無人機數碼航攝數據獲取與應用分析

陳洪

(福州市勘測院，福建 福州　350108)

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無人機數碼航攝數據獲取與應用分析

陳洪*

(福州市勘測院，福建 福州350108)

摘要：無人機數碼航攝相比于傳統航空攝影技術，具有機動靈活、成本低廉及生產周期短等優點，是獲取小區域基礎地理信息數據技術手段的有力補充。本文首先描述了無人機數碼航攝系統的技術特點及組成，其次詳細地闡述了無人機數碼航攝數據獲取的技術流程，最后重點分析了無人機數碼航攝技術應用現狀及前景。

關鍵詞：無人機；數碼航攝；攝影測量；應急測繪

1引言

無人機(unmanned aerial vehicle，UAV)是一種機上無人駕駛的航空器，其具有動力裝置和導航模塊，在一定范圍內靠無線電遙控設備或計算機預編程序自主控制飛行。根據飛行器平臺結構類型差異，現有無人機主要分為固定翼無人機、旋翼無人機及無人直升機三種類型。傳統對地觀測手段主要以航天和航空遙感兩種方式為主，無人機低空遙感相對于前兩者，具有全天時、全天候、機動靈活、起降方便、生產周期短、生產成本低廉等方面的技術優勢，其獲取的高分影像數據被廣泛地應用于國土資源調查、應急搶險救災、智慧城市建設等各個領域。

相比于傳統的遙感對地觀測手段，無人機數碼航攝是一種新型低空對地觀測手段，其數據獲取方式具有一定的差異性，另外，隨著無人機相關技術的不斷革新，其應用領域不斷被拓寬。因此，本文針對無人機數碼航攝數據獲取工藝流程，并結合其應用現狀進行相關闡述及分析。

2無人機系統

無人機系統主要包括飛行器、任務載荷、地面保障三部分，結構如圖1所示：

2.1飛行器系統

飛行器系統包括飛行器平臺、飛控與導航模塊以及數據傳輸模塊三個部分。無人機飛行器平臺主要以固定翼及多軸旋翼兩種結構為主，其中固定翼無人機動力類型包括油動和電動兩種類型，油動無人機滿油續航時間為 3 h左右，其荷載重量約為 2 kg，而電動無人機滿電續航時間為 1 h左右，荷載重量約 0.5 kg。相比而言，目前多軸旋翼無人機的續航時間大多在 0.5 h以內。飛控與導航模塊是飛行器的核心部件，負責控制飛機按預定航線自主飛行及姿態保持。2.2任務載荷

無人機任務載荷主要以單反相機、微單相機及卡片式相機三種類型為主。以上三種相機均為非量測相機，需要進行相機標定。單反數碼相機，像幅相對大，機身較重，多用于油動類型等荷載較重的無人機機型，而微單及卡片式相機像幅較小，機身相對較輕，多用于電動無人機。

2.3地面保障系統

地面保障系統是無人機起飛及降落的重要支撐部分，主要包括地面監控站、起降輔助設備、數據傳輸模塊三個部分。地面監控站在無人機數碼航攝過程作用分為三個階段，起飛階段，通過無線電臺與飛行器進行連接，檢校無人機各項指標參數，包括線路檢查、姿態檢查、自動控制檢查、磁羅盤檢查、相機檢查、應急參數檢查、動壓參數檢查等各項檢查；飛行階段，地面站實時監控飛行器的飛行姿態，包括飛行速度、橫滾及俯仰傾角、航高變化等指標；降落階段，地面站控制飛行器盤旋降高，到指定高度后，控制飛行器打開降落傘，落地后，通過地面站自動提取相片的POS數據。

3數碼航攝數據獲取

無人機數碼航攝數據獲取過程分為三個步驟，飛行前準備，飛行中監控，飛行后處理，如圖2所示：

3.1飛行前準備

無人機數碼航攝數據獲取過程中飛行前準備工作至關重要，關系到整個航攝工作能否順利進行，包括相機檢校、航線設計、飛行器準備及其他相關的準備工作。無人飛行器搭載的任務荷載相機進行航攝任務前，必須進行檢校，以獲取準確的相機畸變參數用于后期參與空中三角測量。飛行前，必須認真檢查確保電池、飛控鏈路完整性、降落傘及其他零配件準備充分。飛行航線設計，需綜合測區實際地形、航攝分辨率要求、航向及旁向重疊度等要求進行布設，總體原則為以最小航程及最短飛行時間完成航攝任務，從而將飛行風險及成本降至最低。航線設計參數如圖3所示：

其中：

(1)

(2)

(3)

圖3航線參數設計

3.2飛行中監控

飛行中監控指在飛行器通過飛控系統自動巡航拍攝過程中，實時監控飛行器的橫滾角、俯仰角、旋偏角、衛星數量、空速等飛行參數。當飛機姿態長時間超出規范要求(橫滾及俯仰角均不大于3°)，此時說明空中自然風速過大，不適宜飛行，獲取的影像數據不能滿足后期數據處理要求；當發生飛行器偏離預定航線飛行，飛行器掉高，衛星丟失等情況時應及時召回飛行器，重新進行飛行準備工作，待滿足飛行條件后再實施數碼航攝工作。地面站監控界面如圖4所示：

圖4地面站實時監控界面

3.3飛行后處理

飛行后處理為飛行器完成數碼航攝工作后，回收飛行器及提取航飛數據的過程。目前，無人飛行器降落的方式主要有傘降、網降、滑降幾種方式，降落前要提前選好降落場地及開傘地點，要求飛行器在逆風情況，進行起飛和降落，開傘高度控制在距地面 80 m～ 100 m高度。航飛數據獲取，包括影像數據和POS數據兩部分，POS可以提取多次以避免數據丟失。完成航攝工作后，回收整理飛行器、降落傘及其他相關飛行設備。

