無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

陳柏穆

摘 要：近年來，無人機(jī)測繪技術(shù)發(fā)展迅速，具有效率高、出錯(cuò)率低、不易受到外界干擾及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息動態(tài)監(jiān)測及應(yīng)急處理，適用于多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，能滿足多種數(shù)據(jù)測繪需求。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)探討了無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)測繪;數(shù)據(jù)處理;關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1672-5603（2022）01-81-05

Key Technology and Application of UAV Mapping Data Processing

CHEN Baimu

（The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province， Changsha Hunan 410114）

Abstract： In recent years， UAV mapping technology has developed rapidly. It has the advantages of high efficiency， low error rate， less vulnerable to external interference and strong applicability. It can realize data information dynamic monitoring and emergency processing， and it is suitable for multiple application fields and meet a variety of data mapping needs. In this paper， the key technologies and applications of UAV mapping data processing are discussed according to the relevant literature.

Keywords： UAV mapping; data processing; key technology

無人機(jī)測繪技術(shù)是信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代下的產(chǎn)物，是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)及信息技術(shù)產(chǎn)生的一種綜合型、數(shù)字型及信息化技術(shù)，該技術(shù)促進(jìn)了現(xiàn)代測繪行業(yè)智能化、自動化發(fā)展。與傳統(tǒng)測繪技術(shù)相比，無人機(jī)測繪技術(shù)不容易受到外界因素干擾，具有良好的適用性，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，成為測繪技術(shù)不可替代的重要分支。無人機(jī)測繪已經(jīng)成為測繪行業(yè)的重要發(fā)展領(lǐng)域，其應(yīng)用前景廣闊，無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)是測繪領(lǐng)域的重要研究方向。

1 無人機(jī)測繪技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

無人機(jī)是利用無線電遙控設(shè)備及自備（接收）程序控制裝置實(shí)行操作的不載人飛行器。按應(yīng)用領(lǐng)域分為軍用與民用。在民用領(lǐng)域，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航拍、農(nóng)業(yè)、測繪、環(huán)境保護(hù)、新聞報(bào)道、監(jiān)測監(jiān)控、救災(zāi)、巡檢、影視拍攝等多個(gè)領(lǐng)域。無人機(jī)測繪技術(shù)一般特指無人機(jī)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)。

在國外，關(guān)于無人機(jī)測繪技術(shù)的研究已經(jīng)成熟，很多機(jī)構(gòu)和學(xué)者都對無人機(jī)測繪技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。由于衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)是無人機(jī)測繪技術(shù)研究的基礎(chǔ)，眾多衛(wèi)星導(dǎo)航定位機(jī)構(gòu)率先開展了無人機(jī)測繪技術(shù)。在國內(nèi)，南方測繪、中海達(dá)、拓普康、天寶等單位都對無人機(jī)測繪技術(shù)進(jìn)行了深入研究，AscTesc、3D Robotics、Parrot等硬件生產(chǎn)商也參與了無人機(jī)硬件研究，為我國無人機(jī)測繪技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。此外，以北京航空航天大學(xué)為代表的高校研究機(jī)構(gòu)也對無人機(jī)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)及飛控系統(tǒng)等進(jìn)行了深入研究，對測繪領(lǐng)域發(fā)展、無人機(jī)測繪技術(shù)開發(fā)起到很好的導(dǎo)向作用[1]。

目前無人機(jī)測繪技術(shù)越來越完善，已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)多樣化，同時(shí)衍生出很多種類的無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)，包括DOM技術(shù)、PPK技術(shù)、INS技術(shù)、空中三角測量技術(shù)和DEM技術(shù)等，致使數(shù)據(jù)處理智能化、自動化水平日益提升。目前無人機(jī)測繪技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，不僅在航海航空領(lǐng)域得到了應(yīng)用，還在環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘測、礦山監(jiān)測及城建等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并逐漸走入到普通公眾的日常生活中。

2 無人機(jī)測繪技術(shù)類型及優(yōu)點(diǎn)

2.1 類型

應(yīng)用于測繪領(lǐng)域的無人機(jī)，以固定翼無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用頻率最高，固定翼無人機(jī)對起降場地要求相對較高，需要一塊相對開闊的平地，多旋翼無人機(jī)可以隨地起飛。以尺度分微型、輕型無人機(jī);以活動半徑分超近程、近程無人機(jī);以任務(wù)高度分超低空、低空無人機(jī)，兼有部分中空無人機(jī);以傳感器分為普通航攝無人機(jī)、傾斜航攝無人機(jī)、視頻無人機(jī)等。

2.2 優(yōu)點(diǎn)

