無人機低空遙感技術(shù)發(fā)展及行業(yè)應(yīng)用概述

陳硯國

摘要：本文主要針對無人機低空遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及行業(yè)應(yīng)用進行綜合性論述。其中，無人機低空遙感的主要特點從航攝效率、影像分辨率、數(shù)據(jù)處理、主要缺點等4個方面進行論述，遙感影像處理主要流程包括影像預(yù)處理與影像重疊度計算、空中三角測量、影像生產(chǎn)與制作、質(zhì)量檢查。行業(yè)具體應(yīng)用方面，則以大比例尺地形圖測繪、國土資源監(jiān)測、應(yīng)急監(jiān)測等方面進行論述。文章最后對無人機遙感應(yīng)用進行展望并給出行業(yè)發(fā)展的一些建議。

Abstract： This paper mainly focuses on the comprehensive discussion of the status quo of UAV low-altitude remote sensing technology and industry application. Among them， the main features of UAV low-altitude remote sensing are discussed from four aspects： aerial photographing efficiency， image resolution， data processing， major shortcomings. The main processes of remote sensing image processing include the calculation of image preprocessing and image overlap， aerial triangulation， image production and production， quality inspection. Specific industry application is discussed from the large-scale topographic mapping， land resources monitoring， emergency monitoring and so on. Finally， the article forecasts the application of UAV remote sensing and gives some suggestions for the development of the industry.

關(guān)鍵詞：無人機;遙感;影像處理;大比例尺地形圖測繪

Key words： UAV;remote sensing; image processing;large-scale topographic map mapping

中圖分類號：P237 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）07-0164-02

0 引言

當(dāng)前，如何快速獲取位置數(shù)據(jù)已經(jīng)成為測繪地理信息行業(yè)研究的熱點。傳統(tǒng)的以衛(wèi)星、航空器為平臺的數(shù)據(jù)獲取方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是在中西部受天氣影響較大的地區(qū)很難拍攝到符合要求的高分辨率影像，運用無人機為平臺的低空遙感能很好地發(fā)揮優(yōu)勢。無人機作為衛(wèi)星遙感不可缺少的補充手段，彌補了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷[1]。

無人低空遙感系統(tǒng)， 是一種以自動控制的無人機為平臺，以機載遙感設(shè)備為有效載荷，飛行高度一般在1000m以下，獲取規(guī)則重疊度影像，并按定精度要求制作地理信息數(shù)據(jù)的航空攝影系統(tǒng)。通常由飛行平臺、遙感設(shè)備、地面監(jiān)控站、數(shù)據(jù)鏈路和應(yīng)急裝置等部分組成，具有成本低、精度高、分辨率高、效率高等特點。其所獲得的高分辨率影像能夠達(dá)到大比例尺地形圖精度要求。

1 無人機低空遙感主要特點

1.1 航攝效率高 無人機航攝效率較高，可以通過監(jiān)控平臺進行控制，進行針對性航拍，重點獲取指定區(qū)域數(shù)據(jù)，針對不合格影像可以現(xiàn)場重新航拍。這類設(shè)備體積小，機動靈活，通過地面遙控快速采集影像，不需要專用跑道起降，受天氣和空域管制的影響較小。此外無人機還可以抵達(dá)載人飛行器無法到達(dá)的空域或危險地區(qū)。

1.2 影像分辨率高 影像主要以RGB三波段為主，可以掛載多光譜相機[2]（R＼G＼B＼NIR）、高光譜相機和激光雷達(dá)傳感器，無人機低空遙感影像的最大優(yōu)點是遙感影像空間分辨率高（厘米級）、影像清晰。工業(yè)無人機普遍采用索尼、尼康等高精度數(shù)碼相機，高達(dá)4000萬像素，可實現(xiàn)定距或定時拍照。所獲取影像為真彩色數(shù)字影像，成圖與實測誤差已經(jīng)滿足1：500的地形圖測量規(guī)范要求。

1.3 數(shù)據(jù)處理速度快 影像數(shù)據(jù)處理速度快，現(xiàn)勢性強。例如某國產(chǎn)軟件Pips能實現(xiàn)對航空影像數(shù)據(jù)以及低空無人機影像數(shù)據(jù)的快速自動化處理，可完成從空中三角測量到各種比例尺的DEM、DOM、DLG等測繪產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)。特別是高性能計算機在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用，將數(shù)據(jù)處理速度顯著提升。

