便攜式無人機(jī)在地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

程 帆，丁 寧，彭天馳，史曉明，王 欣

（1. 湖北省航測(cè)遙感院，湖北 武漢 430074；2. 湖北省測(cè)繪工程院，湖北 武漢 430074；3. 武漢地震計(jì)量檢定與測(cè)量工程研究院有限公司，湖北 武漢 430071）

便攜式無人機(jī)不僅具有機(jī)動(dòng)性能高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且其對(duì)于氣相的要求較低，圖像測(cè)量高效、準(zhǔn)確[1]。將其應(yīng)用于地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)，能創(chuàng)新小面積應(yīng)急監(jiān)測(cè)模式，提升地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)效率和質(zhì)量。新時(shí)期要對(duì)便攜式無人機(jī)具體應(yīng)用技術(shù)做進(jìn)一步深化研究，大力拓展便攜式無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和作業(yè)流程

1.1 結(jié)構(gòu)組成

便攜式無人機(jī)地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常包含5 個(gè)部分（見圖1），除現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外，數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)、制圖輸出系統(tǒng)等都是其重要的組成，此外，該系統(tǒng)還包含了應(yīng)急數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、運(yùn)輸保障車等諸多單元[2-3]。在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，工作人員會(huì)將手拋式無人機(jī)作為飛行平臺(tái)，以此來獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的航空遙感影像，隨后在數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)作用下，可實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分層和解析，對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速鑲嵌處理，同時(shí)提取地表覆蓋物后，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域影像圖的快速整飾和輸出，繼而為地理國(guó)情應(yīng)急救援工作提供參考。

圖1 便攜式無人機(jī)地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 作業(yè)流程

通過便捷式無人機(jī)開展地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)時(shí)，一旦接收到應(yīng)急監(jiān)測(cè)指令，工作人員會(huì)依托“天地圖”公眾服務(wù)平臺(tái)開展航攝規(guī)劃，同時(shí)進(jìn)行航線的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)[4]。目前，便攜式無人機(jī)的航線設(shè)計(jì)是基于DEM 開展的。完成便攜式無人機(jī)選型后，測(cè)繪人員會(huì)將無人機(jī)飛升到預(yù)定的軌道開展航空攝影測(cè)量，以此來獲取航攝影像。在獲得航攝影像后，還需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)航攝的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)。便攜式無人機(jī)航拍攝影像資料的質(zhì)量檢查不僅包括數(shù)據(jù)覆蓋完整性檢查，而且涉及圖像重疊度檢查，此外，影像色彩檢查也是重要的檢查內(nèi)容，這樣能為后期的數(shù)據(jù)處理、攝區(qū)DEM形成和影像圖鑲嵌提供有效參考，繼而確保地表覆蓋圖的準(zhǔn)確性。依據(jù)地表覆蓋圖，前線應(yīng)急指揮部不僅能系統(tǒng)地開展地理國(guó)情應(yīng)急救援指揮，而且可以將其作為參考資料，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)共享和會(huì)商，以此來實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用。

2 應(yīng)用及效果

2.1 精準(zhǔn)實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集是便攜式無人機(jī)地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的基本內(nèi)容，在數(shù)據(jù)采集過程中，除便攜式無人機(jī)飛行平臺(tái)、影像獲取傳感器外，地面監(jiān)控系統(tǒng)也發(fā)揮著功能系統(tǒng)的作用。此外，這些單元構(gòu)件的運(yùn)作需要航攝規(guī)劃軟件進(jìn)行控制協(xié)同。

