無人機(jī)航測技術(shù)的應(yīng)用與實踐

梁增偉

【摘要】以生產(chǎn)項目為例，以無人機(jī)航測的技術(shù)流程為主線索，介紹了無人機(jī)航測技術(shù)方面的發(fā)展。得到了關(guān)于無人機(jī)航測技術(shù)的一些結(jié)論和建議：提高無人機(jī)航測技術(shù)的關(guān)鍵在于航攝技術(shù)的提高，無人機(jī)航測技術(shù)是大飛機(jī)航測的有益補(bǔ)充，在災(zāi)害應(yīng)急等方面無可替代的優(yōu)越性，但在航測地形圖（DLG）尤其是大比例尺地形圖生產(chǎn)方面還存在一些問題。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)； 航測技術(shù)

前言

無人駕駛飛機(jī)簡稱 “無人機(jī)”，它的誕生可以追溯到上個世紀(jì)初葉，但主要運用于戰(zhàn)爭偵查。二戰(zhàn)結(jié)束后，隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)家族也逐漸步入其鼎盛時期。時至今日，無人機(jī)已經(jīng)廣泛運用。在民用方面，改革開放以來，我國也加快了對無人機(jī)研究與開發(fā)的工作。與有人駕駛飛機(jī)相比，無人機(jī)有體積小、便攜帶、運用地域廣泛、可執(zhí)行惡劣環(huán)境工作等優(yōu)點，這使無人機(jī)攝影測量技術(shù)得以在災(zāi)情監(jiān)測與評估工作中有了很大的發(fā)展空間。

在衛(wèi)星及大飛機(jī)遙感等航空遙感技術(shù)的不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，一項新的技術(shù)逐漸形成——無人機(jī)航測遙感技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于應(yīng)急測繪保障、國土資源監(jiān)測、重大工程建設(shè)等方面。這項技術(shù)不僅機(jī)動靈活，響應(yīng)快速，同時成本低廉精度值高。但除此之外，現(xiàn)有技術(shù)也存在著許多弊端。例如，航向重疊度和不規(guī)則旁向重疊度、像幅不大像片數(shù)量多、影像的傾角過大且傾斜方向沒有規(guī)律、航攝區(qū)域地形起伏大、高程變化顯著，以及較大的影像比例差異和旋偏角，影像畸變現(xiàn)象較明顯。

自上世紀(jì)80年代以來，無人機(jī)測繪系統(tǒng)成為世界各國競相研究的熱點課題。隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的性能也水漲船高，應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓展，這為無人機(jī)測繪系統(tǒng)的研制提供了保障。目前，國內(nèi)測繪行業(yè)在制作DOM和DEM上廣泛應(yīng)用了無人飛行器航測遙感技術(shù)，不過這種技術(shù)并沒有實際應(yīng)用于大比例尺DLG，而是以小面積的實驗取代。在當(dāng)前最先進(jìn)的航測技術(shù)上，結(jié)合生成案例，本文對生產(chǎn)過程中無人機(jī)航測與大飛機(jī)航測的不同、無人機(jī)航測的一些特殊問題進(jìn)行了分析探討和解決，為我公司在無人機(jī)航測技術(shù)的掌握方面積累了經(jīng)驗。

1. 運用無人機(jī)測量的必要性

隨著國內(nèi)國際上自然災(zāi)害的多發(fā)與頻發(fā)，尤其是重大自然災(zāi)害發(fā)生時，這是環(huán)境所致，也是人類污染所致，災(zāi)害往往帶來重大的破壞和人員損失，而且造成災(zāi)害地區(qū)信息設(shè)備受到破壞，從而信息封閉，加之災(zāi)后的地區(qū)往往車輛人員不能及時到達(dá)，因此在災(zāi)害發(fā)生時及發(fā)生后，如何及時取得災(zāi)害信息及信息傳輸成為迫切的問題。這些活動可以用衛(wèi)星來解決，也可以用載人飛機(jī)來解決。然而用衛(wèi)星對地測量的方法，費用高、圖像分辨率低、使用不靈活；而載人飛機(jī)不僅費用高，出航氣候要求也很高，另外災(zāi)區(qū)上空飛行風(fēng)險大，無法做到隨時到達(dá)。若使用無人機(jī)來完成災(zāi)情監(jiān)測與評估工作，無論是在留空時間、使用成本、耗費人力資源上，還是在惡劣環(huán)境作業(yè)要求、長時間飛行作業(yè)要求、人員生命安全要求上，或是在圖像分辨率和工作效率上，無人機(jī)都優(yōu)于載人飛機(jī)和衛(wèi)星遙感。由于成本和氣候條件等因素的制約，傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感和載人飛機(jī)只能滿足部分空間數(shù)據(jù)信息的需求，而測繪型無人機(jī)系統(tǒng)具有一些獨特的優(yōu)勢，它可在復(fù)雜地形、復(fù)雜天氣下飛行，可以在許多特定的領(lǐng)域如高污染、高輻射、高風(fēng)險領(lǐng)域執(zhí)行飛行任務(wù)，因此，低成本、多用途的測繪型無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)在災(zāi)情監(jiān)測與評估工作中具有必要性作用。例如：今年貴州省雨量較大，省內(nèi)大小洪澇災(zāi)害時有發(fā)生。而由于貴州地形復(fù)雜多變，實地考察洪澇災(zāi)情不僅十分危險困難而且效率十分低下，利用載人飛機(jī)考察成本高居不下的同時還比較受到天氣的影響，無人機(jī)采用低空飛行不受天氣影響而且可以準(zhǔn)確考察災(zāi)情，即使遇到環(huán)境惡劣的區(qū)域也不會造成人員傷亡。