無人機(jī)測繪技術(shù)能夠滿足復(fù)雜惡劣環(huán)境下的測繪需求，具有很高的靈活性及工作效率，并且精細(xì)程度較高，主要優(yōu)點(diǎn)如下。

2.2.1 工作效率高

無人機(jī)測繪技術(shù)是在信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字化等技術(shù)及通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，融合了信息網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化及通信等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，能夠自動檢測各種數(shù)據(jù)信息，加上操作簡單，與傳統(tǒng)人工測繪技術(shù)相比，其應(yīng)用效率更高，能夠幫助相關(guān)技術(shù)人員快速回傳高精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)信息及高清圖像。

2.2.2 適用性強(qiáng)且運(yùn)作靈活

無人機(jī)測繪技術(shù)不僅能夠在地面上使用，還能夠在低空及中空飛行，故能夠滿足航海航空等高難度測繪需要，其適用性很強(qiáng)。無人機(jī)自身質(zhì)量較低，能夠輕便靈活地穿梭在不同環(huán)境、空間及領(lǐng)域，如礦山環(huán)境、高空及海面等，其運(yùn)作靈活性非常強(qiáng)[2]。此外，無人機(jī)構(gòu)件簡單且能夠根據(jù)需求選擇起降方式等，被稱為最便捷、靈活的測繪工具及技術(shù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理精準(zhǔn)度高

與衛(wèi)星測繪相比，無人機(jī)測繪技術(shù)獲取的影像數(shù)據(jù)分辨率更高，能夠清晰逼真地反映現(xiàn)場現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)地面目標(biāo)的大尺度精細(xì)化測量。同時(shí)，由于無人機(jī)應(yīng)用了信息網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化及智能化等技術(shù)，其精準(zhǔn)度得到大幅度提高，具有自動檢測、計(jì)算和糾正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)信息的功能，故能夠有效減少誤差發(fā)生，提高數(shù)據(jù)處理精準(zhǔn)度。

3 無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

立足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以傾斜航空攝影為例，無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)作業(yè)流程如圖1所示。

3.1 多相機(jī)集成技術(shù)

多相機(jī)集成技術(shù)作用、應(yīng)用原理與非量測相機(jī)相似，但不同的是多相機(jī)集成技術(shù)因?yàn)樾枰獙⒍鄠€(gè)相機(jī)組合共同運(yùn)行才能生成高清圖像，在整個(gè)過程中相互之間彌補(bǔ)不足，解決了單個(gè)相機(jī)幅面較小、數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、圖像不清晰的問題 [4]。多相機(jī)技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用還能夠有效減少影像數(shù)量，從而快速獲取高效投影結(jié)果。這是因?yàn)槎嘞鄼C(jī)拼接模型能夠針對內(nèi)框架的連接處理模式進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的相機(jī)體系組裝，從而滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測及處理需求。

3.2 相機(jī)校驗(yàn)技術(shù)

非量測相機(jī)一直都是無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)重要組成部分，很多無人機(jī)設(shè)備都裝備有相應(yīng)型號的相機(jī)。無人機(jī)運(yùn)行過程中可將相片中心作為坐標(biāo)系的中心，然后結(jié)合測繪系統(tǒng)將被測繪對象的影像分布情況通過相機(jī)校驗(yàn)功能呈現(xiàn)在圖片上，以便于測繪人員更為直觀、清晰地觀察到被測繪對象的實(shí)際情況。非量測相機(jī)必須與自檢校法聯(lián)合使用，否則鏡頭上會出現(xiàn)極大畸變差，增加測量坐標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際情況的誤差，而自檢校法則能夠及時(shí)校驗(yàn)，減少誤差[2-3]。

3.3 PPK技術(shù)與INS技術(shù)

無人機(jī)身形小，飛行時(shí)很容易因?yàn)闅鈮?、大風(fēng)等環(huán)境因素使機(jī)身受損，影響繪制結(jié)果準(zhǔn)確性，而PPK技術(shù)則能夠自行修改相片位置、糾正數(shù)據(jù)信息，保證和提高無人機(jī)測繪結(jié)果準(zhǔn)確性，所以PPK技術(shù)又稱為動態(tài)后處理技術(shù)。PPK技術(shù)能夠克服部分氣候帶來的不利影響，其應(yīng)用原理在于先借助接收機(jī)、流動站測量衛(wèi)星載波機(jī)位，然后利用PPK技術(shù)糾正、確認(rèn)相關(guān)數(shù)據(jù)信息[3]。此外，PPK技術(shù)還具有可視性好、能見度高、受季節(jié)影響小等特點(diǎn)，能夠最大限度減小誤差（誤差精度可達(dá)5 mm）。

