數(shù)學(xué)建模飛行管理問題范文

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關(guān)鍵詞:MATLAB;小型無人機(jī);實(shí)時(shí)仿真

中圖分類號(hào):V411.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):16723198(2010)01030501

1 無人機(jī)系統(tǒng)六自由度數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)無人機(jī)所受的力和力矩,以及無人機(jī)的重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等,由動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程即可求取無人機(jī)的六自由度運(yùn)動(dòng)方程。具體為:

x=Fx/m+Vyωz-Vzωy

y=Fy/m+Vzωx-Vxωz

z=Fz/m+Vxωy-Vyωx

x=[L-(Iz-Iy)ωyωz]/Ix

y=[N-(Ix-Iz)ωzωx]/Iy

z=[M-(Iy-Iz)ωxωy]/Iz

=ωysinγ+ωzcosγ

=ωx-tanθ(ωycosγ-ωzsinγ)

=(ωycosγ-ωzsinγ)/cosθ

=Vxsinθ+Vycosθcosγ-Vzcosθsinγ

=Vxcosψcosθ+Vy(sinψsinγ-cosψsinθcosγ)+Vz(sinφcosγ+cosψsinθsinγ)

=-Vxsinφcosθ+Vy(cosψsinγ+sinθsinγ)+Vz(cosψcosγ-sinψsinθsinγ)

式中,[V,α,β,ωx,ωy,ωz,θγψ,x,H,z]T分別表示空速、迎角、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)/偏航/俯仰角速率、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角、縱向位移、高度、側(cè)向位移。

2 無人機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要由仿真計(jì)算機(jī)、飛行控制器、飛機(jī)傳感器、飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)和接口設(shè)備等組成。其中仿真計(jì)算機(jī)主要對(duì)無人機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和仿真結(jié)果進(jìn)行可視化輸出,并進(jìn)行相應(yīng)的處理。因此,仿真計(jì)算機(jī)包括運(yùn)動(dòng)學(xué)解算計(jì)算機(jī)、視景仿真計(jì)算機(jī)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、接口通訊計(jì)算機(jī)等。各仿真計(jì)算機(jī)可以通過網(wǎng)絡(luò)連接來相互通訊。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)為MATLAB RTW系統(tǒng)。RTW是MATALB軟件的重要組成部分。RTW與MATLAB可以實(shí)現(xiàn)無縫連接,既滿足了設(shè)計(jì)這在系統(tǒng)概念與方案設(shè)計(jì)等的需求,也為系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)或完成不同功能的系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作實(shí)驗(yàn)提供了方便,并且為并行工程的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了一個(gè)良好的環(huán)境。本文采用的是xPC Target方案,xPC Target是RTW的附加產(chǎn)品,它是一種“雙機(jī)型”的解決途徑,即xPC Target需要使用兩臺(tái)PC機(jī),其中宿主機(jī)用于運(yùn)行Simulink,而目標(biāo)機(jī)則用于執(zhí)行所生成的代碼。目標(biāo)PC機(jī)運(yùn)行了一個(gè)高度緊縮型的實(shí)時(shí)操作內(nèi)核,該實(shí)時(shí)操作內(nèi)核采用了32位保護(hù)模式,通過以太網(wǎng)絡(luò)連接或串口線連接來實(shí)現(xiàn)宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間的通信。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

本文采用的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成:

(1)實(shí)時(shí)仿真機(jī):主要用來模擬飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

(2)飛行控制器:實(shí)現(xiàn)飛行管理及控制。

(3)傳感器:陀螺、高度表、磁航向計(jì)等。

(4)飛行轉(zhuǎn)臺(tái):復(fù)現(xiàn)無人機(jī)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。

(5)接口設(shè)備:高速串口板、FO板卡、網(wǎng)卡。

(6)支持服務(wù)系統(tǒng):顯示、記錄、文檔等軟硬件。

系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)為:

上圖中詳細(xì)的描述了飛控實(shí)時(shí)仿真的結(jié)構(gòu)。仿真系統(tǒng)的工作流程為:由仿真計(jì)算機(jī)控制半實(shí)物仿真過程的進(jìn)行,在給定初始條件及模型參數(shù)后,半實(shí)物仿真開始,仿真計(jì)算機(jī)解算無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程,解算完畢即將有關(guān)狀態(tài)信號(hào)輸出給飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)。飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)接受飛機(jī)姿態(tài)信號(hào)后,復(fù)現(xiàn)飛機(jī)的姿態(tài)運(yùn)動(dòng),放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上的垂直陀螺和傳感器感受飛機(jī)的姿態(tài)及其變化,飛行控制器由此產(chǎn)生控制信息控制舵機(jī),最后,舵角傳感器將舵角信號(hào)傳給仿真計(jì)算機(jī)。仿真結(jié)果可以通過網(wǎng)絡(luò)與PC機(jī)實(shí)時(shí)通訊,由PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示各狀態(tài)變化曲線,也可以通過投影儀顯示無人機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。

參考文獻(xiàn)

[1]姚俊,馬松輝.Simulink建模與仿真[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

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[關(guān)鍵詞]航空模型；航拍技術(shù)；景觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]TU986 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [DOI]10.3969/j.issn.1009-3729.2014.01.019

國內(nèi)對(duì)景觀評(píng)價(jià)的研究主要在美學(xué)、生態(tài)學(xué)和地理學(xué)領(lǐng)域展開，其研究大致可分為3種類型，即基于藝術(shù)欣賞和批評(píng)視野的美學(xué)評(píng)價(jià)、基于生態(tài)學(xué)的景觀生態(tài)評(píng)價(jià)與基于地理學(xué)的景觀空間評(píng)價(jià)。無論哪種類型的景觀評(píng)價(jià)，其結(jié)果的效度都與被評(píng)價(jià)對(duì)象資料的搜集程度有關(guān)。對(duì)一般景觀項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、管理、資源評(píng)價(jià)與影響評(píng)價(jià)來說，鳥瞰是獲取評(píng)價(jià)對(duì)象全局性信息的最有效手段和形式。就鳥瞰圖的研究和實(shí)際應(yīng)用來看，獲取這種全局信息的方式有3種。一是衛(wèi)星的遙感監(jiān)測(cè)。在一般景觀項(xiàng)目的評(píng)價(jià)中，人們最熟知的衛(wèi)星遙感形式為Google Maps技術(shù)。隨著其精度的提高和地圖資料的豐富，它越來越成為景觀評(píng)價(jià)中一種獲得鳥瞰性全局資料的低成本方式。但是，因受地面GPS控制網(wǎng)的設(shè)置精度和地面衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理的時(shí)間限制，有些區(qū)域缺少必要的地形資料或者地形資料精度不夠，從而影響了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。二是人在低空飛行的飛機(jī)上航拍、航攝和航測(cè)。這種傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以對(duì)對(duì)象進(jìn)行自主選擇和實(shí)時(shí)觀測(cè)，技術(shù)成熟。但運(yùn)營成本高，著陸點(diǎn)要求高，不宜用于面積相對(duì)較小或日常性的景觀項(xiàng)目評(píng)價(jià)。三是地面評(píng)價(jià)與測(cè)量數(shù)據(jù)的3D虛擬呈現(xiàn)。對(duì)地面評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)的三維建模和場(chǎng)景模擬，可以用來對(duì)景觀對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示或全局評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)水平的提高，這種依托計(jì)算機(jī)圖形圖像應(yīng)用軟體的評(píng)價(jià)方法，已經(jīng)成為景觀評(píng)價(jià)的主流方式之一。其不足之處在于，地形評(píng)價(jià)和測(cè)繪費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不能對(duì)景觀對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)和評(píng)價(jià)，對(duì)附著于地形之上的景觀元素形態(tài)和演化缺少有效的表述。而近十多年，隨著民用無人機(jī)技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)及數(shù)字微波通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，以無人機(jī)為平臺(tái)對(duì)景觀項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)已成為一種新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)在于：具有快速而機(jī)動(dòng)的響應(yīng)能力，高分辨率和高精度的數(shù)據(jù)定位能力，低廉的運(yùn)營成本。[1]但是，由于我國《通用航空飛行管制條例》（2003 年5月1 日起施行）規(guī)定，將無人機(jī)用于民用業(yè)務(wù)飛行時(shí)，須按照通用航空飛行管理，這樣就限制了無人機(jī)在景觀評(píng)價(jià)中的實(shí)際應(yīng)用。航空模型在搭載能力、滯空能力、長航時(shí)都有了很大改善，為景觀評(píng)價(jià)技術(shù)革新提供了一種新策略，從而帶來了景觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)的新變化。本文擬構(gòu)建一種基于航模航拍技術(shù)的景觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以期豐富景觀評(píng)價(jià)的方式方法。

