天寶天鷹X100無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)

北京大學(xué)遙感與地理信息系統(tǒng)研究所 李 濱

天寶寰宇電子產(chǎn)品（上海）有限公司 宋濟(jì)宇 徐以廳

一、引 言

國際攝影測(cè)量與遙感學(xué)會(huì)（ISPRS）在1988年對(duì)攝影測(cè)量與遙感下的定義為:攝影測(cè)量與遙感乃是對(duì)非接觸傳感器系統(tǒng)獲得的影像及其數(shù)字表達(dá)進(jìn)行記錄、量測(cè)和解譯的過程，并進(jìn)而獲得自然物體和環(huán)境可靠信息的一門工藝、科學(xué)和技術(shù)。按照不同角度，可對(duì)攝影測(cè)量學(xué)進(jìn)行分類:按距離遠(yuǎn)近分有航天攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量、地面攝影測(cè)量、近景攝影測(cè)量和顯微攝影測(cè)量；按用途有地形攝影測(cè)量與非地形攝影測(cè)量；按技術(shù)處理方法分，則有模擬法攝影測(cè)量、解析攝影測(cè)量和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量。

航空攝影測(cè)量是以從飛行器上對(duì)地表面所攝得的像片為基礎(chǔ)，根據(jù)其幾何特征和物理特征進(jìn)行量測(cè)和分析，從而確定地面上物體的形狀、大小、空間位置及相互關(guān)系。目前，航空攝影測(cè)量的飛行器有航攝飛機(jī)、飛艇、氣球和無人機(jī)等。為了擴(kuò)展測(cè)量解決方案的范圍，天寶公司于2012年4月6日宣布收購比利時(shí)Gatewing公司，推出了天鷹X100無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)。該系統(tǒng)將測(cè)繪手段從地面拓展到空中，豐富了測(cè)量人員的作業(yè)手段，并能快速經(jīng)濟(jì)安全地獲取特定區(qū)域的數(shù)字圖件，豐富了天寶的測(cè)量解決方案。

二、天寶天鷹X100無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)

對(duì)測(cè)量員來說，天寶天鷹X100提供了一種新的測(cè)量技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)及測(cè)圖技術(shù)的有益補(bǔ)充，并且專注于測(cè)繪行業(yè)，其全自動(dòng)飛行控制的設(shè)計(jì)和全自動(dòng)的數(shù)據(jù)處理流程，方便了測(cè)量員的操作和使用。

1.天寶天鷹無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)的組成

天寶天鷹X100無人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)包含了硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分有固定翼飛行器、控制器、彈射架和攝影部分。天寶天鷹X100無人機(jī)的主機(jī)采用了EPP加碳纖維的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在提升了機(jī)身耐用性的同時(shí)，大大降低了自身重量。其重量不到2 kg，翼展為1 m，幾何尺寸為100 cm×60 cm×10 cm，起飛速度為55 km/h，降落速度為50 km/h，并采用機(jī)腹滑行自動(dòng)著陸方式。電臺(tái)通信距離為5～20 km，導(dǎo)航方式采用的則是GPS自主導(dǎo)航，可在操作手簿中進(jìn)行自動(dòng)航線規(guī)劃。無人機(jī)起飛后，巡航速度為75 km/h，滯空時(shí)間約45 min，作業(yè)高度為100～750 m。系統(tǒng)自帶的相機(jī)采用自動(dòng)拍照方式獲取地面影像，航片重疊率為75%。天寶天鷹X100無人機(jī)抗風(fēng)能力達(dá)到60 km/h，約為7級(jí)風(fēng)；抗雨能力為5 mm/12 h，可抗小雨。單次飛行覆蓋范圍為1.5 km2，平均每平方千米航片數(shù)量約為600張。在150 m高度飛行時(shí)可獲取地面5 cm分辨率的清晰影像（如圖1所示）。

天寶天鷹X100無人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)處理的軟件StretchoutTM，分為桌面普通版和專業(yè)版，同時(shí)天鷹X100提供了基于云服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理的云服務(wù)版。使用者可以通過將獲取的RAW格式的影像導(dǎo)入到單機(jī)的StretchoutTM進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而獲得高質(zhì)量的正射影像圖（DOM）和數(shù)字表面模型（DSM），或者通過網(wǎng)絡(luò)上載數(shù)據(jù)，利用天寶的云服務(wù)獲得上述成果。

