無人機數(shù)字航攝系統(tǒng)的快速測繪與應用

李國順 王太坤

(濮陽市國土資源局，河南 濮陽 457000)

近幾年來，隨著經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，地表形態(tài)發(fā)生著劇烈變化，迫切需要實現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的快速獲取與實時更新。無人機數(shù)字航攝系統(tǒng)是快速獲取地理信息的重要技術手段，是測制和更新國家地形圖及地理信息數(shù)據(jù)的重要資料源，在應急數(shù)據(jù)獲取和小區(qū)域低空測繪方面有著廣闊的應用前景，起著不可替代的作用。

1 無人機低空遙感技術概述

無人機遙感系統(tǒng)是以無人駕駛飛行器為飛行平臺，負載數(shù)碼相機、數(shù)碼攝錄機等數(shù)字遙感設備進行拍攝和記錄，通過遙感數(shù)據(jù)處理技術進行影像的同步傳輸，以實現(xiàn)對地理信息的調(diào)查與監(jiān)測，具有自動化、智能化、專用化快速獲取國土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應用分析的技術。

1.1 科學選擇無人機

目前，世界上30 余個國家和地區(qū)已研制出50 多種無人機，無人機型號超過300 余種。在我們國家已有多家單位成功研制出無人機攝影測量系統(tǒng)及后期數(shù)據(jù)處理平臺，如“Quick-Eye”、“華鷹”、“飛象”等。在具體實測中，應根據(jù)不同的區(qū)域、不同的地貌和飛行高度選擇作業(yè)參數(shù)不同的飛行平臺，如“智能鳥”、“飛象”等產(chǎn)品適合在平原地帶的中小城鎮(zhèn)，可以完成飛行高度要求不高的林業(yè)和草場監(jiān)測、海洋環(huán)境監(jiān)測、污染源及擴散態(tài)勢監(jiān)測、土地利用監(jiān)測以及水利、電力等領域的測制任務;在一些大城市尤其是險峻的山區(qū)，由于城市構(gòu)建物較高，山區(qū)山勢陡峭、起伏懸殊，地形地貌復雜，需要飛行高度較高、空速較大的無人機。如由中國科學院遙感應用研究所研發(fā)面市的“QuickEye”無人機，機長2.3 米，翼展3 米，機高0.5米，適用相機CanonEOS5D 以上，最大燃油量9L，最大起飛重量28kg，最大任務載荷8kg。其主要作業(yè)參數(shù)見下表:

表1 “QuickEye”無人機主要作業(yè)參數(shù)

該產(chǎn)品可通過在空中的俯臥、橫滾、偏航等技術完成礦山資源監(jiān)測、單體滑坡勘查、火山環(huán)境監(jiān)測等飛行任務。

1.2 合理設置傳感器和分辨率

傳感器作為航攝系統(tǒng)的核心部件，起著至關重要的作用。目前數(shù)碼相機的影像傳感部件有兩種:一種是廣泛使用的CCD(電荷藕合)元件;另一種是CMOS(互補金屬氧化物導體)器件。從工作原理看，CCD 的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復雜，成本居高不下;CMOS 價格比CCD 便宜，但是CMOS 器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD 來說要低一些。因此，必須根據(jù)工作需求，科學設置傳感器和分辨率，確定航拍高度，獲取理想、滿意的成果圖。成圖比例尺、航高、分辨率三者關系如下圖:

成圖比例尺、航高、精度關系參數(shù)

關于精度，還應對成果數(shù)據(jù)進行檢查，抽取一定比例的最終成果進行平面精度、高程精度檢測，間距中誤差丈量統(tǒng)計以及圖面巡視檢查，看地形圖的數(shù)學精度、地理精度是否符合要求;圖面內(nèi)容清晰性、地物地貌取舍度是否符合規(guī)范和設計要求等。

1.3 影像處理軟件

可采用中國測繪科學院的MAP-AT 軟件或者武漢大學開發(fā)的DPGrid 低空航測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件處理無人機影像，或使用其他遙感影像處理軟件進行后期處理，生成相應的數(shù)字正射影像及所需產(chǎn)品。但因數(shù)碼相機不是攝影測量的專業(yè)相機，拍攝到的數(shù)字圖像存在光學畸變誤差，像點坐標需要進行畸變差改正，自用像對中的同名點生成DEM(數(shù)字地面模型)，由DEM 可制作正射影像圖(DOM)，在制作過程中還需加入像控點，才能生成所需的正射影像圖。

1.4 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)軟件在無人機飛行前進行航線規(guī)劃，在飛行過程中要顯示飛行區(qū)域的航跡、電子地圖以及飛行參數(shù)和飛機的姿態(tài)參數(shù)。飛行過程中，所有飛行參數(shù)和導航數(shù)據(jù)可實時下傳，操作者可在地面計算機上監(jiān)視飛行狀態(tài)，并根據(jù)航跡規(guī)劃和路徑調(diào)整來控制各種任務的執(zhí)行。

1.5 我國無人機遙感系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)新華社統(tǒng)計，目前各地測繪地理信息部門已裝備無人飛機80 余架，初步建立起一個60 余支、遍布全國的無人飛機航攝系統(tǒng)低空遙感影像獲取服務網(wǎng)絡，舉辦無人飛機航攝系統(tǒng)技術與標準培訓班880 余人次，累計飛行超過900 架次，飛行950 余小時，獲取影像數(shù)據(jù)45 萬余張。在青海玉樹地震、貴州關嶺特大型滑坡、云南怒江滑坡和泥石流災害、云南盈江地震等重大自然災害事件的應急救災中發(fā)揮了重要作用。

