無人機(jī)遙感在應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用探討

楊光 胡驚鵬 許言 井琳

（1.河南省測繪工程院，河南 鄭州 450003；2.河南省基礎(chǔ)地理信息中心，河南 鄭州 450003；3.河南省測繪發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450003）

近年來，無人機(jī)遙感及無人機(jī)監(jiān)測等技術(shù)手段日趨成熟，航空攝影、機(jī)載合成孔徑雷達(dá)、應(yīng)急監(jiān)測移動平臺系統(tǒng)等一系列高新測繪地理信息技術(shù)已廣泛應(yīng)用于應(yīng)急測繪保障領(lǐng)域。而憑借機(jī)動靈活、快速高效、作業(yè)成本低等優(yōu)勢，無人機(jī)在災(zāi)情偵察、災(zāi)害調(diào)查和災(zāi)后重建等應(yīng)急測繪保障工作中發(fā)揮了重要作用。通過分析應(yīng)急測繪保障任務(wù)對無人機(jī)遙感的要求，研究無人機(jī)遙感影像快速處理的關(guān)鍵技術(shù)，有助于提高應(yīng)急測繪保障的質(zhì)量和效率。

1 應(yīng)急測繪保障任務(wù)對無人機(jī)遙感的要求

1.1 時效性強(qiáng)

應(yīng)急測繪保障任務(wù)具有突發(fā)性和不可預(yù)測性,保障單位接到命令后要第一時間趕赴現(xiàn)場,這對保障單位的反應(yīng)速度要求較高。近年來，我國頻發(fā)的地震、泥石流等自然災(zāi)害中,無人機(jī)均是最先運(yùn)到災(zāi)區(qū)，快速獲取任務(wù)區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)。在應(yīng)急測繪保障中,遙感影像的時效性越強(qiáng),就越有利于指揮員掌握災(zāi)區(qū)情況,針對災(zāi)區(qū)特點(diǎn)制定切實(shí)有效的行動計(jì)劃。

1.2 機(jī)動性強(qiáng)

應(yīng)急測繪保障任務(wù)中，保障單位需要根據(jù)實(shí)際情況,將裝備快速運(yùn)送到指定地點(diǎn),因此對裝備的機(jī)動性要求較高。傳統(tǒng)遙感設(shè)備只適合在室內(nèi)作業(yè),且獲得遙感成果的時間較長,與應(yīng)急保障任務(wù)的快速機(jī)動要求不符[1]。無人機(jī)遙感系統(tǒng)以無人機(jī)為平臺，以各種成像與非成像傳感器為主要載荷,飛行高度一般在幾千米以內(nèi)，體積較小，自動化程度高，能夠快速獲取任務(wù)區(qū)域的遙感影像、視頻等信息[2], 可滿足保障單位對任務(wù)區(qū)域地理信息數(shù)據(jù)的需求。

1.3 影像精度高

在應(yīng)急測繪保障任務(wù)中，指揮員對受災(zāi)區(qū)域的地理位置精度要求較高。地理位置越精確,越有利于指揮員制定高效的救援計(jì)劃，確保任務(wù)順利開展。無人機(jī)遙感系統(tǒng)能在幾千米以內(nèi)的低空飛行,作業(yè)周期短，可快速獲取高精度的遙感影像,滿足指揮員對任務(wù)區(qū)域地理位置的高精度要求。

1.4 動態(tài)監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域

應(yīng)急測繪保障任務(wù)不僅對遙感影像的時效性和精度要求高,還需要進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,讓指揮員掌握目標(biāo)區(qū)域的實(shí)時變化。無人機(jī)遙感系統(tǒng)能滿足應(yīng)急測繪保障任務(wù)對動態(tài)監(jiān)測的要求，比如，在火災(zāi)救援中，通過無人機(jī)遙感系統(tǒng)的影像動態(tài)監(jiān)測能及時掌握災(zāi)情。

2 無人機(jī)遙感影像快速處理的關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)遙感影像具有空間分辨率高、時效性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn),但是受無人機(jī)飛行高度、數(shù)碼相機(jī)焦距等限制,單張無人機(jī)遙感影像的覆蓋范圍較小,僅靠單張影像,難以形成對任務(wù)區(qū)域的整體認(rèn)知,因此需要利用多種技術(shù)將無人機(jī)遙感影像進(jìn)行快速處理。

2.1 空三加密

空三加密，即解析空中三角測量，是指用攝影測量解析法確定區(qū)域內(nèi)所有影像的外方位元素。在快速處理無人機(jī)遙感影像時，利用測區(qū)中影像連接點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)和少量的已知像點(diǎn)坐標(biāo)及其大地坐標(biāo)的地面控制點(diǎn)，通過平差計(jì)算，求解連接點(diǎn)的大地坐標(biāo)與影像的外方位元素。空三加密軟件通過引入視覺方法，對兩視圖進(jìn)行定向，從而實(shí)現(xiàn)空中三角測量，獲得精度穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠的空三成果。

2.2 數(shù)字影像匹配與數(shù)字表面模型生產(chǎn)

