無人低空航測(cè)系統(tǒng)的研究及在交通勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

甘肅興隴交通工程監(jiān)理有限責(zé)任公司 730030

摘要：無人低空航測(cè)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(cè)圖中顯示出比衛(wèi)星遙感和大航空攝影的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)單易用，系統(tǒng)成本低，能滿足“精細(xì)測(cè)繪”和“及時(shí)測(cè)繪”的需求。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；遙感；交通勘察設(shè)計(jì)

一、本研究項(xiàng)目的科學(xué)依據(jù)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、項(xiàng)目研究的意義及應(yīng)用前景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字相機(jī)重量將會(huì)更輕，無人飛行器控制技術(shù)也會(huì)更先進(jìn)，未來，無人飛行器將會(huì)有更大的發(fā)展空間。加之無人飛行器具有價(jià)格低廉、體積小、重量輕，受限制小，運(yùn)輸方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，為測(cè)繪航拍提供了幫助。由于傳統(tǒng)航空測(cè)繪對(duì)起降機(jī)場(chǎng)和天氣的依賴性較大，成本較高。在一定因素上制約了測(cè)繪獲取信息的速度，因此，將低空測(cè)繪遙感與后期處理整合在一個(gè)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)低空測(cè)繪作業(yè)的一體化。在作業(yè)中，使用測(cè)量型GPS進(jìn)行精確導(dǎo)航和定點(diǎn)曝光，在交通測(cè)繪飛行中直接測(cè)定攝影機(jī)的姿態(tài)和位置，經(jīng)過數(shù)據(jù)后處理，獲得測(cè)圖所需要的高精度航片外方位元素，可實(shí)現(xiàn)不設(shè)置地面控制點(diǎn)或極少地面控制點(diǎn)的航片定向，從而大幅度縮短交通測(cè)繪中成圖生產(chǎn)周期，降低成圖費(fèi)用；同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)高精度的定點(diǎn)補(bǔ)拍和重拍。地表變更后，定點(diǎn)重拍還可以實(shí)現(xiàn)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(jìn)行相對(duì)定向，高效化航拍測(cè)繪處理。使得無人飛行器低空遙感測(cè)繪數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)航攝在經(jīng)濟(jì)型方面相比，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，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(biāo)系橫軸基本重合，旁向投影中心連線與坐標(biāo)系豎軸基本重合這種網(wǎng)狀高冗余低空測(cè)繪方式，將來能為全自動(dòng)影像流水線提供資料，可以快速全自動(dòng)生產(chǎn)各種測(cè)繪成像數(shù)據(jù)。加之隨著高性能計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)后處理的測(cè)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(wù)器，在軟件上使用64位操作系統(tǒng)和64位高級(jí)語言C++，以及能將串行計(jì)算并行化的平臺(tái)。這為測(cè)繪工作站從全數(shù)字化過渡到全自動(dòng)化方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外對(duì)于無人機(jī)遙感系統(tǒng)已進(jìn)行了廣泛的研究。美國交通部門已在90年代利用無人機(jī)裝載數(shù)碼相機(jī)采集道路信息、測(cè)繪所需數(shù)據(jù)，并在交通勘測(cè)設(shè)計(jì)上作出了相應(yīng)的嘗試，并取得了良好的結(jié)果，并且也在繼續(xù)研究和發(fā)展該項(xiàng)目。HUNT等2005年應(yīng)用遙控?zé)o人機(jī)為平臺(tái)的遙感系統(tǒng)，獲得了道路測(cè)繪周邊所獲圖像數(shù)據(jù)之間呈線性相關(guān)的結(jié)果；日本的Jryo Sugiura利用無人機(jī)攝影系統(tǒng)對(duì)城市進(jìn)行低空拍攝，根據(jù)無人機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)對(duì)影像進(jìn)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(jī)上設(shè)計(jì)了輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)受核污染影響的高輻射區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)；Ollero等2006年也指出不同的無入機(jī)系統(tǒng)可以用來探測(cè)、確認(rèn)、定位和監(jiān)視森林火災(zāi)。在沒有火災(zāi)的時(shí)候可以用無人機(jī)來監(jiān)測(cè)植被情況，估算含氫量和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；在火災(zāi)過后也可以來評(píng)價(jià)火災(zāi)的影響；日本第一規(guī)劃測(cè)量土木設(shè)計(jì)公司開發(fā)出的裝有紫外線照相機(jī)的無人直升機(jī)可從200—300米的低空對(duì)稻田的各個(gè)角落進(jìn)行拍攝，獲取高精度的水稻生長(zhǎng)信息，在對(duì)紫外線拍攝的圖片在經(jīng)過蛋白質(zhì)含量分類后，可將信息提供給當(dāng)?shù)剞r(nóng)協(xié)組織和農(nóng)民或通過因特網(wǎng)發(fā)布。