INS技術(shù)則是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，該技術(shù)不依賴于外部信息就能夠自動調(diào)整數(shù)據(jù)信息，并繪制相關(guān)圖像，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，其應(yīng)用原理在于根據(jù)慣性空間力學(xué)定律計(jì)算運(yùn)動速度、旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行調(diào)整和確認(rèn)。

3.4 空中三角測量

3.4.1 自動空中三角測量

自動空中三角測量技術(shù)的測繪原理是利用模式識別技術(shù)代替人工判別，獲取重疊航片上的同名點(diǎn)的像點(diǎn)坐標(biāo)，作為參數(shù)提供給區(qū)域網(wǎng)平差方程解算，確定加密點(diǎn)空間位置和影像拍攝元素?？罩腥菧y量技術(shù)在應(yīng)用過程中需要與相機(jī)檢校技術(shù)聯(lián)合，這樣才能將獲取的相片形成一種空間幾何關(guān)系，然后通過分析結(jié)合關(guān)系找到對應(yīng)相片的控制點(diǎn)要素，最后計(jì)算方位因素，并以高清圖像的形式呈現(xiàn)出來，這樣能夠有效提高測繪結(jié)果精準(zhǔn)度[5]。此外，還可以利用GPS技術(shù)輔助空中三角測量，這樣能夠快速找到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并及時(shí)糾正，并獲取空三加密單元之外的數(shù)據(jù)信息。

3.4.2 提升空中三角測量精度

空中三角測量計(jì)算的原理在于利用光束法平差對外業(yè)控制點(diǎn)各坐標(biāo)觀測值進(jìn)行對比分析，并實(shí)時(shí)列舉實(shí)際值，列出求解誤差方程，然后適當(dāng)對誤差方程施加權(quán)重，最后結(jié)合加密點(diǎn)求解出誤差值。利用誤差處理軟件調(diào)整、控制誤差，通?？赏ㄟ^控制不同面的控制點(diǎn)權(quán)重及高差精度來達(dá)到減少誤差的目的，多次檢測結(jié)果都顯示控制點(diǎn)權(quán)重與精度呈正相關(guān)關(guān)系，即其他條件不變的情況下，權(quán)重越大則精度越高，所以為防止控制點(diǎn)成像過程中發(fā)生變形，可以通過調(diào)整控制點(diǎn)權(quán)重來及時(shí)糾正誤差，從而減少變形，提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度[9]。

3.5 加密精度分析評價(jià)技術(shù)

加密精度分析評價(jià)技術(shù)雖然是空中三角測量的一個(gè)環(huán)節(jié)，但體系相對獨(dú)立，故被很多技術(shù)人員獨(dú)立研究。加密精度分析技術(shù)不僅影響整個(gè)數(shù)字的外業(yè)控制精度，還影響數(shù)字分辨精度，故加密精度分析技術(shù)又分為外業(yè)控制精度分析技術(shù)、數(shù)字分辨精度技術(shù)2種。加密精度分析技術(shù)的應(yīng)用原理在于利用光系數(shù)法對實(shí)際測量點(diǎn)的坐標(biāo)觀測值及相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加密分析及處理，以提高觀測值及數(shù)據(jù)信息的精度，同時(shí)還能夠在測量過程中設(shè)定相關(guān)指標(biāo)，以便于分析比較精度[6]。加密精度分析技術(shù)的應(yīng)用雖然能夠提高整個(gè)數(shù)據(jù)測量及攝影測量工程精度，但有部分成果評判機(jī)制不穩(wěn)定，導(dǎo)致精度破損，故存在一定誤差，需要進(jìn)行至少2次測量及分析，以減少誤差。

3.6 三維模型重建技術(shù)

實(shí)景三維模型不僅應(yīng)用到信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，還應(yīng)用到數(shù)字化技術(shù)、通信技術(shù)及智能化技術(shù)，因此，很多信息都是以數(shù)字的形式表現(xiàn)出來。實(shí)景三維模型（圖1）主要應(yīng)用于城市建設(shè)領(lǐng)域，與其他模型項(xiàng)目相比，實(shí)景三維模型能夠?qū)⒋蠓秶鞘械拿娣e、環(huán)境結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)等以三維場景的形式展現(xiàn)出來，為城市管理者及建設(shè)者提供更多可靠依據(jù)，對城市化建設(shè)及發(fā)展起到了積極作用[8]。

4 無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)的典型應(yīng)用

4.1 環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域

環(huán)境污染不僅影響人與自然環(huán)境的和諧發(fā)展，還影響我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，所以解決環(huán)境污染問題一直都是我國最重要的社會發(fā)展任務(wù)。環(huán)境監(jiān)測是發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染原因、污染源等的重要途徑，故很多地區(qū)在治理環(huán)境污染時(shí)都會進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測。而無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用則能夠提高環(huán)境監(jiān)測準(zhǔn)確度，所獲取的測繪數(shù)據(jù)分辨力極高，能夠提煉出更為準(zhǔn)確、全面的環(huán)境污染情況，為環(huán)境保護(hù)策略制定等工作提供可靠依據(jù)。