一、航拍技術(shù)對(duì)景觀評(píng)價(jià)的作用機(jī)理

1.景觀評(píng)價(jià)的函數(shù)模型

景觀評(píng)價(jià)是人們對(duì)景觀對(duì)象做出的合乎特定目的或標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性知覺判斷。其內(nèi)涵包含2個(gè)層面：一是對(duì)景觀對(duì)象的判斷過程；二是綜合觀察、計(jì)算、咨詢和評(píng)估方法的復(fù)雜分析過程。我們知道，景觀評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)隨著評(píng)價(jià)主體、評(píng)價(jià)客體、評(píng)價(jià)方式或技術(shù)方法的不同而發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，是一個(gè)變量集合。因此，若設(shè)定景觀評(píng)價(jià)結(jié)果這一變量為f（ER）、景觀評(píng)價(jià)主體這一變量為f（LE）、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)這一變量為f（ES）、評(píng)價(jià)技術(shù)與方法這一變量為f（MT）、評(píng)價(jià)客體這一變量為f（ET），則景觀評(píng)價(jià)的函數(shù)模型就可表述為：f（ER）=∑（f（LE），f（ES），f（MT），f（ET））。自1960年代以來，景觀評(píng)價(jià)逐漸形成4大學(xué)派，即專家學(xué)派、心理物理學(xué)派、認(rèn)知學(xué)派和經(jīng)驗(yàn)學(xué)派。基于4個(gè)學(xué)派的景觀評(píng)價(jià)呈現(xiàn)出3種類型。（1）側(cè)重對(duì)景觀對(duì)象，即評(píng)價(jià)客體變量f（ET）的詳細(xì)描述，強(qiáng)調(diào)景觀美存在于客觀景觀之中，認(rèn)為評(píng)價(jià)結(jié)果依賴于專家對(duì)景觀對(duì)象描述的程度。（2）側(cè)重對(duì)景觀評(píng)價(jià)主體變量f（LE）的研究，強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)主體心理偏好對(duì)景觀評(píng)價(jià)結(jié)果的作用。（3）將景觀評(píng)價(jià)主體和客體這2個(gè)變量結(jié)合起來，將公眾平均審美度的測(cè)量結(jié)果與景觀對(duì)象的景觀構(gòu)成分析結(jié)果對(duì)應(yīng)起來，建立兩組變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將這種對(duì)應(yīng)關(guān)系作為景觀評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。[2]然而，對(duì)于微觀層面上的任意一個(gè)具體景觀評(píng)價(jià)實(shí)踐來說，這就意味著已經(jīng)建立起了相對(duì)固定的景觀評(píng)價(jià)主體和客體的函數(shù)關(guān)系，依托于主客體的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也已固定下來。這樣一來，景觀評(píng)價(jià)結(jié)果就取決于評(píng)價(jià)技術(shù)與方法這一變量。也就是說，獲得評(píng)價(jià)對(duì)象的信息越是全面、準(zhǔn)確，評(píng)價(jià)結(jié)果的效度也就越高。

2.航拍技術(shù)的作用機(jī)理

正是基于上述結(jié)論，人們?cè)趯?duì)景觀做出評(píng)價(jià)的時(shí)候總是努力進(jìn)行評(píng)價(jià)技術(shù)的革新，也正是由于這個(gè)原因，當(dāng)航空器的發(fā)明改變了人們的觀賞視角以后，空中觀測(cè)和空中拍攝就成為一種廣泛采用的景觀資源評(píng)價(jià)技術(shù)。雖然空中飛行載體由飛機(jī)發(fā)展到無人機(jī)、航模飛機(jī)，傳統(tǒng)航空拍攝技術(shù)也發(fā)展到了數(shù)碼航空攝影，但是，航空拍攝技術(shù)對(duì)景觀評(píng)價(jià)過程的作用原理還是一致的。航空拍攝技術(shù)給人們的觀察方法帶來了3個(gè)方面的變化：一是俯視觀察的角度，易于全局性觀測(cè)，能提供景觀對(duì)象的整體性評(píng)價(jià)；二是借用機(jī)載平臺(tái)進(jìn)行空中動(dòng)態(tài)觀察，易于人們對(duì)景觀對(duì)象的四維空間整體評(píng)價(jià)；三是能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)觀測(cè)，更加靈敏地把握景觀評(píng)價(jià)的時(shí)機(jī)。隨著圖形圖像傳遞技術(shù)的發(fā)展，即時(shí)性的景觀俯視觀測(cè)成為可能。上述這些觀察方法的變化直接帶來了新的景觀評(píng)價(jià)結(jié)果，進(jìn)而將景觀俯視觀測(cè)作為景觀評(píng)價(jià)的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步作用于景觀評(píng)價(jià)過程（其機(jī)理如圖1所示）。

