無人機數字航攝系統的快速測繪與應用

李國順 王太坤

(濮陽市國土資源局，河南 濮陽 457000)

近幾年來，隨著經濟建設的快速發展，地表形態發生著劇烈變化，迫切需要實現地理空間數據的快速獲取與實時更新。無人機數字航攝系統是快速獲取地理信息的重要技術手段，是測制和更新國家地形圖及地理信息數據的重要資料源，在應急數據獲取和小區域低空測繪方面有著廣闊的應用前景，起著不可替代的作用。

1 無人機低空遙感技術概述

無人機遙感系統是以無人駕駛飛行器為飛行平臺，負載數碼相機、數碼攝錄機等數字遙感設備進行拍攝和記錄，通過遙感數據處理技術進行影像的同步傳輸，以實現對地理信息的調查與監測，具有自動化、智能化、專用化快速獲取國土、資源、環境等空間遙感信息，完成遙感數據處理、建模和應用分析的技術。

1.1 科學選擇無人機

目前，世界上30 余個國家和地區已研制出50 多種無人機，無人機型號超過300 余種。在我們國家已有多家單位成功研制出無人機攝影測量系統及后期數據處理平臺，如“Quick-Eye”、“華鷹”、“飛象”等。在具體實測中，應根據不同的區域、不同的地貌和飛行高度選擇作業參數不同的飛行平臺，如“智能鳥”、“飛象”等產品適合在平原地帶的中小城鎮，可以完成飛行高度要求不高的林業和草場監測、海洋環境監測、污染源及擴散態勢監測、土地利用監測以及水利、電力等領域的測制任務;在一些大城市尤其是險峻的山區，由于城市構建物較高，山區山勢陡峭、起伏懸殊，地形地貌復雜，需要飛行高度較高、空速較大的無人機。如由中國科學院遙感應用研究所研發面市的“QuickEye”無人機，機長2.3 米，翼展3 米，機高0.5米，適用相機CanonEOS5D 以上，最大燃油量9L，最大起飛重量28kg，最大任務載荷8kg。其主要作業參數見下表:

表1 “QuickEye”無人機主要作業參數

該產品可通過在空中的俯臥、橫滾、偏航等技術完成礦山資源監測、單體滑坡勘查、火山環境監測等飛行任務。

1.2 合理設置傳感器和分辨率

傳感器作為航攝系統的核心部件，起著至關重要的作用。目前數碼相機的影像傳感部件有兩種:一種是廣泛使用的CCD(電荷藕合)元件;另一種是CMOS(互補金屬氧化物導體)器件。從工作原理看，CCD 的優勢在于成像質量好，但是由于制造工藝復雜，成本居高不下;CMOS 價格比CCD 便宜，但是CMOS 器件產生的圖像質量相比CCD 來說要低一些。因此，必須根據工作需求，科學設置傳感器和分辨率，確定航拍高度，獲取理想、滿意的成果圖。成圖比例尺、航高、分辨率三者關系如下圖:

成圖比例尺、航高、精度關系參數

關于精度，還應對成果數據進行檢查，抽取一定比例的最終成果進行平面精度、高程精度檢測，間距中誤差丈量統計以及圖面巡視檢查，看地形圖的數學精度、地理精度是否符合要求;圖面內容清晰性、地物地貌取舍度是否符合規范和設計要求等。

1.3 影像處理軟件

可采用中國測繪科學院的MAP-AT 軟件或者武漢大學開發的DPGrid 低空航測數據處理系統軟件處理無人機影像，或使用其他遙感影像處理軟件進行后期處理，生成相應的數字正射影像及所需產品。但因數碼相機不是攝影測量的專業相機，拍攝到的數字圖像存在光學畸變誤差，像點坐標需要進行畸變差改正，自用像對中的同名點生成DEM(數字地面模型)，由DEM 可制作正射影像圖(DOM)，在制作過程中還需加入像控點，才能生成所需的正射影像圖。

1.4 地面控制系統

地面控制系統軟件在無人機飛行前進行航線規劃，在飛行過程中要顯示飛行區域的航跡、電子地圖以及飛行參數和飛機的姿態參數。飛行過程中，所有飛行參數和導航數據可實時下傳，操作者可在地面計算機上監視飛行狀態，并根據航跡規劃和路徑調整來控制各種任務的執行。

1.5 我國無人機遙感系統發展現狀

據新華社統計，目前各地測繪地理信息部門已裝備無人飛機80 余架，初步建立起一個60 余支、遍布全國的無人飛機航攝系統低空遙感影像獲取服務網絡，舉辦無人飛機航攝系統技術與標準培訓班880 余人次，累計飛行超過900 架次，飛行950 余小時，獲取影像數據45 萬余張。在青海玉樹地震、貴州關嶺特大型滑坡、云南怒江滑坡和泥石流災害、云南盈江地震等重大自然災害事件的應急救災中發揮了重要作用。