4.2 國土測繪領(lǐng)域

我國占地面積位居世界第三，土地資源非常豐富。無人機(jī)測繪技術(shù)能夠獲得分辨率極高的影像，在相關(guān)工作中能夠精細(xì)化地探測到各類土地資源的分布位置和變化情況，為土地管理部門進(jìn)行國土空間規(guī)劃和開發(fā)利用管理提供可靠依據(jù) 。

4.3 災(zāi)情救援領(lǐng)域

湖南地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較多，每年4～10月大部分地區(qū)出現(xiàn)了降雨偏多情況，根據(jù)湖南地質(zhì)環(huán)境特征、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律，突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害起數(shù)可能較常年平均值偏多，災(zāi)種主要以滑坡、崩塌、泥石流為主。這些自然災(zāi)害都對人類的生產(chǎn)及生活造成不利影響，嚴(yán)重者直接導(dǎo)致大量人和動物死亡，所以自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)采取有效性災(zāi)情救援措施非常重要。筆者所在單位的應(yīng)急測繪部主要用無人機(jī)采集災(zāi)后正射影像圖、360空中全景、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，能夠幫助救援者快速了解自然災(zāi)害具體位置、災(zāi)難情況等信息，然后結(jié)合這些信息制定針對性救援措施或者戰(zhàn)略，保證救援工作順利開展。

4.4 礦山測繪領(lǐng)域

礦產(chǎn)資源一直都是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展及技術(shù)發(fā)展的主要原動力，所以不斷開發(fā)礦產(chǎn)資源、提高礦產(chǎn)資源利用率是我國主要發(fā)展目標(biāo)之一。通過礦山測繪能夠了解礦產(chǎn)資源所在地理位置的地形地勢，這對礦山安全開采、礦產(chǎn)資源利用率提升等來說都非常有利。例如INS技術(shù)、無人機(jī)空中三角加密精度分析技術(shù)及DEM技術(shù)等能夠采集礦山面積、高度等數(shù)據(jù)信息，為礦山開采提供可靠依據(jù)及正確指導(dǎo)。

4.5 城建領(lǐng)域

城建包括城市建筑建設(shè)及交通建設(shè)，無論是房屋工程建設(shè)，還是地鐵工程、鐵路工程、汽車隧道工程、橋梁橋墩工程建設(shè)，都需要對工程的地理位置、土層結(jié)構(gòu)等進(jìn)行測繪，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題。例如，在建設(shè)公路隧道工程時(shí)，使用無人機(jī)相機(jī)技術(shù)、空中三角測量技術(shù)、實(shí)景三維模型技術(shù)等可以檢測隧道內(nèi)部是否有裂痕、漏水等異常，并檢測隧道結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性及承載力等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，然后采取針對性安全風(fēng)險(xiǎn)防范措施，提高工程質(zhì)量及使用價(jià)值。

除了上面提到的領(lǐng)域以外，無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理技術(shù)還被應(yīng)用到電力、水利、交通、環(huán)保等行業(yè)。此外，在公安治理、消防、反恐等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

國內(nèi)外的無人機(jī)測繪技術(shù)已經(jīng)取得了大量的實(shí)用性成果，在各大領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值也得到充分發(fā)揮，對各大領(lǐng)域發(fā)展都起到了積極的促進(jìn)作用，越來越多國家都開始重視，并積極開發(fā)無人機(jī)測繪技術(shù)，以此來帶動國家經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)發(fā)展。無人機(jī)測繪技術(shù)具有數(shù)據(jù)效率高、出錯(cuò)率低、不易受到外界干擾及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠適用于各大領(lǐng)域，促進(jìn)各大領(lǐng)域進(jìn)步及發(fā)展。相機(jī)校驗(yàn)技術(shù)、DOM技術(shù)、PPK技術(shù)、INS技術(shù)、空中三角測量技術(shù)、無人機(jī)空中三角加密精度分析技術(shù)、DEM技術(shù)、實(shí)景三維模型技術(shù)等都是常見的無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)能夠高效處理數(shù)據(jù)信息，在環(huán)境監(jiān)測、國土測繪、災(zāi)情救援、礦山測繪、城建等領(lǐng)域都取得了很好的應(yīng)用效果，所以大力推廣和應(yīng)用無人機(jī)測繪數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)是非常必要的，應(yīng)得到高度重視及關(guān)注。

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