4應用分析

4.1小區域大比例尺地形圖測繪

傳統數碼航空攝影測量主要應用于大范圍地形圖測繪任務，對于小區域大比例尺地形圖更新而言，該種作業方式存在建筑物遮擋、生產成本高、生產周期長等劣勢；另外，以往小范圍大比例尺地形圖測繪多采用全野外作業方式，這種作業方法本身具有生產成本更高、周期更長、作業難度大等不足。當采用無人機數碼航攝技術更新小區域大比例尺地形圖時，具有輕便快捷、成本低廉、更新周期短等優點，適用于城市改擴建、新農村建設、城鎮規劃設計用地形圖新測、修測工作，具有極大的現實及經濟意義。

4.2不動產登記

目前我國農、林、水、國土等相關機關單位正在積極推進不動產登記工作，并已在全國范圍內迅速展開。不動產登記工作包括集體土地所有權、房屋建筑物所有權、森林所有權、土地承包經營權、宅基地使用權、建設用地使用權、海域使用權等權利登記工作。以上各種類型的不動產登記工作，都需要高分辨率、高精度的遙感影像作為工作底圖開展登記工作。無人機數碼航攝可提供地面分辨率優于5 cm的影像數據，現勢性高、高效準確，為不動產登記工作提供輔助解決支持。

4.3線路巡查及選址

超高壓電力線路、高速公路經常選址位于高山地、盆地等無人區域，人工很難涉足到達，而電力線塔基選址、高速線路設計工作需要在項目建設前期完成。采用無人機數碼航攝方式沿線路走廊采集影像及視頻數據，然后構建立體像對，在立體像對上進行選址定點，直觀準確、安全高效，可以有效地避開危險及不滿足定址區域，另外相關的其他數據成果也可以用于輔助線路縱橫斷測量、土石方測量等測量任務。

4.4應急測繪

當前地震、臺風、泥石流、洪水等自然災害事故頻發，如何準確快速地獲取事故現場的影像視頻資料，無人機可為此提供新的解決途徑。事故發生時，往往事故現場情況及環境復雜，交通條件受限嚴重，搶險救援人員無法到達事故現場，指揮人員無法對事故現場環境情況有詳細清楚的認識，影響救援方案確定及實施的順利進行。而此時無人機以其機動高效性能繞過交通不便的地面通道，從空中全方位、全天時對事故現場進行數碼航攝及視頻錄制，并實時將數據傳輸至應急搶險救災指揮中心，輔助指揮員進行決策分析，可以有效地將人民群眾生命財產損失程度降至最低，具有重大的社會意義。

4.5其他應用

無人機以其機動靈活、成本低廉等優勢被廣泛地應用于各個領域，包括城市規劃、傾斜三維建模、礦產資源普查、水利設施建設、植保農業、地址勘測、氣象探測等各個方面。隨著計算機、電子機械裝配等相關技術不斷革新，無人機技術也將更加完備，其應用前景也將更加廣闊。

5結語

本文對無人機的技術特點系統組成及技術特點進行了詳細地闡述，并將無人機航攝數據獲取進一步細分為三個過程，每一個過程的注意事項和工作內容都做了相應說明。論文結合無人機數碼航攝的技術優勢，重點分析了其在國民經濟建設各個領域的應用現狀。后續工作考慮將無人機數碼航攝工作流程標準化及相關組成模塊改進升級，從而將其推廣至更廣闊的應用領域。

參考文獻

[1]張祖勛. 數字攝影測量學[M]. 武漢：武漢大學出版社，1997.

[2]張劍清，潘勵，王樹根. 攝影測量學[M]. 武漢：武漢大學出版社，2009.

[3]姬淵，秦志遠，王秉杰等. 小型無人機遙感平臺在攝影測量中的應用研究[J]. 測繪技術裝備，2008，10(1)：46～48.

[4]金偉，葛宏立，杜華強等. 無人機遙感發展與應用概況[J]. 遙感信息，2009(1)：88～92.

[5]楊愛玲，孫汝岳，徐開明. 基于固定翼無人機航攝影像獲取及應用探討[J]. 測繪與空間地理信息，2010：10，33(5)：160～162.

[6]楊瑞奇，孫健，張勇. 基于無人機數字航攝系統的快速測繪[J]. 遙感信息，2010：3，108～111.

[7]李永樹. 基于無人機技術的地形圖測繪研究[J]. 測繪，2011，34(4)：147～151.

[8]王玉鵬. 無人機低空遙感影像的應用研究[D]. 河南：河南理工大學，2011.

Analysis of the UAV Digital Aerial Photography Data Acquisition and Application

Chen Hong

(Fuzhou Investigation and Mapping Institute，Fuzhou 350108，China)

Key words：unmanned aerial vehicles(UAV)；digital aerial photography；photogrammetry；emergency surveying and mapping

Abstract：Compared with the traditional aerial photogrammetry technology，unmanned aerial vehicle(UAV)has the advantages of flexible，lower production consumption and shorter production cycle，acts as a powerful technology supplement to obtain small regional basic geographic information data. Firstly，this paper describes the technical characteristics and components of the UAV digital aerial photography；secondly，a technical process of the UAV digital aerial photography data acquisition were described in detail；finally，analyses the UAV digital aerial photogrammetry technology application situation and prospects.

文章編號：1672-8262(2016)03-89-04

中圖分類號：P231

文獻標識碼：B

*收稿日期：2016—02—15

作者簡介：陳洪(1988—)，男，工程師，主要從事攝影測量與遙感相關技術應用研究。

基金項目：2015年福州市區域科技重大項目(2015-Q-13)