周 海，張 星

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)也逐漸應(yīng)用到鄉(xiāng)村地區(qū)規(guī)劃的移民安置上，隨著水庫(kù)移民的數(shù)量不斷增加，其要求也就越來(lái)越嚴(yán)格，如何利用無(wú)人機(jī)的航拍技術(shù)對(duì)移民進(jìn)行安置規(guī)劃成為研究的重點(diǎn)。利用無(wú)人機(jī)來(lái)對(duì)安置的地區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，包括地形、地貌，然后根據(jù)所識(shí)別到的圖像或者視頻來(lái)分析判斷該地區(qū)是否可以規(guī)劃成移民的安置區(qū)。為此，本文對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在水庫(kù)移民安置規(guī)劃中的應(yīng)用進(jìn)行研究，期望采用無(wú)人機(jī)技術(shù)快速確定移民安置地區(qū)的位置，為制定水庫(kù)移民安置規(guī)劃提供幫助。

1 無(wú)人機(jī)飛行準(zhǔn)備及實(shí)景采集

無(wú)人機(jī)的航測(cè)主要用于土地形狀以及環(huán)境的探測(cè)，在探測(cè)中要保證在電量以及光照充足的情況下使用，如果遭遇到不明因素的干擾就會(huì)破壞無(wú)人機(jī)內(nèi)部的安全系統(tǒng)，導(dǎo)致航測(cè)技術(shù)失效[1]。因此，事先做好飛行的準(zhǔn)備工作，對(duì)未知的實(shí)景進(jìn)行采集，才能最大程度地保證水庫(kù)移民安置規(guī)劃成功。在此之前，首先規(guī)劃出無(wú)人機(jī)即將航測(cè)的地理位置，并且確保所有的備用儀器以及設(shè)備正常運(yùn)行，將航測(cè)的地區(qū)重點(diǎn)圈起來(lái)，然后確定好將要出發(fā)的位置，選擇發(fā)射位置與航測(cè)位置的重點(diǎn)作為最佳監(jiān)控區(qū)域，以便觀察。而只有將航測(cè)的準(zhǔn)備工作完成，才可以繼續(xù)下一個(gè)步驟，保證無(wú)人機(jī)的準(zhǔn)確勘測(cè)。

無(wú)人機(jī)裝置過(guò)程如下：

1) 在無(wú)人機(jī)上安放攝像機(jī)，與內(nèi)部的控制相連[2]，可以達(dá)到隨時(shí)遙控?zé)o人機(jī)的目的。

2) 當(dāng)無(wú)人機(jī)檢測(cè)到安置地區(qū)時(shí)，控制系統(tǒng)立即作出反應(yīng)，反饋到攝像機(jī)。

3) 攝像機(jī)就會(huì)找好角度來(lái)對(duì)地區(qū)進(jìn)行觀察，拍攝出地形與四周環(huán)境變化，并按照比例關(guān)系呈現(xiàn)出帶有色彩的視頻圖像[3]。

4) 將此地的形態(tài)狀況實(shí)時(shí)傳輸?shù)焦ぷ魅藛T的共享平臺(tái)上，為工作人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，并作出相應(yīng)的決策。

在對(duì)實(shí)景進(jìn)行采集時(shí)，需要借助數(shù)學(xué)原理來(lái)模擬與計(jì)算，并且建立一個(gè)包括無(wú)人機(jī)位置、檢測(cè)點(diǎn)位置與發(fā)射信號(hào)位置三者的一個(gè)空間模型，確定每個(gè)位置在三維空間內(nèi)的坐標(biāo)來(lái)明確飛行路線以及建筑識(shí)別。將地區(qū)圖像、周?chē)h(huán)境探測(cè)圖像[4]、路線圖像作為3個(gè)點(diǎn)，利用這3個(gè)點(diǎn)建立立體模型，然后忽略掉影響拍攝的其他事物，將場(chǎng)景變?yōu)橐粋€(gè)干凈的場(chǎng)地。獲取到標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)景圖后，將圖像傳輸?shù)较乱粋€(gè)命令模塊，統(tǒng)一進(jìn)行分類(lèi)以及處理，使圖像可以被應(yīng)用到水庫(kù)移民的計(jì)劃當(dāng)中。而有的圖像由于角度問(wèn)題導(dǎo)致邊緣不清晰，此時(shí)就需要另外對(duì)其進(jìn)行拍攝，然后把不完整的圖像結(jié)合到一起，按照地形的特點(diǎn)進(jìn)行再加工[5]，再進(jìn)行模型構(gòu)建，按照相同的比例呈現(xiàn)出完整的地勢(shì)地形，用于后期的采集和判斷。