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

3、本項(xiàng)目的創(chuàng)新之處

遙感能夠運(yùn)用攝影測(cè)量除了它們有共同的起源外，遙感相對(duì)于攝影有如下獨(dú)特性：（1）宏觀性；遙感探測(cè)的范圍廣，尤其是衛(wèi)星遙感，探測(cè)范圍可以不受政治區(qū)域和地理?xiàng)l件的限制，遙感平臺(tái)位置越高，探測(cè)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(gè)不同波段進(jìn)行探測(cè)和記錄，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了攝影測(cè)量運(yùn)用的可見光范圍。（3）周期性。遙感衛(wèi)星具有周期性、重復(fù)獲取圖像的特點(diǎn)，可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，從而達(dá)到預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)的效果。這比攝影測(cè)量從設(shè)計(jì)到完成圖片采集所需的時(shí)間要少很多。（4）經(jīng)濟(jì)性。在大范圍內(nèi)，若想得到與航片生產(chǎn)出的同樣精度的三維數(shù)據(jù)，遙感圖像獲取比航片獲取更經(jīng)濟(jì)，它不需要花費(fèi)太多人力物力。

遙感可測(cè)制小比例尺地圖，也可測(cè)制大比例尺地圖。采用攝影測(cè)量與遙感技術(shù)測(cè)繪大比例尺的地形圖具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用了國家統(tǒng)一的平面坐標(biāo)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(cè)圖片和遙感衛(wèi)星圖片覆蓋面積大、表達(dá)現(xiàn)場(chǎng)逼真、內(nèi)容豐富。在地物測(cè)量中，它不存在人工野外逐點(diǎn)跑尺，可以快速地在室內(nèi)繪制出所需要的設(shè)備、周圍的建筑物等。（3）航測(cè)可獲得精度較高的大比例尺地形圖。（4）航測(cè)成圖可取消中線測(cè)量。

綜合以上所述，本項(xiàng)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(cè)圖中顯示出比衛(wèi)星遙感和大航空攝影的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

（2）簡(jiǎn)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(chǎn)單位可以自主擁有。

（4）能滿足“精細(xì)測(cè)繪”和“及時(shí)測(cè)繪”的需求。

二、在交通勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及預(yù)期成果

1、能解決的問題：

在如今交通勘察設(shè)計(jì)中，制約公路設(shè)計(jì)的一個(gè)大問題就是設(shè)計(jì)工期緊、任務(wù)重。而在設(shè)計(jì)工期中，外業(yè)勘測(cè)的時(shí)間又占到不小的一部分。如果我們使用無人機(jī)低空航測(cè)技術(shù)，將大大的減少公路設(shè)計(jì)的時(shí)間和任務(wù)。而對(duì)于二級(jí)公路來說，無人機(jī)航測(cè)更存在著無可比擬的優(yōu)勢(shì)，縮短設(shè)計(jì)工期，提高地形圖精度，外業(yè)GPS與航測(cè)相結(jié)合，達(dá)到系統(tǒng)的一體化外業(yè)流程，從而達(dá)到達(dá)到國內(nèi)一流設(shè)計(jì)水平。

2、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益：

目前，無人機(jī)航測(cè)遙感的應(yīng)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(lǐng)域，擴(kuò)展到交通規(guī)劃設(shè)計(jì)勘察、工程地質(zhì)勘查、資源遙感調(diào)查、環(huán)境災(zāi)害遙感監(jiān)測(cè)、水文地質(zhì)調(diào)查、遙感圖像處理與制作、多元地學(xué)數(shù)據(jù)復(fù)合、遙感技術(shù)咨詢、數(shù)字制圖、多媒體制作和數(shù)字沙盤研建等方面，形成了設(shè)計(jì)圖高分辨率、地面探測(cè)以及與GIS、GPS和RS相結(jié)合的“3S”技術(shù)應(yīng)用研究體系。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的大潮中呈現(xiàn)出快速發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。

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