無人機(jī)裝備本身具有攜帶方便的特點(diǎn)，故而在到達(dá)地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)區(qū)域前，可通過任意車輛裝載無人機(jī)裝備，除此之外，測(cè)繪人員還可將其裝載在背包內(nèi)，然后隨隊(duì)伍前行。開展應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，還需要對(duì)飛行平臺(tái)的起飛和回收進(jìn)行系統(tǒng)管理。通常，手拋式或彈射助飛是飛行平臺(tái)起飛的重要方式，在飛行平臺(tái)回收中，主要通過傘降的方式進(jìn)行無人機(jī)飛行平臺(tái)回收。實(shí)際作業(yè)中，要求便攜式無人機(jī)作業(yè)的方圓1 000 m 為凈空條件，然后測(cè)繪人員按照DEM、攝區(qū)拐點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)其進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，以此來獲取較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)資料。一般情況下，便攜式無人機(jī)在接收到應(yīng)急監(jiān)測(cè)命令，且完成組裝起飛后，在60 min 內(nèi)需獲取3 km2的航攝影像，并且影像的分辨率需要優(yōu)于0.1 m[5]。

2.2 快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

依托便攜式無人機(jī)完成地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)后，工作人員還要快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從數(shù)據(jù)處理過程來看，航攝質(zhì)量檢查、影像數(shù)據(jù)處理是極為重要的兩個(gè)組成部分。其中，航攝質(zhì)量檢查不僅包含數(shù)據(jù)的完整性檢查，而且包含重疊和色彩檢查。通過這些內(nèi)容的檢查，需要實(shí)現(xiàn)航攝質(zhì)量的初步檢查，并確定補(bǔ)飛的區(qū)域和重飛區(qū)域。值得注意的是，經(jīng)檢查航攝質(zhì)量符合應(yīng)急監(jiān)測(cè)要求后，還需要對(duì)獲取的影響資料進(jìn)行空三加密和密集匹配處理，同時(shí)在完成DS 米濾波、DEM 生成、正射糾正后，需再次勻光勻色，由此形成影像圖的鑲嵌，透過鑲嵌的影像圖，應(yīng)急監(jiān)測(cè)人員不僅能掌握監(jiān)測(cè)區(qū)的建筑、水體等地物，而且能知曉救援所需的道路，這為后期救援工作開展提供了有效參考[6]。

在開展數(shù)據(jù)快速處理過程中，首要任務(wù)就是對(duì)航向重疊度和旁向重疊度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確認(rèn)獲取的數(shù)據(jù)是否全面，并判斷是否需要利用便攜式無人機(jī)補(bǔ)飛來重新獲取數(shù)據(jù)。通常，要求便攜式無人機(jī)航向的重疊度小于60%，同時(shí)旁向的重疊度需保持在8%以內(nèi)。在實(shí)際處理中，60 min內(nèi)需完成所測(cè)3 km2范圍內(nèi)圖像數(shù)據(jù)的處理。出于數(shù)據(jù)處理效率考慮，在40 min內(nèi)，工作人員不僅要完成道路、房屋、水源等重要地物的提取，而且需對(duì)一些重要的地物進(jìn)行標(biāo)記。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，所形成的圖像數(shù)據(jù)應(yīng)紋理清晰、色調(diào)均勻，同時(shí)其反差應(yīng)適中，且灰度直方圖按照正態(tài)分布的規(guī)律進(jìn)行布局。

2.3 制圖輸出管理

制圖輸出是在鑲嵌影像圖的基礎(chǔ)上形成的一個(gè)整飾軟件，在實(shí)際處理中，還需要對(duì)前期形成的圖像進(jìn)行解譯分析，由此生成制圖輸出系統(tǒng)。就制圖輸出系統(tǒng)而言，其不僅應(yīng)具有自動(dòng)圖廓線生成的功能，而且應(yīng)具備手動(dòng)添加圖名、生產(chǎn)單位、格網(wǎng)等功能，這樣能為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用提供有效參考。