2 水庫(kù)移民安置規(guī)劃區(qū)控制點(diǎn)校準(zhǔn)

無(wú)人機(jī)在航測(cè)時(shí)會(huì)受到不同的影響，包括地域的差異性、設(shè)備的不統(tǒng)一以及日照或者天氣的好壞，都會(huì)對(duì)其造成程度不一的損傷。而采取的措施就是要保證控制點(diǎn)的位置不變，以控制點(diǎn)為統(tǒng)一的探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)對(duì)整個(gè)無(wú)人機(jī)的航測(cè)進(jìn)行校準(zhǔn)，使勘測(cè)結(jié)果趨于準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)移民安置，并且可以減少不必要的操作[6]，使其高效穩(wěn)定地進(jìn)行。

通常一臺(tái)無(wú)人機(jī)需要的控制點(diǎn)為5個(gè)，包括4個(gè)方向各設(shè)置一個(gè)，中心位置再設(shè)置一個(gè)掌握飛行的角度，使拍到的圖像不至于模糊、變形，視頻更加清晰[7]?？刂泣c(diǎn)的方向各不相同，無(wú)人機(jī)拍攝到的圖像也就各不相同，同時(shí)進(jìn)行操作，監(jiān)測(cè)到的地區(qū)就會(huì)顯現(xiàn)出優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)看到是否可以作為移民安置區(qū)域。因?yàn)樗畮?kù)移民的數(shù)量不多，相對(duì)應(yīng)的地區(qū)面積也不是特別大，所以設(shè)置5個(gè)控制點(diǎn)將整個(gè)區(qū)域的地貌描述出來(lái)，然后將幾個(gè)控制點(diǎn)按照比例縮小到平面上，繪制成一個(gè)圖形，根據(jù)無(wú)人機(jī)的航測(cè)特點(diǎn)得到控制點(diǎn)的準(zhǔn)確位置[8]，包括其角度變化，見(jiàn)圖1。

圖1 控制點(diǎn)位示意圖

圖1中，A、B、C、D分別為4個(gè)控制點(diǎn)?；趫D1可知，無(wú)人機(jī)開(kāi)始飛行的位置與4個(gè)方向的控制點(diǎn)的位置會(huì)有一定的關(guān)系，并且當(dāng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，控制點(diǎn)會(huì)不自覺(jué)地發(fā)生移動(dòng)[9]，導(dǎo)致結(jié)果瞬間變化而變得不準(zhǔn)確。這主要是由于方向相鄰的兩個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)位置比另外兩個(gè)較為波動(dòng)，且處于較低的地勢(shì)；還有季節(jié)的變化也使控制點(diǎn)的位置較為不穩(wěn)定，當(dāng)處于白天時(shí)，無(wú)人機(jī)飛行會(huì)以太陽(yáng)作為標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)進(jìn)行航測(cè)；當(dāng)太陽(yáng)逐漸落山，就會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)的位置變化，同時(shí)4個(gè)控制點(diǎn)也會(huì)隨著無(wú)人機(jī)的變化而導(dǎo)致角度不同。因此，確定陽(yáng)光的起始變化十分重要，基于以上特點(diǎn)，通過(guò)GPS準(zhǔn)確定位來(lái)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量[10]，保證其與無(wú)人機(jī)之間的角度關(guān)系，步驟見(jiàn)圖2。

圖2 控制點(diǎn)校正過(guò)程

基于上述過(guò)程對(duì)控制點(diǎn)校正，能夠使控制點(diǎn)的位置更加準(zhǔn)確，加大航拍技術(shù)的準(zhǔn)確性。

3 水庫(kù)移民安置規(guī)劃實(shí)現(xiàn)