二、基于航模航拍技術(shù)的景觀評(píng)價(jià)系統(tǒng)構(gòu)建

一般來說，對(duì)景觀對(duì)象的評(píng)價(jià)遵照如下程序來進(jìn)行：景觀評(píng)價(jià)對(duì)象的確定景觀評(píng)價(jià)樣本的抽取與數(shù)據(jù)獲取景觀數(shù)據(jù)的處理數(shù)據(jù)參數(shù)的評(píng)價(jià)分析。而將航空模型作為平臺(tái)，采用航拍技術(shù)來進(jìn)行景觀評(píng)價(jià)時(shí)，這一程序就可以描述為：地面固定參照系統(tǒng)圖形圖像采集系統(tǒng)圖形圖像傳輸系統(tǒng)圖形圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)分析與構(gòu)建系統(tǒng)。由機(jī)模型采用遙控飛行，模型飛機(jī)的飛行姿態(tài)和照相機(jī)、攝像機(jī)的控制水平直接決定了獲取景觀評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)據(jù)的效度，因此，控制系統(tǒng)是上述評(píng)價(jià)程序得以順利實(shí)施的關(guān)鍵和保證。上述程序和系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

1.地面固定參照系統(tǒng)

照相機(jī)的成像原理告訴我們，要想獲得高精度的航拍影像或照片，在硬件條件相對(duì)固定的條件下，最有效的方法就是降低飛行高度。但是，這樣一來景觀圖像的幅度勢(shì)必會(huì)縮小，要獲得景觀對(duì)象有價(jià)值的全景資料就需要將N幅影像或照片進(jìn)行拼接。而需要強(qiáng)調(diào)的是，航拍的圖片或影像與頂視圖雖然

圖1航拍技術(shù)對(duì)景觀評(píng)價(jià)的作用機(jī)理

圖2基于景觀評(píng)價(jià)程序的航拍技術(shù)系統(tǒng)工作原理

非常接近，但是圖幅會(huì)呈現(xiàn)出不同的透視變形，這就為圖像拼接帶來了較大的難度。如果不對(duì)地面的起飛點(diǎn)和控制點(diǎn)進(jìn)行合理的編碼，勢(shì)必給圖像后期處理帶來很大麻煩。

正是基于上述原因，筆者提出建立地面固定參照系統(tǒng)來解決這一問題，其基本步驟是：首先在地面或者地下預(yù)先設(shè)定一些參照點(diǎn)，憑借直升機(jī)模型的垂直起飛特性來獲得相對(duì)固定的景觀圖像；其次，在同一時(shí)間同一參照點(diǎn)上進(jìn)行多次拍攝和測(cè)量，獲取同一區(qū)域或點(diǎn)的N幅圖像和數(shù)據(jù)；最后，分析圖像的偏移和誤差，采用數(shù)學(xué)平均的方法獲得相對(duì)精確的圖形或數(shù)據(jù)。將不同時(shí)間同一參照點(diǎn)的拍攝圖像進(jìn)行比對(duì)，可以很好地進(jìn)行景觀對(duì)象的監(jiān)測(cè)，適宜于景觀對(duì)象的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。為此，筆者將這一系統(tǒng)分為地面固定參照物系統(tǒng)和參照點(diǎn)坐標(biāo)與編碼系統(tǒng)。前者是由地面人為設(shè)置或自然具有的代表性參照物組成，后者是由每個(gè)參照物的坐標(biāo)和標(biāo)高數(shù)據(jù)及各參照點(diǎn)的序號(hào)編碼組成。依據(jù)對(duì)景觀資料精度的要求不同，上述固定參照系統(tǒng)又表現(xiàn)為2種不同形式：地面主要標(biāo)志點(diǎn)參照和地面網(wǎng)格定點(diǎn)參照，如圖3所示。

