無人低空航測系統(tǒng)的研究及在交通勘察設計中的應用

甘肅興隴交通工程監(jiān)理有限責任公司 730030

摘要：無人低空航測系統(tǒng)能夠在云霧天氣下低空飛行，能獲取到高分辨率、高清晰度影像，使它在大比例尺測圖中顯示出比衛(wèi)星遙感和大航空攝影的獨特優(yōu)勢。簡單易用，系統(tǒng)成本低，能滿足“精細測繪”和“及時測繪”的需求。

關鍵詞：無人機；遙感；交通勘察設計

一、本研究項目的科學依據及國內外研究現狀

1、項目研究的意義及應用前景

隨著科學技術的發(fā)展，數字相機重量將會更輕，無人飛行器控制技術也會更先進，未來，無人飛行器將會有更大的發(fā)展空間。加之無人飛行器具有價格低廉、體積小、重量輕，受限制小，運輸方便等諸多優(yōu)點，為測繪航拍提供了幫助。由于傳統(tǒng)航空測繪對起降機場和天氣的依賴性較大，成本較高。在一定因素上制約了測繪獲取信息的速度，因此，將低空測繪遙感與后期處理整合在一個系統(tǒng)，從而實現低空測繪作業(yè)的一體化。在作業(yè)中，使用測量型GPS進行精確導航和定點曝光，在交通測繪飛行中直接測定攝影機的姿態(tài)和位置，經過數據后處理，獲得測圖所需要的高精度航片外方位元素，可實現不設置地面控制點或極少地面控制點的航片定向，從而大幅度縮短交通測繪中成圖生產周期，降低成圖費用；同時也能實現高精度的定點補拍和重拍。地表變更后，定點重拍還可以實現交通及周邊信息的高效快速更新，高精度曝光使航向和旁向的曝光量都在一條直線上，旁向也可以形成“航線”進行相對定向，高效化航拍測繪處理。使得無人飛行器低空遙感測繪數據采集與傳統(tǒng)航攝在經濟型方面相比，具有非常明顯的優(yōu)勢，因此在航拍過程中可以采用航向80%（甚至90%）重疊，旁向60%重疊，且航線與坐標系橫軸基本重合，旁向投影中心連線與坐標系豎軸基本重合這種網狀高冗余低空測繪方式，將來能為全自動影像流水線提供資料，可以快速全自動生產各種測繪成像數據。加之隨著高性能計算機的出現，進行遙感數據后處理的測繪成像工作站將逐漸在硬件上使用基于多核64位CPU的“刀片”服務器，在軟件上使用64位操作系統(tǒng)和64位高級語言C++，以及能將串行計算并行化的平臺。這為測繪工作站從全數字化過渡到全自動化方向發(fā)展奠定了基礎。

2、國內外研究現狀

目前國內外對于無人機遙感系統(tǒng)已進行了廣泛的研究。美國交通部門已在90年代利用無人機裝載數碼相機采集道路信息、測繪所需數據，并在交通勘測設計上作出了相應的嘗試，并取得了良好的結果，并且也在繼續(xù)研究和發(fā)展該項目。HUNT等2005年應用遙控無人機為平臺的遙感系統(tǒng)，獲得了道路測繪周邊所獲圖像數據之間呈線性相關的結果；日本的Jryo Sugiura利用無人機攝影系統(tǒng)對城市進行低空拍攝，根據無人機的實時參數對影像進行糾正后繪制出了城市三維圖形，用于分析規(guī)劃城市道路；Shinichi Okuyama等2005年也在無人直升機上設計了輻射監(jiān)測系統(tǒng)對受核污染影響的高輻射區(qū)域進行監(jiān)測；Ollero等2006年也指出不同的無入機系統(tǒng)可以用來探測、確認、定位和監(jiān)視森林火災。在沒有火災的時候可以用無人機來監(jiān)測植被情況，估算含氫量和火災風險指數；在火災過后也可以來評價火災的影響；日本第一規(guī)劃測量土木設計公司開發(fā)出的裝有紫外線照相機的無人直升機可從200—300米的低空對稻田的各個角落進行拍攝，獲取高精度的水稻生長信息，在對紫外線拍攝的圖片在經過蛋白質含量分類后，可將信息提供給當地農協組織和農民或通過因特網發(fā)布。