圖1 2012年9月26日試飛獲取的影像

2.天寶天鷹無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程

天寶天鷹X100無人機(jī)的數(shù)據(jù)處理流程包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、影像分析和后處理3個(gè)部分（如圖2所示）。在距地面100～750 m的飛行高度上利用集成的數(shù)碼相機(jī)，并根據(jù)事先規(guī)劃好的航線，可獲得大量大重疊率的高分辨率RAW格式的影像，并且每條航帶上的影像都有GPS位置及飛行姿態(tài)信息。這些RAW格式的影像通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理軟件StretchoutTM制作成高質(zhì)量的正射影像圖（DOM）和準(zhǔn)確的數(shù)字表面模型（DSM），是一種有效獲取高精度數(shù)字地形模型的手段。真彩色的正射影像的像素分辨率可達(dá)5 cm（150 m高度），平面精度1個(gè)像素（5 cm）；DSM數(shù)字表面模型的點(diǎn)間距可達(dá)1個(gè)像素（5 cm），平面精度為5 cm（150 m高度），高程精度為10 cm（150 m高度）。不同地物對(duì)象的具體的處理參數(shù)詳見表1。

在獲得了DOM和DSM后，這些數(shù)據(jù)還可輸出并導(dǎo)入到天寶強(qiáng)大的攝影測(cè)量系統(tǒng)INPHO和智能化影像分析軟件eCognition中，進(jìn)行空間分析和特征提取。

圖2 天寶天鷹X100測(cè)繪系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

表1 各種不同類型目標(biāo)地物的數(shù)據(jù)處理參數(shù)

3.天寶天鷹X100無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)的特點(diǎn)

天寶天鷹X100無人機(jī)具有體積小、重量輕、集成度高、響應(yīng)速度快和作業(yè)方式靈活等特點(diǎn)。該無人機(jī)采用彈射架彈射起飛，使用者在手簿上設(shè)定好航線后，后續(xù)的起飛、數(shù)據(jù)采集和降落都是全自動(dòng)進(jìn)行。其降落方式采用的是滑行降落方式，因此天鷹X100對(duì)起飛和降落的條件的限制很小，特別適合于小區(qū)域突發(fā)事件的快速應(yīng)急反應(yīng)。

此外，高度自動(dòng)化也是天寶天鷹X100無人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)的重要特點(diǎn)。從飛行控制的全自動(dòng)，到數(shù)據(jù)處理的全自動(dòng)，使用者不需要專門的航模操作訓(xùn)練，普通測(cè)量人員即可操作硬件并最終自動(dòng)的獲得測(cè)繪成果。

三、無人機(jī)的應(yīng)用展望

由于無人機(jī)有小巧、經(jīng)濟(jì)和便捷的特點(diǎn)，在基礎(chǔ)測(cè)繪和區(qū)域土地規(guī)劃，鐵路、公路與水利等項(xiàng)目的帶狀測(cè)圖，建筑、種植園、土地復(fù)墾、三維建模、可視化、廢物處理、道路工程、管道（如石油、天然氣等）、林業(yè)、洪水、安全評(píng)估、侵蝕監(jiān)測(cè)、體積計(jì)算、研究（如地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)等）、資產(chǎn)管理、土地規(guī)劃、土地利用監(jiān)測(cè)、大型基礎(chǔ)建設(shè)及設(shè)施監(jiān)測(cè)、大型露天礦山測(cè)量、環(huán)境分析、洪水災(zāi)害評(píng)估、災(zāi)害應(yīng)急快速響應(yīng)制圖、土地確權(quán)登記，以及結(jié)合可見光、近紅外和紅外對(duì)森林植被及農(nóng)作物進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分類與統(tǒng)計(jì)等很多領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用。由于機(jī)上載荷的限制，一般只能搭載普通數(shù)碼相機(jī)，因此也給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和方法帶來了新的課題和挑戰(zhàn)。天寶公司的天鷹X100無人機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)將整合天寶現(xiàn)有的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，為行業(yè)用戶提供經(jīng)濟(jì)、便捷、安全、完整的測(cè)繪解決方案。