2.4 應(yīng)急數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理

系統(tǒng)開展應(yīng)急數(shù)據(jù)管理應(yīng)用，能為地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)和救援工作的開展提供有效參考。在應(yīng)急數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用中，應(yīng)注意把控以下要點(diǎn)：其一，就應(yīng)急數(shù)據(jù)本身而言，其不僅包含遙感影像數(shù)據(jù)，而且涉及30 m 分辨率DEM 數(shù)據(jù)。其二，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，應(yīng)急數(shù)據(jù)通常是按照分塊存儲(chǔ)的模式進(jìn)行存儲(chǔ)的，這樣能為后期快速調(diào)取數(shù)據(jù)創(chuàng)造有利條件。其三，現(xiàn)階段，人們對(duì)于精準(zhǔn)航攝的要求不斷提升，30 m分辨率DEM 是精確航攝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。基于此，在30 m 分辨率DEM控制中，不僅要注意攝區(qū)最高高程、最低高程的有效統(tǒng)計(jì)，而且需實(shí)現(xiàn)高平均高程和低平均高程的系統(tǒng)解算，以此來最大限度地發(fā)揮應(yīng)急數(shù)據(jù)作用，促進(jìn)地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作的有序開展[7]。

2.5 便攜式無人機(jī)應(yīng)用效益分析

現(xiàn)階段，便攜式無人機(jī)在地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷深入，相比于傳統(tǒng)小面積的地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)方式，便攜式無人機(jī)的應(yīng)用具有高度的靈活性、準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性和安全性（見表1）。

表1 便攜式無人機(jī)應(yīng)用效益分對(duì)比

3 便攜式無人機(jī)地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的注意事項(xiàng)

3.1 規(guī)范無人機(jī)系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用

便攜式無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取具有深刻影響。新時(shí)期，在便攜式無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中，還應(yīng)注重其設(shè)備單元集成技術(shù)的應(yīng)用，以此來提升便攜式無人機(jī)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和便攜性。集成關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用中，工作人員可將高性能鋰離子電池作為無人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)；在固定翼設(shè)計(jì)中，可選擇高強(qiáng)度輕量化EPC泡沫材料，此外可加強(qiáng)前拉外置螺旋槳驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，這樣才能進(jìn)一步提升無人機(jī)系統(tǒng)的適用性，擴(kuò)大其在地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用范圍。

3.2 重視航攝數(shù)據(jù)的快速檢查處理

依托便攜式無人機(jī)系統(tǒng)完成地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)捕獲后，還需要快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢查處理。該過程中，不僅要重視自動(dòng)提取技術(shù)的應(yīng)用，而且需加強(qiáng)同步顯示技術(shù)的融合，以此來獲得多點(diǎn)信息，確保數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性、完整性。從檢查信息類型來看，工作人員不僅要對(duì)曝光點(diǎn)信息、經(jīng)緯度信息進(jìn)行檢查處理，而且需對(duì)航攝設(shè)計(jì)拐點(diǎn)坐標(biāo)信息、影像數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。此外，航帶內(nèi)最大航高差、最低高程等都是需要考慮的重要內(nèi)容[8]。通常，這些數(shù)據(jù)可通過快速匹配算法完成快速檢查、校正，為后期的使用創(chuàng)造有利條件。需要注意的是，在數(shù)據(jù)處理中，還應(yīng)通過快速鑲嵌處理關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速匹配和空中三角測(cè)量，另外，應(yīng)在該技術(shù)的支撐下，實(shí)現(xiàn)圖像勻光勻色與數(shù)據(jù)的自動(dòng)鑲嵌，滿足地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)需要。

4 結(jié) 論

便攜式無人機(jī)是地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)的重要設(shè)備，將其應(yīng)用于地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)，能為國(guó)土測(cè)繪、水利、減災(zāi)、地震等工作的開展提供有效支撐。新時(shí)期，工作人員只有系統(tǒng)認(rèn)識(shí)到便攜式無人機(jī)在地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，然后深化便攜式無人機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)，并加強(qiáng)其在地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)應(yīng)用過程中的系統(tǒng)管理，才能提升便攜式無人機(jī)地理國(guó)情應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用質(zhì)量，進(jìn)而促進(jìn)小面積地理國(guó)情應(yīng)急遙感監(jiān)測(cè)工作的有序開展。