前者適宜獲得相對(duì)自由的圖像資料，可滿足人們對(duì)景觀對(duì)象的直觀審美評(píng)價(jià)；后者適合獲得高精度的航拍數(shù)據(jù)資料，用于景觀對(duì)象的理性分析評(píng)價(jià)。

2.圖形圖像采集系統(tǒng)

簡單來說，圖形圖像采集就是將攝影或攝像設(shè)備裝載于空中飛行平臺(tái)上，對(duì)地面進(jìn)行空中觀測(cè)或拍攝。這一系統(tǒng)由航空模型系統(tǒng)、攝影與攝像設(shè)備系統(tǒng)和云臺(tái)設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成。采集數(shù)據(jù)的精度依賴于航空模型系統(tǒng)和攝影與攝像裝備系統(tǒng)的性能。航空模型的飛行穩(wěn)定性、平衡性、易操控性、搭載能力和滯空時(shí)間越好，數(shù)據(jù)的精度也就越高；攝影與攝像器材的設(shè)備重量、有效像素、傳感器、水平解析度等參數(shù)越好，數(shù)據(jù)的精度也就越高。航模航拍實(shí)踐表明，獲得穩(wěn)定且高質(zhì)量的圖形圖像資料的關(guān)鍵，在于航模處于動(dòng)態(tài)飛行過程時(shí)攝影攝像器材性能的發(fā)揮程度，也就是說這兩者的匹配與協(xié)調(diào)程度。

從采集數(shù)據(jù)的最終應(yīng)用來看：一是用來對(duì)景觀對(duì)象進(jìn)行直觀、動(dòng)態(tài)觀測(cè)與分析；二是用來做景觀設(shè)計(jì)與規(guī)劃的成果表現(xiàn)內(nèi)容或素材。前者的基本原理是：航模在飛行過程中，不斷對(duì)景觀對(duì)象進(jìn)行拍攝，并實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛骘@示設(shè)備上，以供評(píng)價(jià)者使用。只要將攝影設(shè)備有效固定在航空模型上，通過操控

圖3地面固定參照系統(tǒng)示意圖

飛機(jī)模型的飛行姿態(tài)來獲得資料即可，資料精度主要依賴于圖像設(shè)備的拍攝性能。后者的基本原理則是：從景觀規(guī)劃和設(shè)計(jì)的要求出發(fā)，通過航空模型的懸停和攝影攝像器材的固定，來獲得更為穩(wěn)定的拍攝姿態(tài)，通過GPS定位、地面參照系統(tǒng)定位、高度氣壓計(jì)定位、紅外線測(cè)距等，來確定飛行坐標(biāo)和高程，然后將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以作為景觀分析或地形繪制與設(shè)計(jì)的依據(jù)。就筆者和課題組進(jìn)行的航模航拍試驗(yàn)來說，比較有效的方法是：利用直升機(jī)模型（特別是四旋翼直升機(jī)模型）的懸停性能，將裝載有高度氣壓計(jì)、紅外測(cè)距儀、數(shù)碼相機(jī)等的云臺(tái)設(shè)備固定在航模上，利用設(shè)備獲得不同地面坐標(biāo)點(diǎn)的同一高度的圖形圖像數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)處理后作為景觀分析或測(cè)量的依據(jù)。

3.圖形圖像傳輸系統(tǒng)

受航空模型的承載力限制，圖形圖像傳輸設(shè)備系統(tǒng)要具備性能好、重量輕、體積小、模塊化的特點(diǎn)。圖像和數(shù)字等信號(hào)的傳輸被認(rèn)為是無人機(jī)航空作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。[3]圖形圖像傳輸系統(tǒng)由圖像發(fā)射、圖像接收、計(jì)算機(jī)和傳輸指令系統(tǒng)4個(gè)部分組成，旨在同步接收攝像頭所拍攝的景觀對(duì)象頂視圖，滿足人們對(duì)景觀場(chǎng)地的測(cè)繪或評(píng)價(jià)需要。在這個(gè)系統(tǒng)中，地面人員可以借助遙控系統(tǒng)控制航模的飛行姿態(tài)，來及時(shí)調(diào)整拍攝角度，確保獲得優(yōu)質(zhì)的場(chǎng)地鳥瞰圖，然后將有價(jià)值的圖形圖像儲(chǔ)存起來，或者采用計(jì)算機(jī)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給其他用戶。