國內無人機的應用主要是利用固定翼無人機系統(tǒng)獲得遙感信息，主要用于國土資源測繪、交通道路勘察設計、資源調查、環(huán)境監(jiān)測、氣象災害評估等。國家測繪局也在近幾年研究了低空遙感技術用于國土資源的測繪，使用遙控固定翼無人機系統(tǒng)獲取國土資源信息，如地塊邊界的數字化、地塊面積量算等；馬輪基等在2005年闡述了無人機在土地利用遙感調查、水色遙感調查、洪澇遙感調查等方面的應用前景；李字昊2006年利用無人機獲得影像，從中測算造林地面積、計算成活率、辨認樹種、計算造林密度、確定林齡，以及定位造林地。

3、本項目的創(chuàng)新之處

遙感能夠運用攝影測量除了它們有共同的起源外，遙感相對于攝影有如下獨特性：（1）宏觀性；遙感探測的范圍廣，尤其是衛(wèi)星遙感，探測范圍可以不受政治區(qū)域和地理條件的限制，遙感平臺位置越高，探測的范圍也就越大。（2）多波段性；傳感器可以從紫外、可見光、近紅外到微波各個不同波段進行探測和記錄，遠遠超過了攝影測量運用的可見光范圍。（3）周期性。遙感衛(wèi)星具有周期性、重復獲取圖像的特點，可以在短時間內對同一地區(qū)進行重復觀測，從而達到預測和預報的效果。這比攝影測量從設計到完成圖片采集所需的時間要少很多。（4）經濟性。在大范圍內，若想得到與航片生產出的同樣精度的三維數據，遙感圖像獲取比航片獲取更經濟，它不需要花費太多人力物力。

遙感可測制小比例尺地圖，也可測制大比例尺地圖。采用攝影測量與遙感技術測繪大比例尺的地形圖具有以下優(yōu)點：（1）采用了國家統(tǒng)一的平面坐標系和高程系，與國家基本圖或其他部門的地形圖可以溝通使用（2）航測圖片和遙感衛(wèi)星圖片覆蓋面積大、表達現場逼真、內容豐富。在地物測量中，它不存在人工野外逐點跑尺，可以快速地在室內繪制出所需要的設備、周圍的建筑物等。（3）航測可獲得精度較高的大比例尺地形圖。（4）航測成圖可取消中線測量。

綜合以上所述，本項目最主要的創(chuàng)新之處在于：

（1）能夠在云霧天氣下低空飛行，能獲取到高分辨率、高清晰度影像，使它在大比例尺測圖中顯示出比衛(wèi)星遙感和大航空攝影的獨特優(yōu)勢。

（2）簡單易用，尤其固定翼型無人飛行器系統(tǒng)比較成熟穩(wěn)定。

（3）無人飛行器系統(tǒng)成本低；生產單位可以自主擁有。

（4）能滿足“精細測繪”和“及時測繪”的需求。

二、在交通勘察設計中的應用及預期成果

1、能解決的問題：

在如今交通勘察設計中，制約公路設計的一個大問題就是設計工期緊、任務重。而在設計工期中，外業(yè)勘測的時間又占到不小的一部分。如果我們使用無人機低空航測技術，將大大的減少公路設計的時間和任務。而對于二級公路來說，無人機航測更存在著無可比擬的優(yōu)勢，縮短設計工期，提高地形圖精度，外業(yè)GPS與航測相結合，達到系統(tǒng)的一體化外業(yè)流程，從而達到達到國內一流設計水平。

2、經濟和社會效益：

目前，無人機航測遙感的應用范圍已覆蓋煤炭、石油、電力、交通規(guī)劃、土地資源、城市規(guī)劃等諸多領域，擴展到交通規(guī)劃設計勘察、工程地質勘查、資源遙感調查、環(huán)境災害遙感監(jiān)測、水文地質調查、遙感圖像處理與制作、多元地學數據復合、遙感技術咨詢、數字制圖、多媒體制作和數字沙盤研建等方面，形成了設計圖高分辨率、地面探測以及與GIS、GPS和RS相結合的“3S”技術應用研究體系。在市場經濟的大潮中呈現出快速發(fā)展的良好態(tài)勢。

參考文獻：

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