2. 運用無人機(jī)測量在監(jiān)測和評估工作中的優(yōu)點分析

2. 1在國家重大自然災(zāi)害監(jiān)測方面

利用無人機(jī)飛行機(jī)動、快速、覆蓋范圍大、任何條件皆可以到達(dá)等特點，迅速對災(zāi)情做出監(jiān)測，將災(zāi)情速報一直是無人機(jī)自然災(zāi)害監(jiān)測中的重要特點。以往我國在地震、洪澇、特大泥石流、雪災(zāi)、森林大火等災(zāi)情中都做了災(zāi)情監(jiān)測工作，但是往往因為地理環(huán)境限制，無法做到最快最準(zhǔn)確。而在近年來的災(zāi)害監(jiān)測中，國家測繪局利用無人飛機(jī)測量技術(shù)，對災(zāi)區(qū)進(jìn)行了監(jiān)測。使得民政部國家減災(zāi)中心、中科院遙感所、地理所在較快的時間內(nèi)完成了整個災(zāi)區(qū)的建筑物、公路、生態(tài)環(huán)境等幾個大的災(zāi)情勘察監(jiān)測報告，實現(xiàn)了快速摸清災(zāi)情的目的。無人機(jī)影像具有數(shù)量多、相幅小的特點， 抗震救災(zāi)時，無人機(jī)能夠滿足其在高度和分辨率上的實時性要求。因為它能夠快速拼接影像，并且糾正和解譯影像。分辨率較高并且完整的影像能通過低空遙感技術(shù)得到。要實現(xiàn)快速定量評估災(zāi)害以及解譯相關(guān)影像，不僅要對災(zāi)害區(qū)域和對象的影像進(jìn)行校正和增強(qiáng)處理，同時還要綜合分析相關(guān)地理信息。

2.2在國家重大自然災(zāi)害評估方面

無人機(jī)最大的優(yōu)勢就是可以在惡劣的自然條件下，利用簡單條件就可以低空飛行，獲取影像數(shù)據(jù)。無人機(jī)目前已經(jīng)具備影像獲取、影像處理、影像生成等一套完整的航空攝影測量系統(tǒng)，馬力的不斷加大，使得無人機(jī)能夠在很短時間飛到很多地方，以滿足各類應(yīng)急測繪和精準(zhǔn)測繪的需求。無人機(jī)攝影圖和航拍繪制的地形圖，像使得國家職能部門可比其他觀測手段更直觀、更快速的進(jìn)行災(zāi)后災(zāi)害評估。

2.3在國家重大自然災(zāi)害處理決策方面

災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)害處理決策部門最需要的就是災(zāi)區(qū)的一手監(jiān)測、評估資料，但是往往災(zāi)區(qū)地形所限，人員無法到達(dá)災(zāi)情實地進(jìn)行勘測，而無人機(jī)航測技術(shù)可以為災(zāi)害處理決策部門最快速的取得詳實災(zāi)區(qū)影像資料、航片數(shù)據(jù)、災(zāi)后地形圖等一手監(jiān)測與評估資料，為災(zāi)害處理決策工作提供重要的依據(jù)。

2.4在國家減災(zāi)救災(zāi)科技支撐方面

在減災(zāi)救災(zāi)工作中最重要的便是建設(shè)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系。完善災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)地震、氣象、水文、地質(zhì)、森林草原火災(zāi)、等各類災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)。無人機(jī)航測系統(tǒng)可以為災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)提供災(zāi)后影像圖和災(zāi)后地形圖，實現(xiàn)國家減災(zāi)救災(zāi)重大需求與社會科技資源的有機(jī)結(jié)合，從而提高災(zāi)害預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的工作機(jī)能。