1.4 主要缺點 影像獲取主要采用非量測型數(shù)碼相機，像幅較小，數(shù)量較多，數(shù)據(jù)量較大。攝影時飛機姿態(tài)和位置任意性較大，影像航向重疊度和旁向重疊度都不夠規(guī)則。影像間的比例尺不一致、旋偏角大、影像本身的畸變差較大等。這類影像是非標(biāo)準(zhǔn)遙感影像，實質(zhì)是缺乏定向參數(shù)的數(shù)字影像，這些情況下實現(xiàn)自動空三是現(xiàn)有數(shù)字?jǐn)z影測量的主要挑戰(zhàn)。

2 影像處理主要流程

2.1 影像預(yù)處理與影像重疊度計算 影像預(yù)處理主要集中于數(shù)碼相機鏡頭非線性畸變的糾正和成像時由于飛行器姿態(tài)變化引起的圖像旋轉(zhuǎn)和投影變形的糾正。在焦距確定的情況下，鏡頭畸變屬于系統(tǒng)誤差，它對每幅圖像產(chǎn)生的影響都是相同的，可以用數(shù)學(xué)公式或模型加以模擬預(yù)測，進行統(tǒng)一糾正。但是由于飛行的不穩(wěn)定造成的圖像旋轉(zhuǎn)和投影形變卻是每一幅都不一樣，需要逐幅進行糾正[3]。影像預(yù)處理還要注意落水、補飛、斷航線、斜飛等情況。endprint

通過相鄰影像的匹配可以獲得大量的同名點，經(jīng)過同名點自動測量后，可以根據(jù)同名點坐標(biāo)計算相鄰影像數(shù)據(jù)的實際重疊度。

2.2 空中三角測量 空中三角測量的主要目的是為影像糾正、數(shù)字高程模型建立和立體采集提供定向成果?？罩腥菧y量是利用航攝像片與所攝目標(biāo)之間的空間幾何關(guān)系，根據(jù)少量像片控制點，計算待求點的平面位置、高程和像片外方位元素的測量方法。

在空中三角測量時，匹配是通過坐標(biāo)系的變換，應(yīng)用前方后方交會的方法根據(jù)特征進行的同名點匹配，需要進行航內(nèi)航間的匹配，匹配密度較小?？杖ヅ涫菫榱Ⅲw測圖做準(zhǔn)備，匹配完成后，為了獲取模型連接點，還需進行提取匹配點（串點）操作。相對定向是根據(jù)有一定重疊度的影像，以第一張像片的相主點為坐標(biāo)原點的坐標(biāo)系為參照坐標(biāo)系，確定第二張照片相對于第一張照片的位置和姿態(tài)。絕對定向是通過量取地面控制點或內(nèi)業(yè)加密點對應(yīng)的像點坐標(biāo)，解算模型的外方位元素，確定影像坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系之間的關(guān)系。通過添加控制點及刺加四個角點的控制點后進行平差解算，預(yù)測剩余像控點的位置，從而對預(yù)測像控點精確調(diào)整，全部添加完畢后再次進行平差，即可查看控制點精度報告。

2.3 影像生產(chǎn)與制作 DEM即地面高程信息，是對地貌形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)，它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。數(shù)據(jù)線劃圖數(shù)據(jù)中的等高線、高程點、道路、水系等可以導(dǎo)入立體模型，與采集到特征點一起構(gòu)建TIN，內(nèi)插得到DEM[4]。DEM可與DOM或其它專題數(shù)據(jù)疊加用于相關(guān)分析。

DEM數(shù)據(jù)對影像進行數(shù)字微分糾正和影像重采樣后可以生成數(shù)字正射影像，使用鑲嵌命令將正射影像集拼接生成DOM總圖（如圖2）。鑲嵌時應(yīng)注意拼接的一致性，不應(yīng)產(chǎn)生整體性視覺差異，在生成的DOM里，應(yīng)檢查是否有漏洞、扭曲以及錯位等，若存在這些現(xiàn)象，可運用“局部替換”或“邊界外延”進行手動編輯調(diào)整。

2.4 質(zhì)量檢查 空間參考系檢查主要檢查大地基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)是否符合相關(guān)規(guī)范要求，地圖投影是否正確使用，地圖分幅和內(nèi)圖廓信息是否正確和完整。位置精度檢查涉及實際地形地物的平面和高程精度，主要包括控制點坐標(biāo)、中誤差、等高距、幾何位移和接邊誤差。屬性精度檢查主要包括分類代碼和屬性正確性檢查。此外還應(yīng)檢查完整性、邏輯一致性等。