基于上述過(guò)程對(duì)無(wú)人機(jī)飛行準(zhǔn)備及實(shí)景采集并對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)校準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步處理水庫(kù)移民安置規(guī)劃[11]。由于無(wú)人機(jī)一般在空中作業(yè)，在地表的各種儀器不能及時(shí)掌握其具體動(dòng)向，就會(huì)因氣候等變化出現(xiàn)與預(yù)計(jì)不同的效果，為此以無(wú)人機(jī)的移動(dòng)或是拍攝的角度為主，在這個(gè)前提下才能繼續(xù)之后的工作。采用旋轉(zhuǎn)變換的識(shí)別算法來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)的各種建筑進(jìn)行識(shí)別，判斷其具體屬性[12]。建立一個(gè)三維空間坐標(biāo)系，分別取3個(gè)點(diǎn)，以原點(diǎn)為中心，按照一定的規(guī)律進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，就完成了一個(gè)周期的旋轉(zhuǎn)變換。假設(shè)橫軸方向存在一點(diǎn)a，其坐標(biāo)為(x,y,-f)，而縱軸的一點(diǎn)R的坐標(biāo)為(X,Y,Z)，那么二者旋轉(zhuǎn)之后的關(guān)系公式為：

(1)

其中，a1、a2、a3、b1、b2、b3、c1、c2、c3都是旋轉(zhuǎn)之后的坐標(biāo)，而為了能夠及時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行處理，就要最大程度地還原每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的位置[13]，并建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，使無(wú)人機(jī)、建筑物與投影保持在同一方向。假設(shè)a點(diǎn)經(jīng)過(guò)投影后的兩個(gè)坐標(biāo)為p(x,y)與q(x′,y′)，基于上述條件得到的關(guān)系公式為：

(2)

其中：γ為轉(zhuǎn)換因子，h為矩陣參數(shù)。

多次轉(zhuǎn)換矩陣的大小與方向會(huì)使坐標(biāo)的角度與位置都不相同，也就出現(xiàn)了模型的多樣性[14]，為收集樣本提供了很多方便。而從公式中可以得出，無(wú)論怎樣改變，最終控制空間變化的一直都是轉(zhuǎn)換因子，最后得到的是相同的矩陣參數(shù)。

假設(shè)一個(gè)建筑為M，坐標(biāo)為(XM,YM,ZM)，N為地面上控制點(diǎn)，坐標(biāo)為(X,Y,Z)，投影的坐標(biāo)為(Xn,Yn,Zn)，三者處于相同方向，因此可得出空間坐標(biāo)的表達(dá)式為：

(3)

其中：x與y為平面初始坐標(biāo)；(x,y,-f)為a點(diǎn)坐標(biāo)；f為控制點(diǎn)的空間位置。

雖然圖像的還原度已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但其尺度大小還需要進(jìn)一步確定，將其定義為：

(4)

其中：H為尺度坐標(biāo)；μ為尺度因子；e為倍數(shù)。

為了使圖像的分辨率更高，信息更加清晰，就要加強(qiáng)其抗干擾能力[15]，從另一個(gè)方面提高其準(zhǔn)確性，得到的旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)為：

(5)

其中：θ為角度，m(x,y)為平面上隨機(jī)一點(diǎn)；L為降噪后的坐標(biāo)。

最后經(jīng)過(guò)多次計(jì)算與研究，可以得到只有矩陣的大小為，方向分成3個(gè)，獲取的數(shù)據(jù)信息或者是圖像才是最為精準(zhǔn)的。

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程獲得準(zhǔn)確的航測(cè)圖像，即獲得水庫(kù)移民地區(qū)各建筑及其他因素的實(shí)際位置，根據(jù)位置以及詳細(xì)的移民信息即可完成水庫(kù)移民安置規(guī)劃。

4 實(shí)例分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在水庫(kù)移民安置規(guī)劃中的應(yīng)用效果，以某水庫(kù)安置區(qū)作為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)例分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次研究中航測(cè)平臺(tái)采用智能鳥(niǎo)電動(dòng)無(wú)人機(jī)，型號(hào)為KC160，這是一個(gè)小型的固定翼無(wú)人機(jī)，能夠全自動(dòng)巡航，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要參數(shù)

為了使單張航拍圖像覆蓋的范圍更寬，搭建航測(cè)系統(tǒng)，搭載索尼微單，拍照方式為定點(diǎn)或者定焦。

4.2 航測(cè)區(qū)概況與作業(yè)數(shù)據(jù)