2.5在國家災(zāi)后重建工作方面

大災(zāi)后的災(zāi)區(qū)重建是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在這個過程中無人機(jī)航測技術(shù)提供的最新地形圖將繼續(xù)發(fā)揮巨大的作用。通過地形圖，國家可以對整個災(zāi)區(qū)的災(zāi)情做出的全面評估，并可以結(jié)合災(zāi)區(qū)的地形、地質(zhì)、社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)，對災(zāi)區(qū)重建選址和移民搬遷做出決策。

3. 案例分析-- 測區(qū)生產(chǎn)實踐與作業(yè)方法

測區(qū)隸屬于山東省煙臺市。受大陸性季風(fēng)影響，氣候四季分明，冬長夏短，雨水多集中在夏季。測區(qū)內(nèi)各種等級的公路均有分布，交通方便。煙臺已經(jīng)使用無人機(jī)成功對煙臺港海陽港區(qū)建設(shè)基地工程、東港區(qū)海上疏港路工程等在建用海項目進(jìn)行了遙感監(jiān)測工作。測區(qū)海拔高程最高305m，最低150m。地貌以平、丘地為主。

3.1 項目的作業(yè)依據(jù)

本項目依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《1：500 ：1000 ：2000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》GB/T 7931-2008、《1：500 ：1000 ：2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》GB/T 7930-2008及《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》GB/T 23456-2009和無人機(jī)航測指導(dǎo)性文件《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》CH/Z 3005-2010、《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范外業(yè)規(guī)范》CH/Z3004-2010和《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范內(nèi)業(yè)規(guī)范》CH/Z 3003-2010等。

3.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)源

本測區(qū)選用無人機(jī)航空攝影獲取到的一套真彩色影像，航攝面積為53平方公里。航攝儀采用Canon EOS 5DMarkⅡ，焦距為：35mm，相幅大小為：5616×3744，像元分辨率為6.41um。影像地面分辨率為0.2米。

3.2.2 遙感影像預(yù)處理

非量測性相機(jī)應(yīng)用于無人機(jī)航空攝影。為了恢復(fù)影像空中姿態(tài)，在進(jìn)行空三測量時，相機(jī)像片畸變差需要矯正。此案例在收到航攝影像資料時已經(jīng)完成了此項工作。

3.3 無人機(jī)航測運行作業(yè)總體過程

3.4 無人機(jī)航空攝影

本次將進(jìn)行兩次無人機(jī)航拍，相對飛行高度的數(shù)據(jù)由GPS領(lǐng)航計算。盡管在良好的飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量下，影像拍攝清晰度不高，然而，1：2000的成圖還是能夠?qū)崿F(xiàn)。一方面，照片色彩均勻，另一方面有良好的飽和度，真實地表達(dá)了地物信息。75%的航向重疊度，35%-45%的旁向重疊以及12度以內(nèi)的旋偏角才能滿足航攝飛行質(zhì)量的要求。沒有進(jìn)行像片傾角的檢查。

3.5 像片控制測量

3.5.1 像控點精度要求

0.2米應(yīng)作為像控點和最近基礎(chǔ)控制點平面位置間的最大允許誤差，同時也應(yīng)以此作為高程誤差標(biāo)準(zhǔn)。

3.5.2 像控點布點方案

此項目在我司2010年進(jìn)行的無人機(jī)航測課題試驗基礎(chǔ)上開展，因此布點方案我們也參考了試驗結(jié)果，最終雙模型布設(shè)方案得以確定。

3.5.3 像控點測量

像控點情況應(yīng)通過對已收集像控點聯(lián)測檢核， 且需在像控測量前進(jìn)行。之后，聯(lián)測同時，4個控制點被加密用來實現(xiàn)后續(xù)測量。聯(lián)測中，GPS靜態(tài)相對定位和邊連式布網(wǎng)被采用。最終，共測得10個已知點，4個新設(shè)點。觀測時具體技術(shù)參數(shù)依據(jù)規(guī)范。通過計算，最弱點點位誤差為0.035m，最弱邊相對誤差為1/45537m，滿足像控測量要求。

本測區(qū)像控點采用GPS實時動態(tài)定位（RTK）的方法進(jìn)行測量。GPS實時動態(tài)定位（RTK）測量使用5臺GPS RTK接收機(jī)進(jìn)行測量。充分利用已測控制點數(shù)據(jù)，采用室內(nèi)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，已知點上設(shè)置參考站的測量方法。為了保證精度，流動站不超過5公里，坐標(biāo)精度在3㎝以內(nèi)時記錄數(shù)據(jù)，每個點重復(fù)測量三次取平均值為測量成果。

