在礦產(chǎn)資源勘查與管理中的應(yīng)

用研究及礦政管理。

收稿日期：2023-11-17 修回日期：2023-12-18