2 無人機低空遙感的優點

無人機是通過無線電遙控設備或機載計算機程控系統進行操控的不載人飛行器，目前已成為世界各國爭相研究的熱點課題，逐步從研究開發發展到實際應用階段，成為未來的主要航空遙感技術之一。

2.1 應用簡便靈活，易于操作。能通過地面運輸能夠快速到達監測區域，具有快速的機動響應能力;升空準備時間短，起飛比較方便，受場地限制較小;不需機場，在操場、公路或其它較開闊的地面均可起降;操作簡單，機載高精度遙感設備可以在短時間內快速獲取遙感影像數據，具有較高的快捷響應能力。

2.2 遙感監測系統性能優異。無人機航線控制精度高，飛行姿態平穩，飛行操作自動化、智能化程度高，便于掌握和培訓。利用無人機遙感監測系統航攝影像清晰、分辨率高、沒有絕對漏洞，除個別像對需手工加點外，基本實現自動空三解算，精度達到1:1000 航測成圖要求。

2.3 結構簡單，使用成本低廉。無人機遙感監測系統形體小，耗費少，運營成本較低，對操作員的培養周期短，系統的保養和維護簡便，同時不用租賃起飛和停放場地。

2.4 效率高，成果清晰準確。與傳統全野外測量相比，無人機低空遙感技術可大大減少野外工作量，提高成圖效率。同時，利用真彩色正射影像數據，在土地規劃中設計人員可更清楚直觀的查看耕地狀況，利用DEM 數據，可方便的進行坡度和土石方量的計算;在完成土地開發后，可利用無人機再次航飛，通過疊加對比，能準確地分析工程施工與設計的一致性及最終成效，有利于成果驗收。

3 無人機低空遙感系統的應用

無人機系統利用飛行速度低、成像分辨率高，易于操作的特點，在國土資源、水利水電等領域得到廣泛的應用，發揮著巨大的作用。

3.1 國土資源執法監測應用。通過無人機遙感監測成果，發現和查處被監測區域國土資源違法行為，建立國土資源動態巡查監管科技機制，做到對違法違規用地、濫占耕地、破壞生態環境等現象早發現、早制止、早查處。實驗證明，無人機遙感監測系統具備高機動性、便捷性、低使用成本等特點，在土地利用、礦產資源及開發重點和熱點地區的重復監測中具有獨特的優勢。

3.2 自然災害監測應用。我國是自然災害頻發的地方，災害類型繁多、地類復雜，可利用低空遙感作災害前的防范、預警;災害中的調查、分析;災害后的評估、救援。如在汶川大地震抗震救災中，首次將低空遙感數據快速獲取、遙感數據并行處理、遙感快速測圖等技術相集成，快速獲取四川災區3.5萬余幅高分辨率航空影像，為國家加強救災應急能力提供了先進、快捷、可靠的技術支撐。

3.3 國土測繪應用。無人機遙感監測系統還能用于大比例尺土地利用圖測制、地形圖修測和補漏數據的獲取。實驗證明，利用無人機遙感監測系統航攝影像清晰、分辨率高，基本實現自動空三解算，精度達到1:2000 比例尺航測成圖要求。

3.4 水利水電應用。基于無人機數字正射影像和數字高程模型，不僅能為大型水利工程(橋梁、堤壩、水庫、閘門等)提供選址服務，還能檢測施工進程。水電工程環境大都十分險峻，難以人工測制，利用無人機系統測制水電項目設計和施工中必不可少的大比例尺地形圖，既安全、經濟，又準確、可靠。

3.5 小城鎮規劃應用。目前我國仍有數以萬計的的小城鎮規劃缺乏高精度空間信息源。特別是許多小城鎮地處邊遠地區、面積小、分布散，采用常規航空攝影耗費高、采用人工測量困難多、采用超輕型飛機姿態難控制，而無人機遙感系統以其獨特的優勢，可為1:2000，1:5000，1:10000 規劃制圖提供經濟快速的數據源。

4 結論

利用低空無人機航攝系統獲取地面遙感影像，對天氣依賴小、起降無須專用機場、成本低和成像質量高，非常實用于較小區域的大比例成圖。但由于無人機航測目前還處于發展探索階段，其技術規范中的相關技術要求還有待于不斷完善，因此作業程序大都沿用了航空攝影測量的基本方法和技術指標。

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