無人機遙感測繪技術在工程測量中的應用

劉紅滬

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

隨著高新技術的發(fā)展，計算機、通信技術不斷更新，我國無人機產業(yè)取得了巨大的成績，尤其是在遙感測繪方面，借助無人機平臺的應用為各個行業(yè)提供了更快、更優(yōu)的測繪服務保障。無人機遙感技術是一種新型應用測繪技術，在機動性、靈活性方面優(yōu)勢較為顯著，測繪效率高、經濟性好，可勝任快速實時對地調查監(jiān)測任務。文章著重圍繞此技術展開詳細分析。

1 無人機遙感測繪技術研究背景

無人機全稱為無人駕駛航空器，目前無人機遙感（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing,UAVRS）在各行業(yè)中廣泛推廣，將無人機與遙感技術結合運用，可獲取大量資源、環(huán)境信息，快速獲得分辨率相對較高的遙感影像，并制作滿足規(guī)范精度要求的地理信息產品，具有自動化、智能化特點。

近些年，無人機遙感與衛(wèi)星遙感、有人駕駛飛機遙感并稱為“三大遙感平臺”，其在飛行高度、速度、條件以及影像分辨率精度方面各有差異。具體適用情況如下：

（1）衛(wèi)星遙感：適用于全球、全國大區(qū)域測繪；

（2）有人駕駛飛機遙感：適用于國內較大區(qū)域航測；

（3）無人機遙感：適用于市、縣等小范圍區(qū)域航測。

2 無人機遙感系統(tǒng)組成與測繪技術要點

2.1 無人機遙感系統(tǒng)組成

近年來，國內無人機遙感領域研究熱度居高不下，打造了不少知名品牌，包括億航、中科遙感、昊翔、華科爾、大疆等，結合《中華人民共和國測繪行業(yè)標準》（CH/T 1013—2005）要求，無人機遙感系統(tǒng)組成包括七大組成部分。

（1）飛行平臺：指無人機機體本身，用于搭設導航器、傳感器等，常見類型包括固定翼、多旋翼無人機以及無人直升機、無人飛艇。無人機（航空攝影測量）基本參數要求如表1所示。具體應用時需根據測繪項目需求選用，一般情況下滿足表1中的各項參數要求即可。

（2）飛行導航與控制系統(tǒng)：此系統(tǒng)運行目的是確保飛行平臺運行姿態(tài)正常，其直接影響遙感數據采集質量。

（3）地面監(jiān)控系統(tǒng)：無人機飛行期間主要由自動駕駛儀控制，地面監(jiān)控無人機工作狀態(tài)，具體功能如表2所示。

（4）任務設備：主要包括數碼相機及其控制裝置。其被安裝于機身任務倉內，用于獲取遙感影像。此類相機多數采用非量測相機，控制裝置與飛控系統(tǒng)一體化設計，可實現(xiàn)定點、等時間或距離間隔曝光，實時記錄曝光時影像經緯度、高度以及飛機姿態(tài)等信息。

表1 無人機（航空攝影測量）基本參數要求

表2 地面監(jiān)控系統(tǒng)功能一覽表

（5）數據傳輸系統(tǒng)：包括空中與地面兩部分。傳輸距離一般超過10km。

（6）發(fā)射與回收系統(tǒng)：一般采用地面滑跑發(fā)射與回收方法，若是遭遇復雜場地條件時，可使用彈射發(fā)射、傘降回收方法。

（7）野外保障裝備：包括野外運輸裝備、機械維護裝備，是保證無人機遙感測繪工作順利開展的基本保障。

無人機飛行作業(yè)流程圖如圖1所示。

2.2 無人機遙感測繪技術要點

（1）提出任務，申請空域。無人機遙感測繪作業(yè)任務提出后，需對測區(qū)基本情況、覆蓋范圍進行調查分析，明確測繪目標，合理制訂測繪計劃并安排外業(yè)工作時間。外業(yè)開始前，向空域管理部門申請空中作業(yè)飛行許可證，申請通過后方可進行飛行作業(yè)。

（2）航線設計。根據無人機遙感測繪作業(yè)任務要求，在無人機性能、作業(yè)時間、氣象以及安全等約束條件下，為無人機設置最優(yōu)飛行路線。無人機遙感測繪航線設計方法主要包括以下三種：①基于目標快速定位的航線設計。無人機飛行任務為目標快速定位時，由地面操作人員控制無人機爬升至任務高度后，進入程控狀態(tài)。對此，在航線設計時，需從任務高度開始確定飛行航跡。②基于區(qū)域影像獲取的航線設計。無人機飛行任務為區(qū)域影像獲取時，需在確定飛行區(qū)域的基礎上計算航帶間距、飛行高度以及航帶數目、長度等。③回收航線設計。無人機回收方法眾多，國內傘降回收、阻攔回收方法運用較多，注意合理設置回收點，應急點應超過3個。