目前，無線影音傳輸系統(tǒng)技術(shù)成熟，產(chǎn)品種類繁多。筆者和課題組的航模航拍試驗(yàn)中采用的是FPV 5.8G 2000mW 航拍無線圖傳系統(tǒng)。該系統(tǒng)由8頻道2000MW發(fā)射機(jī)和8頻道接收機(jī)組成，作為一款專業(yè)FPV航拍無線圖傳設(shè)備，系統(tǒng)工作頻率為5645～5954MHz ISM頻段，體積小、功耗低、重量輕，以無線、同步傳輸圖像信號(hào)和音頻信號(hào)，所獲得的圖像實(shí)時(shí)、連續(xù)、無失真，其空曠傳輸距離達(dá)到8公里以上。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能較好地滿足景觀評(píng)價(jià)的航拍需要。

4.航模航拍控制系統(tǒng)

航模航拍控制包括模型飛機(jī)的飛行控制、航拍器材的拍攝控制和航空拍攝數(shù)據(jù)的傳輸控制。按控制指令發(fā)出主體的不同，航拍控制又可以分為地面遙控控制和航模自動(dòng)控制2種類型。受航空模型飛機(jī)體積小、承載力小的限制，無人機(jī)航拍控制系統(tǒng)通常由控制設(shè)備系統(tǒng)和控制軟件系統(tǒng)組成。控制設(shè)備由地面控制設(shè)備和機(jī)載控制設(shè)備組成，機(jī)載控制設(shè)備又由飛行控制設(shè)備和拍攝控制設(shè)備構(gòu)成。無人機(jī)應(yīng)用的控制設(shè)備具有小型化、集成化、重量輕、性能好的特點(diǎn)。比如，恩施州宏圖勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司生產(chǎn)的NCG―1型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)包含了機(jī)載飛控、地面站、通訊設(shè)備，使用簡單方便，控制精度高。[4]美國AP40自動(dòng)駕駛儀集成了所有傳感器和GPS接收機(jī)，主板尺寸75 mm×40 mm×25 mm，總重30 g。控制軟件系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)人與機(jī)、機(jī)與機(jī)之間控制指令發(fā)出和接受的接口，通常分為嵌入式控制軟件系統(tǒng)和地面站系統(tǒng)軟件系統(tǒng)。前者實(shí)現(xiàn)飛行航線監(jiān)測(cè)與控制、飛行姿態(tài)解算與穩(wěn)定、航跡偏差校正、數(shù)碼相機(jī)控制、飛行數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)接口測(cè)控、模塊狀態(tài)檢測(cè)、意外情況處理等功能；而后者主要實(shí)現(xiàn)飛行前的航拍任務(wù)與航路規(guī)劃，實(shí)時(shí)顯示飛行區(qū)域航拍數(shù)據(jù)、飛行參數(shù)、航跡與航向等參數(shù)，航拍與飛行任務(wù)調(diào)整與控制等功能。需要特別指出的是，運(yùn)用航模航拍的技術(shù)手段對(duì)景觀對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，上述控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要靠功能強(qiáng)大的控制系統(tǒng)套件完成，只要按照任務(wù)要求操控好控制軟體即可。

5.圖形圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

對(duì)景觀場(chǎng)地的景觀評(píng)價(jià)通常有3個(gè)用途：一是用于景觀資源評(píng)價(jià)，即對(duì)景觀對(duì)象進(jìn)行的景觀元素分析和美景度測(cè)量；二是用于景觀對(duì)象的日常監(jiān)控與管理；三是用于景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)中的景觀分析和地形設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。在景觀評(píng)價(jià)和景觀設(shè)計(jì)過程中，需要將航拍搜集的資料轉(zhuǎn)化為3種形式，即影像、位圖、矢量圖。人們將景觀資源評(píng)價(jià)、景觀監(jiān)控形式又分為直觀觀察和理性分析2種。當(dāng)航拍的影像或者優(yōu)質(zhì)照片被用于直觀評(píng)價(jià)時(shí)，數(shù)據(jù)的處理可以簡化為符合地面參照系統(tǒng)的資料過濾；當(dāng)航拍資料用于理性分析時(shí)，航拍數(shù)據(jù)的處理系統(tǒng)主要由位圖拼接系統(tǒng)和矢量圖構(gòu)建系統(tǒng)組成。