該安置區(qū)基本情況見(jiàn)表2。

表2 安置區(qū)基本情況

該安置區(qū)地勢(shì)較為平坦，地物簡(jiǎn)單，植被主要以水稻、桑樹(shù)為主，測(cè)區(qū)范圍約15 km2。測(cè)區(qū)內(nèi)有高壓輸電線穿過(guò)，但是對(duì)無(wú)人機(jī)作業(yè)的影響較小。實(shí)驗(yàn)的航測(cè)區(qū)范圍見(jiàn)圖3。

圖3 航測(cè)區(qū)范圍

在航測(cè)結(jié)束后，將無(wú)人機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)與架設(shè)基準(zhǔn)站采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入TBC軟件中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)凈化處理，得到無(wú)人機(jī)航測(cè)的數(shù)據(jù)。

4.3 航測(cè)精度分析

在精度分析中，以航測(cè)區(qū)內(nèi)20個(gè)具有明顯特征的區(qū)域作為檢查點(diǎn)，該區(qū)域的各個(gè)區(qū)域?qū)嶋H坐標(biāo)位置為已知，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 航測(cè)精度分析

通過(guò)分析表3能夠發(fā)現(xiàn)，所研究的無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)的對(duì)象位置與實(shí)際對(duì)象的位置相差較小，基本能夠保持一致，能夠較為準(zhǔn)確地獲得安置區(qū)各個(gè)對(duì)象的位置，證明所研究的方法在水庫(kù)移民安置規(guī)劃中能較為準(zhǔn)確地劃分安置區(qū)域。

4.4 效率分析

在效率分析上，主要對(duì)比兩項(xiàng)，其中一項(xiàng)為測(cè)量一般地形區(qū)域的項(xiàng)目面積的時(shí)間；另一項(xiàng)為地形復(fù)雜區(qū)域項(xiàng)目面積的測(cè)量時(shí)間。兩者都分別對(duì)大面積與小面積項(xiàng)目測(cè)量，分析在一般地形與復(fù)雜地形下各個(gè)項(xiàng)目的測(cè)量時(shí)間。其中大面積主要包含房屋面積、電桿、水泥地面、田坎、管線等，小面積如安置區(qū)林地、居民地等。其中一般地形各個(gè)項(xiàng)目的測(cè)量時(shí)間見(jiàn)圖4。

由圖4能夠發(fā)現(xiàn)，在一般地形區(qū)域下，林地、居民地等小面積項(xiàng)目測(cè)量中，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)花費(fèi)的時(shí)間較少，能夠較為快速地檢測(cè)出各個(gè)項(xiàng)目的面積。在一般地形區(qū)域下，小面積各個(gè)項(xiàng)目測(cè)量上花費(fèi)的時(shí)間較大面積項(xiàng)目測(cè)量上花費(fèi)的時(shí)間多一點(diǎn)，但是整體測(cè)量時(shí)間不超過(guò)5 min。

圖4 一般地形區(qū)域項(xiàng)目測(cè)量時(shí)間

復(fù)雜地形區(qū)域各個(gè)項(xiàng)目測(cè)量時(shí)間分析結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 復(fù)雜地形各個(gè)項(xiàng)目測(cè)量時(shí)間

通過(guò)分析圖5可知，在復(fù)雜地形上，各個(gè)項(xiàng)目的測(cè)量上花費(fèi)的時(shí)間較一般地形上各個(gè)項(xiàng)目測(cè)量上花費(fèi)的時(shí)間多一些。因?yàn)樵诘匦螐?fù)雜的情況下會(huì)增加校準(zhǔn)的時(shí)間，所以增加了一些時(shí)間，但是在幾個(gè)項(xiàng)目的測(cè)量上花費(fèi)的時(shí)間均不超過(guò)10 min?？梢?jiàn)，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)測(cè)量效率較高，即能夠提高水庫(kù)移民安置規(guī)劃效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)，完成了水庫(kù)移民安置規(guī)劃方法的設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的方法的有效性。無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)進(jìn)行移民安置規(guī)劃不但減少了資金的投入，也節(jié)省了大量時(shí)間，對(duì)于移民安置來(lái)說(shuō)具有重要意義。