3.6 空中三角測量

在本項目中，SSK工作站對進(jìn)行空三加密。其中，空三區(qū)域被分為兩個加密部分，而加密方式為自動手動相結(jié)合。即自動匹配，測量和剔除，然后根據(jù)要求進(jìn)行人工調(diào)整，保證在2/3個像素以內(nèi)。加入外業(yè)像控點對本區(qū)大地定向，進(jìn)行計算、檢查，得出0.3米平面中誤差和0.17米的高程中誤差。根據(jù)規(guī)范GB/T 23236-2009，1：2000的要求達(dá)到。

3.7 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)上述測量結(jié)果，我們進(jìn)行單模型定向。然而，在此過程中，某些模型無法定向。第一架次和第二架次中，分別有29個和67個模型無法建立，占總比數(shù)分別為4%和9%， 同時測圖定向點數(shù)量超出限制。原因應(yīng)歸于無人機(jī)的航拍質(zhì)量。其中，飛行傾角，過大的旋偏角，彎曲的航線以及比例不一的像片都包括在內(nèi)，這些因素往往會造成精度值低。鑒于此，我們認(rèn)為應(yīng)采取如下措施：在測圖定向超限點的周圍進(jìn)行野外實測用來檢核分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行必要的修正。但是，這在一定程度上增加了生產(chǎn)成本。

3.8 項目精度報告

根據(jù)1：2000精度要求對測繪產(chǎn)品檢進(jìn)行了高程精度的統(tǒng)計，統(tǒng)計了6幅DLG圖，其中誤差最大為0.36米，最小為0.27米，可以看出符合規(guī)范要求，但是從統(tǒng)計的結(jié)果看，粗差率比較高，有的達(dá)到了5%。平面精度一般可以達(dá)到，因此沒有做平面精度檢測。

4. 結(jié)論及建議

（1）無人飛行器測繪技術(shù)是集成了低空航空攝影技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)的一門航空攝影測量技術(shù)。我們認(rèn)為提高低空航空攝影技術(shù)是無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)的關(guān)鍵所在；當(dāng)然使用適當(dāng)?shù)臒o人機(jī)航攝影像的處理技術(shù)可以在一定程度上消除無人機(jī)航空影像不規(guī)則帶來的影響。

（2）無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)應(yīng)用于地形圖的生產(chǎn)存在不確定性，比如，區(qū)域網(wǎng)整體加密精度評定良好，單模型中誤差也可能良好，但單模型定向精度就存在超限情況，也就是個別點的超限情況，在測圖過程中表現(xiàn)為測圖定向點和立體模型套合差大、接邊誤差大等?？梢酝ㄟ^外業(yè)實測來驗證精度。

（3）建議在利用無人機(jī)航測這種新技術(shù)進(jìn)行航空攝影測量時，采用試驗區(qū)的作業(yè)方法，即在確定布點方案前選取一定面積的試驗區(qū)進(jìn)行布點方案試驗；

（4）建議利用無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)進(jìn)行地形圖生產(chǎn)，盡可能在載人機(jī)不便或無法完成的情況下，由無人機(jī)來完成。如多塊小面積、危險場所、遠(yuǎn)離機(jī)場或沒有可供其起降場地的區(qū)域?？傊?，目前無人機(jī)航測技術(shù)應(yīng)該體現(xiàn)在載人飛機(jī)航測技術(shù)的補(bǔ)充方面。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王聰華。無人飛行器低空遙感影像數(shù)據(jù)處理方法[J] 中國優(yōu)秀碩士論文 2006；

[2] 范承嘯，韓俊，熊志軍，趙毅。 無人機(jī)遙感技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用[J] 測繪科學(xué) 2009，34（5）：214-215；

[3] 陳新璽，李浩，張曼祺。 普通數(shù)碼相機(jī)構(gòu)像畸變差兩種檢較模型的比較[J] 北京測繪2005（4）：50-54；

[4] 崔紅霞，李杰，林宗堅，儲美華。非量測數(shù)碼相機(jī)的畸變差檢測研究[J] 測繪科學(xué)2005，30（1）：105-107；

[5] 王聰華，林宗堅。 UAVRS影像空中三角測量實驗研究[J] 測繪科學(xué) 2007，32（4）：41-43；

[6] 連鎮(zhèn)華。無人機(jī)航攝相片傾角對立體高程扭曲的影響分析[J] 地理空間信息2010，8（1）：20-22；