2 無人機低空遙感的優(yōu)點

無人機是通過無線電遙控設備或機載計算機程控系統(tǒng)進行操控的不載人飛行器，目前已成為世界各國爭相研究的熱點課題，逐步從研究開發(fā)發(fā)展到實際應用階段，成為未來的主要航空遙感技術之一。

2.1 應用簡便靈活，易于操作。能通過地面運輸能夠快速到達監(jiān)測區(qū)域，具有快速的機動響應能力;升空準備時間短，起飛比較方便，受場地限制較小;不需機場，在操場、公路或其它較開闊的地面均可起降;操作簡單，機載高精度遙感設備可以在短時間內(nèi)快速獲取遙感影像數(shù)據(jù)，具有較高的快捷響應能力。

2.2 遙感監(jiān)測系統(tǒng)性能優(yōu)異。無人機航線控制精度高，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，飛行操作自動化、智能化程度高，便于掌握和培訓。利用無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)航攝影像清晰、分辨率高、沒有絕對漏洞，除個別像對需手工加點外，基本實現(xiàn)自動空三解算，精度達到1:1000 航測成圖要求。

2.3 結(jié)構(gòu)簡單，使用成本低廉。無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)形體小，耗費少，運營成本較低，對操作員的培養(yǎng)周期短，系統(tǒng)的保養(yǎng)和維護簡便，同時不用租賃起飛和停放場地。

2.4 效率高，成果清晰準確。與傳統(tǒng)全野外測量相比，無人機低空遙感技術可大大減少野外工作量，提高成圖效率。同時，利用真彩色正射影像數(shù)據(jù)，在土地規(guī)劃中設計人員可更清楚直觀的查看耕地狀況，利用DEM 數(shù)據(jù)，可方便的進行坡度和土石方量的計算;在完成土地開發(fā)后，可利用無人機再次航飛，通過疊加對比，能準確地分析工程施工與設計的一致性及最終成效，有利于成果驗收。

3 無人機低空遙感系統(tǒng)的應用

無人機系統(tǒng)利用飛行速度低、成像分辨率高，易于操作的特點，在國土資源、水利水電等領域得到廣泛的應用，發(fā)揮著巨大的作用。

3.1 國土資源執(zhí)法監(jiān)測應用。通過無人機遙感監(jiān)測成果，發(fā)現(xiàn)和查處被監(jiān)測區(qū)域國土資源違法行為，建立國土資源動態(tài)巡查監(jiān)管科技機制，做到對違法違規(guī)用地、濫占耕地、破壞生態(tài)環(huán)境等現(xiàn)象早發(fā)現(xiàn)、早制止、早查處。實驗證明，無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)具備高機動性、便捷性、低使用成本等特點，在土地利用、礦產(chǎn)資源及開發(fā)重點和熱點地區(qū)的重復監(jiān)測中具有獨特的優(yōu)勢。

3.2 自然災害監(jiān)測應用。我國是自然災害頻發(fā)的地方，災害類型繁多、地類復雜，可利用低空遙感作災害前的防范、預警;災害中的調(diào)查、分析;災害后的評估、救援。如在汶川大地震抗震救災中，首次將低空遙感數(shù)據(jù)快速獲取、遙感數(shù)據(jù)并行處理、遙感快速測圖等技術相集成，快速獲取四川災區(qū)3.5萬余幅高分辨率航空影像，為國家加強救災應急能力提供了先進、快捷、可靠的技術支撐。

3.3 國土測繪應用。無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)還能用于大比例尺土地利用圖測制、地形圖修測和補漏數(shù)據(jù)的獲取。實驗證明，利用無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)航攝影像清晰、分辨率高，基本實現(xiàn)自動空三解算，精度達到1:2000 比例尺航測成圖要求。

3.4 水利水電應用。基于無人機數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型，不僅能為大型水利工程(橋梁、堤壩、水庫、閘門等)提供選址服務，還能檢測施工進程。水電工程環(huán)境大都十分險峻，難以人工測制，利用無人機系統(tǒng)測制水電項目設計和施工中必不可少的大比例尺地形圖，既安全、經(jīng)濟，又準確、可靠。

3.5 小城鎮(zhèn)規(guī)劃應用。目前我國仍有數(shù)以萬計的的小城鎮(zhèn)規(guī)劃缺乏高精度空間信息源。特別是許多小城鎮(zhèn)地處邊遠地區(qū)、面積小、分布散，采用常規(guī)航空攝影耗費高、采用人工測量困難多、采用超輕型飛機姿態(tài)難控制，而無人機遙感系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)勢，可為1:2000，1:5000，1:10000 規(guī)劃制圖提供經(jīng)濟快速的數(shù)據(jù)源。

4 結(jié)論

利用低空無人機航攝系統(tǒng)獲取地面遙感影像，對天氣依賴小、起降無須專用機場、成本低和成像質(zhì)量高，非常實用于較小區(qū)域的大比例成圖。但由于無人機航測目前還處于發(fā)展探索階段，其技術規(guī)范中的相關技術要求還有待于不斷完善，因此作業(yè)程序大都沿用了航空攝影測量的基本方法和技術指標。

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