（1）位圖拼接處理

獲得高分辨率景觀圖像的途徑：一個(gè)是提高攝像器材的精度，另一個(gè)是降低飛行高度，而降低飛行高度帶來的一個(gè)必然結(jié)果就是圖像尺幅變小。為了對(duì)景觀對(duì)象進(jìn)行全局觀測(cè)與評(píng)價(jià)，就需要將這些單幀圖像進(jìn)行合理拼接。由于事先在地面上確立了地面固定參照系統(tǒng)，且運(yùn)用直升機(jī)模型的懸停技術(shù)進(jìn)行航拍，因此只要使飛行器在高度氣壓計(jì)的引導(dǎo)下按照相同的絕對(duì)高度進(jìn)行拍攝，并使相鄰圖像之間產(chǎn)生重疊，然后運(yùn)用Photoshop軟件進(jìn)行圖像處理，就可以得到相對(duì)準(zhǔn)確的全景圖像。另外，也可以將這些圖像打印出來后進(jìn)行裁剪拼貼，然后蒙上硫酸紙對(duì)其進(jìn)行拷貝，在繪制過程中確定好主要的特征點(diǎn)，并適度進(jìn)行變換處理。運(yùn)用這些簡易的拼接方法完成的圖像，能滿足景觀元素識(shí)別、景觀植物長勢(shì)分析、景觀空間衍變、景觀生態(tài)變化、景觀邊界數(shù)字化的基本要求。但是，要想獲得較為精確的航拍全景圖像，就不得不用到圖像配準(zhǔn)技術(shù)。其基本原理就是將同一場(chǎng)景在不同拍攝條件下的兩幅有重疊區(qū)域的圖像進(jìn)行處理，從幾何上校準(zhǔn)參考圖像和待配準(zhǔn)圖像，用數(shù)學(xué)描述將一個(gè)圖像像素的坐標(biāo)系X映射到一個(gè)新坐標(biāo)系Y中，并對(duì)其像素重新采樣配準(zhǔn)。[5]將這種圖像配準(zhǔn)算法應(yīng)用到圖像處理軟件和程序中后，人們便可獲得較為精確的全景圖像。比如，在PhotoshopCS2.0以后的版本加入圖片自動(dòng)拼接的模塊，輸入“文件（File）自動(dòng)（Automate）照片合并（Photomerge）”的命令，就可以輕松實(shí)現(xiàn)圖片的拼接功能了。像Canon PhotoStitch 3.1、Autostitch 2.185等都是功能強(qiáng)大的照片拼接程序。

（2）數(shù)據(jù)矢量化處理

矢量圖構(gòu)建系統(tǒng)又分為景觀場(chǎng)地平面矢量圖構(gòu)建系統(tǒng)和三維場(chǎng)地矢量圖構(gòu)建系統(tǒng)2種類型。前者的基本步驟是：首先，將航拍所獲得的優(yōu)質(zhì)頂面圖進(jìn)行剪切后保存為位圖文件，并將其導(dǎo)入AutoCAD軟件當(dāng)中，建立好單位和襯底圖層；然后，選擇畫面上典型參照點(diǎn)間的距離進(jìn)行測(cè)量，并和實(shí)際場(chǎng)地上對(duì)應(yīng)參照點(diǎn)間測(cè)量距離相對(duì)比，求出比例；最后，運(yùn)用參照縮放命令，對(duì)光柵圖像進(jìn)行1GA6FA1縮放，隨后進(jìn)行線條描繪，從而獲得平面化的矢量圖。[6]這種矢量圖的最大不足就是缺少景觀地形的豎向參數(shù)，但是為一般的景觀平面分析和設(shè)計(jì)提供了便利。后者的基本步驟是：首先，將高度氣壓計(jì)、激光測(cè)距儀借用云臺(tái)設(shè)備固定在直升機(jī)模型上，選擇地面固定的參照點(diǎn)，用高度氣壓計(jì)獲得該點(diǎn)的絕對(duì)高度，激光測(cè)距儀獲得該點(diǎn)的相對(duì)高度，將絕對(duì)高度減去相對(duì)高度求出該點(diǎn)的地形標(biāo)高；其次，將地面固定參照點(diǎn)的X、Y和地形標(biāo)高數(shù)據(jù)Z輸入Surfer軟件之中，運(yùn)用軟件的等高線命令創(chuàng)建一個(gè)基于地面固定參考點(diǎn)系統(tǒng)的等高線圖；最后，建構(gòu)三維空間的矢量圖形。