3 無人機低空遙感技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用

3.1 大比例尺地形圖測繪 大比例尺測圖按方法可分為航空遙感攝影和人工野外測圖兩種。野外測圖是由作業(yè)人員到實地采用GPS、全站儀等進行控制測量、碎步測量，最后進行內(nèi)業(yè)作業(yè)，該測量方式具有精度較高、人工成本較高、時間較長等特點。航空遙感攝影過程主要包括航飛-控制測量-像控-調(diào)繪-成圖等，是大范圍地形圖測繪的主要方式。但航攝空域申請手續(xù)復(fù)雜、對機場及天氣條件要求較高、數(shù)據(jù)獲取成本較高。無法滿足快速變化地區(qū)的遙感監(jiān)測對數(shù)據(jù)實時性的要求，不適于中小面積的數(shù)據(jù)獲取及測繪任務(wù)。

3.2 國土資源監(jiān)測 國土資源監(jiān)測主要是對國土資源變化情況進行實時監(jiān)測。傳統(tǒng)的監(jiān)測方式成本較高、時間較長、響應(yīng)較慢，不能實時反映國土資源現(xiàn)狀的變化情況。而無人機遙感可以在低空取得光學(xué)影像，與其他方式相比具有明顯優(yōu)勢，其能夠應(yīng)對每年開展的全國土地變更調(diào)查監(jiān)測與核查項目，也能夠有效降低地籍調(diào)查成本，還能夠?qū)Πl(fā)現(xiàn)的違法用地、非法開采等情況進行評估，為土地執(zhí)法檢查提供重要依據(jù)。

3.3 應(yīng)急監(jiān)測 貴州省是一個地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重多發(fā)的地區(qū)，大量的地質(zhì)災(zāi)害隱患嚴(yán)重威脅著城鎮(zhèn)、村莊、道路交通等工程設(shè)施。無人機結(jié)合工作底圖航拍作業(yè)法具有實時性強、影像分辨率高的特點，能夠在高度危險地區(qū)進行作業(yè)，使得無人機遙感可以在自然災(zāi)害發(fā)生后能夠迅速反應(yīng)。通過對航攝影像快速拼接和處理，可以迅速準(zhǔn)確反映現(xiàn)勢狀況，對于及時制定救援策略，提高救援效率起著極其重要的作用。通過高分辨率遙感影像和原有數(shù)據(jù)疊加，可以準(zhǔn)確定位受災(zāi)區(qū)域的具體位置及邊界，在ArcGIS軟件中對房屋損毀數(shù)量、受災(zāi)面積的統(tǒng)計，再結(jié)合調(diào)查，進行災(zāi)害評估。

4 總結(jié)

無人機遙感技術(shù)是現(xiàn)代測繪技術(shù)的重要組成部分[5]，其具有高分辨率影像和高精度定位數(shù)據(jù)獲取能力。隨著國民經(jīng)濟及社會發(fā)展對數(shù)據(jù)的要求不斷提高，無人機遙感在規(guī)劃建設(shè)、水利監(jiān)測、礦產(chǎn)資源勘探等各個領(lǐng)域發(fā)揮了積極作用，成為現(xiàn)代測繪重要的遙感數(shù)據(jù)來源，應(yīng)用前景廣闊。無人機作為新興高科技產(chǎn)業(yè)應(yīng)加大技術(shù)投入，加快應(yīng)用轉(zhuǎn)化，降低行業(yè)準(zhǔn)入成本。在政策方面，應(yīng)積極吸取國外行業(yè)管理經(jīng)驗，進一步加快并明確無人低空遙感行業(yè)的法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻：

[1]王柯.無人機低空遙感技術(shù)進展及典型行業(yè)應(yīng)用綜述[J].測繪通報，2017（增刊）：79-83.

[2]王光彥.低空無人機遙感在水利工程測繪中的應(yīng)用研究 [J].測繪與空間地理信息，2016（39）：113-118.

[3]王相文.無人機低空攝影測量系統(tǒng)在大比例尺地形圖中的應(yīng)用 [J].地礦測繪，2013（29）：34-36.

[4]張惠均.無人機航測帶狀地形圖的試驗及分析[J].測繪科學(xué)，2013（38）：101-104.

[5]李德仁.無人機遙感系統(tǒng)的研究進展與應(yīng)用前景[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2014（5）：505-512.endprint