影像匹配是在兩幅或多幅影像間識別同名元素，這是現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)視覺及數(shù)字?jǐn)z影測量的一個核心問題。目前，影像匹配主要是以數(shù)字影像局部范圍內(nèi)的灰度值及其分布作為處理的主要對象，通過計(jì)算其自身的相似性來確定同名元素[3]?；叶扔跋衿ヅ涞幕具^程，是通過在影像上選一個要匹配的目標(biāo)點(diǎn)，以目標(biāo)點(diǎn)為中心，開取一個一定大小的目標(biāo)窗口，利用影像重疊范圍知識，確定影像上同名點(diǎn)的搜索區(qū)域，再以搜索區(qū)域內(nèi)的每一點(diǎn)為中心，開取同樣大小的搜索窗口，計(jì)算目標(biāo)窗口與搜索窗口間的相似程度，然后以最佳相似性所對應(yīng)的匹配窗口作為配準(zhǔn)窗口。數(shù)字表面模型通常就是指地表上最先反射或可視的一種模型，通過對數(shù)字表面模型進(jìn)行濾波處理，能夠有效去除建筑物等，編輯后即可生成數(shù)字高程模型。

2.3 線劃圖采集

在空中三角測量成果的基礎(chǔ)上，通過立體測圖方式，采集地物和地貌數(shù)據(jù)。其中，采集點(diǎn)狀要素時，必須要側(cè)重注意要素的定位位置，測標(biāo)中心則必須切準(zhǔn)點(diǎn)狀地物的定位點(diǎn)，采集過程中應(yīng)注意采集的方向。線狀要素采集過程中，首先要采集地物的實(shí)際位置，然后合理處理各要素間的關(guān)系，使要素之間協(xié)調(diào)一致。而采集面狀要素時，則需要使用相應(yīng)要素的編碼采集面狀符號，然后在閉合面域進(jìn)行“閉合”處理，要素屬性需要標(biāo)注在采集要素的相關(guān)位置上。

3 無人機(jī)遙感在應(yīng)急測繪保障中的應(yīng)用

3.1 在地質(zhì)災(zāi)害救援中的應(yīng)用

近年來,各種地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生,測繪無人機(jī)在搶險救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，為及時得到災(zāi)區(qū)最新的地理信息數(shù)據(jù)，為評估災(zāi)情和制定救援計(jì)劃提供依據(jù),可利用無人機(jī)快速獲取災(zāi)區(qū)的遙感影像，并實(shí)時監(jiān)測災(zāi)情。比如，2008年四川汶川發(fā)生八級地震,同時還伴隨大量山體崩塌、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,道路遭到嚴(yán)重破壞,救援一度受到中斷。救援過程中,為快速了解災(zāi)區(qū)情況,政府部門及時派出測繪無人機(jī)進(jìn)入災(zāi)區(qū),對房屋、道路損壞等災(zāi)情進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,為地震救援工作提供了及時的信息保障。

3.2 在城市火災(zāi)救援中的應(yīng)用

測繪無人機(jī)可以應(yīng)用到火災(zāi)救援中。發(fā)生火災(zāi)后,要第一時間了解火情,制定合理的救火方案。然而，消防人員越靠近火災(zāi)現(xiàn)場危險性就越高,這時就可以利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)到達(dá)消防人員不能靠近的地方,從而快速傳回現(xiàn)場火災(zāi)影像,同時對火災(zāi)情況進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，為制定救火方案提供實(shí)時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，最大限度地減少人員傷亡。

3.3 在核泄漏監(jiān)測中的應(yīng)用

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，核能作為一種清潔能源在社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。但大量的核電站建設(shè)，隨之而來的則是核泄漏風(fēng)險。一旦發(fā)生核泄漏，將會嚴(yán)重影響核電站周邊環(huán)境，技術(shù)人員利用傳統(tǒng)手段，很難對極具危險性和污染性的核泄漏進(jìn)行監(jiān)測。而無人機(jī)遙感系統(tǒng)不需要技術(shù)人員親身進(jìn)入核泄漏區(qū)域，能夠?qū)?zāi)區(qū)進(jìn)行全方位監(jiān)測。國外利用無人機(jī)遙感監(jiān)測核泄漏的實(shí)例，可以供我們參考借鑒。比如，2011年日本海嘯引發(fā)了福田核電站泄漏，產(chǎn)生較大的核輻射。為了解實(shí)際的受災(zāi)情況，美國派出無人機(jī)對核電站周邊進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，根據(jù)測量的實(shí)際輻射水平，制定了相關(guān)的救災(zāi)方案。

3.4 在重點(diǎn)海域監(jiān)測中的應(yīng)用

我國海域遼闊、海岸線長，對海域進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測難度非常大。傳統(tǒng)的遙感監(jiān)測周期長，不利于對重點(diǎn)海域進(jìn)行實(shí)時的動態(tài)監(jiān)測[4]。而無人機(jī)遙感系統(tǒng)具有自動化程度高、監(jiān)視范圍廣、空間分辨率高、作業(yè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，能夠全天候?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測重點(diǎn)海域，并快速分析遙感影像，判斷海上出現(xiàn)的可疑艦船軌跡，從而為作業(yè)單位制定計(jì)劃提供準(zhǔn)確依據(jù)。

4 結(jié)束語

綜上所述，無人機(jī)遙感系統(tǒng)因其機(jī)動靈活、快速高效、時效性強(qiáng)、成本低、精度高、安全性高等特征，被廣泛應(yīng)用到應(yīng)急測繪保障任務(wù)中。隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人機(jī)還將會在搶險救災(zāi)、戰(zhàn)場目標(biāo)定位、環(huán)境監(jiān)測等方面發(fā)揮 重要作用。