6.評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)分析與構(gòu)建系統(tǒng)

景觀評(píng)價(jià)作為人們對(duì)景觀對(duì)象的一種知覺判斷，其結(jié)果往往會(huì)受到景觀評(píng)價(jià)參數(shù)的制約。也就是說，評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)系統(tǒng)構(gòu)建得越完善、越科學(xué)，人們所獲得的景觀評(píng)價(jià)結(jié)果也就越正確。為此，景觀評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)的構(gòu)建至少應(yīng)考慮以下3個(gè)方面：一是景觀評(píng)價(jià)主體對(duì)景觀對(duì)象的偏好參數(shù)指標(biāo)。也就是說哪些景觀元素能引起評(píng)價(jià)主體的審美判斷，以及什么樣的審美判斷。二是景觀對(duì)象的元素組成、景觀空間形態(tài)、組織類型、景觀結(jié)構(gòu)等參數(shù)指標(biāo)。三是景觀對(duì)象的客觀參數(shù)指標(biāo)和景觀評(píng)價(jià)主體的偏好參數(shù)指標(biāo)結(jié)合后形成的選擇性評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)。參數(shù)指標(biāo)系統(tǒng)通常由參數(shù)系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)判斷系統(tǒng)組成。前者是影響評(píng)價(jià)結(jié)果的主要指標(biāo)，參數(shù)內(nèi)容要具有代表性、典型性、全面性和客觀性；后者則是將這些參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行量化，以確定不同參數(shù)數(shù)值對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果，便于人們依據(jù)指標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行景觀對(duì)象的定性評(píng)價(jià)。一旦在航拍技術(shù)的基礎(chǔ)上編制完成特定景觀項(xiàng)目的評(píng)價(jià)參數(shù)指標(biāo)系統(tǒng)，接下來要做的就是將不同時(shí)間拍攝的影像資料進(jìn)行對(duì)比分析，把結(jié)果填入?yún)?shù)指標(biāo)系統(tǒng)，以獲得對(duì)象的景觀評(píng)價(jià)。這種比對(duì)方法用在景觀對(duì)象的管理維護(hù)和監(jiān)控中非常有效。而對(duì)于不同的景觀對(duì)象來說，由于人們對(duì)景觀對(duì)象的判斷標(biāo)準(zhǔn)體系具有相對(duì)穩(wěn)定性的特點(diǎn)，所以該指標(biāo)體系的價(jià)值主要在于參考作用。如果將這種指標(biāo)系統(tǒng)和邏輯判斷編制成特定的應(yīng)用程序，就可以簡便而高效地完成景觀評(píng)價(jià)參數(shù)的自動(dòng)比對(duì)與判定。

三、結(jié)語

航空模型（尤其是直升機(jī)模型）具有以下突出特點(diǎn)：可以垂直起飛，易于景觀場(chǎng)地的定位；體積小、飛行靈活，一定的承載力能滿足日益小型化的照相、攝像器材和發(fā)射器的要求；起飛不受場(chǎng)地地形限制，便于地面人員的操控和地形匹配；價(jià)格低、可重復(fù)使用，大大降低飛行與測(cè)控成本。正是基于上述原因，1980年代以來，航空模型由航空模型比賽的競(jìng)技領(lǐng)域拓展到了景觀規(guī)劃、城市規(guī)劃、文物保護(hù)、資源評(píng)價(jià)、生態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域。在景觀對(duì)象的評(píng)價(jià)中，特別是對(duì)景觀資源的監(jiān)控性評(píng)價(jià)來說，將航空模型和航空攝影技術(shù)結(jié)合起來進(jìn)行景觀鳥瞰數(shù)據(jù)的獲取，借用圖形與圖像軟件技術(shù)，可以獲得更全面、準(zhǔn)確的分析結(jié)果，更容易獲得正確的景觀評(píng)價(jià)。特別是隨著數(shù)碼攝影與照相技術(shù)、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、遙感控制技術(shù)、模型飛機(jī)動(dòng)力技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展，航空模型在景觀評(píng)價(jià)中一定會(huì)發(fā)揮更大的作用。

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