圖1 無人機飛行作業(yè)流程圖

（3）飛行作業(yè)。無人機遙感測繪中，飛行作業(yè)時間以上午10點至下午2點為宜，微風或無風且光照充足的情況下，獲得的影像質量最佳，無人機航攝飛行作業(yè)要點如下：①明確測區(qū)位置、氣象情況，判斷無人機能否起飛。②組裝無人機、調試地面系統(tǒng)，連接無人機與地面系統(tǒng)。③在地面系統(tǒng)設置相機參數、航線等。④在地面系統(tǒng)輸入飛行指令，選擇起飛方式，控制無人機進入預定航線；控制采集設備按預定方式采集圖像，并傳輸至地面系統(tǒng)。⑤無人機飛行作業(yè)中若是出現(xiàn)異常，地面控制人員可根據實際情況調整航行路線，對重點區(qū)域及時補拍。⑥完成預定飛行任務后，沿預定航線返回出發(fā)點，保證安全著陸。⑦檢查采集到的影像數據，包括數碼相機曝光情況、無人機飛行姿態(tài)、旁向、航向重疊度等，若是檢查結果不符合內業(yè)規(guī)范要求，需及時補飛。

（4）遙感影像處理。無人機遙感測繪的最終目的是獲取任務目標各種地理信息，生成DLG、DEM、DSM、DOM等測繪產品。①數據預處理：此步驟主要是生成后期處理所需格式數據文件，具體流程如圖2所示。②空三加密：數據預處理完成后進行空三加密，包括航帶法、獨立模型法、光束法。其中，光束法最為嚴密，計算所得成果精度高，但是計算量大；航帶法解算快但是精確低，具體需根據測繪任務合理選用。③DEM、DOM制作：通過自動匹配生成DSM，濾波后生成DEM，經數字微分糾正、數字鑲嵌后，可生成數字正射影像（DOM）。

圖2 數據預處理流程

3 無人機遙感測繪技術在工程測量中的應用案例分析

3.1 測區(qū)概況

該項目為公路測繪，采用無人機遙感測繪方法輔助公路設計選線工作，成圖比例尺為1∶1000。測區(qū)位于市區(qū)以北方向，主要分為兩大部分，測區(qū)范圍如表3所示。測區(qū)主要為農區(qū)，居民地少、地物簡單，植被覆蓋面積大。測區(qū)內部有一個變電站，輕微干擾無線電信號。飛行場地開闊，天氣無明顯變化，光照條件適中。

表3 測區(qū)范圍

3.2 無人機遙感測繪設備

該項目采用無人機遙感測繪技術，選用IRSA-II型油動無人機+Nikon D800數碼單反相機，無人機采用二沖程發(fā)動機，相關參數如表4、表5所示。

3.3 無人機遙感測繪作業(yè)

（1）航線敷設。該項目是道路測繪，測區(qū)為帶狀，因此順應道路走向飛行即可，飛行起降場地條件良好，完成航攝后進行質量檢查，若是不滿足要求及時補飛，無人機攝影參數如表6所示。

表4 無人機參數

表5 相機參數

表6 無人機攝影參數

（2）外業(yè)航攝測量。該項目無人機遙控起飛至200m高度后切換為地面站自駕模式，此次航飛共飛行4個架次，獲取了滿足內業(yè)標準要求的影像數據。此次航攝具體完成情況如表7所示。

表7 航攝完成情況

（3）外業(yè)像控測量。此次外業(yè)采用區(qū)域法布設像控點，沿著測區(qū)周邊、內部以5～6條攝影基線均勻布設，共布設像控77個，人工鋪設地標、GPS-RTK測量。

（4）外業(yè)質量檢查。該項目外業(yè)檢查顯示影像清晰、色差色調適中；影像地面分辨率為0.10m（最大不超過0.12m），航向、旁向重疊度平均為73%、40%，滿足內業(yè)要求；像控點滿足1∶1000像控測量精度要求，可供內業(yè)使用。

3.4 內業(yè)數據信息處理

（1）設備配置。該項目內業(yè)數據信息處理主要采用以下設備：數據工作站1臺；空三加密軟件2套；數據編輯軟件5套；高配置計算機5臺。上述軟件、計算機均來自武漢適普軟件有限公司。

（2）內業(yè)處理流程。該項目內業(yè)處理流程如圖3所示。采用地方獨立坐標系、高斯-克呂格投影、地方獨立高程基準，使用DPGrid自動空三軟件解算，蒼穹數據處理系統(tǒng)與ARCGIS10.0進行圖像分幅。

圖3 內業(yè)處理流程圖

經內業(yè)檢查顯示，測區(qū)DOM、DEM數據質量滿足規(guī)范要求，成圖精度高、質量達標。

4 結束語

綜上所述，近年來飛速發(fā)展的無人機遙感測繪技術憑借其機動靈活、高效快速、可適應復雜區(qū)域作業(yè)等優(yōu)勢，成為傳統(tǒng)測量方式的有力補充，其操作相對容易，且運行成本低，具有極大的推廣應用價值。實施無人機遙感測繪時，應規(guī)范落實前期規(guī)劃設計、外業(yè)測繪以及內業(yè)影像處理等各項工作，切實獲得精確可靠的測量成果，為相關作業(yè)實施提供科學的參考依據。