無人機遙感系統在應急保障中的應用

張 潘，余代俊，索朗江村，許 馨

無人機遙感系統在應急保障中的應用

張 潘1,2，余代俊1，索朗江村2，許 馨2

（1.成都理工大學 現代測量技術及應用研究所，四川 成都 610059；2.西藏自治區測繪院，西藏 拉薩 850000）

無人機具有機動靈活、反應迅速、成本低等特點，且能在高危地帶作業，已經成為測繪應急保障的重要手段。以樟木口岸應急為例，介紹了無人機系統的組成以及影像獲取和處理的作業流程，并利用PixelGrid軟件對該方法進行了論證，證明其具有一定的可行性。

無人機；影像處理；應急

隨著電子技術的不斷發展，無人機在遠程遙控、續航時間、飛行品質上有了明顯的進步，同時無人機具有機動靈活、反應迅速、精細準確和作業成本低廉的特點，被廣泛應用于災害應急、小城鎮及新農村建設、國家重點項目建設和困難地區測圖等方面。

1 無人機系統組成

無人機主要采用玻璃鋼及碳纖維復合材料制作而成，重量輕、強度大。它是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機遙感系統由無人機飛行平臺、傳感器、飛控系統、地面監控系統以及地面運輸與保障系統5部分組成（圖1）。

圖1 無人機遙感系統架構圖

地面監控系統主要由計算機、天線、監控軟件及供電系統組成。其主要任務是利用監控軟件設置航線，利用GPS導航定位信號、加速度計及陀螺等飛行器的動態信息，實時計算氣壓高度、PDOP值、衛星顆數、空速、轉速及向下加速度等信息，使地面人員能及時掌握無人機飛行狀態，以便應對突發情況。飛控系統用于飛行控制和任務管理，可實現對無人機姿態、飛行航高、速度和航向的控制，同時將各種參數傳輸到地面站以便監控，無人機上采用單頻無差分GPS導航，其精度在±5 m。

2 影像獲取

無人機數碼航攝需要經過航線設計、航測飛行、質量檢查、補飛或重飛、像控測量等步驟，影像獲取流程如圖2所示。

圖2 影像獲取流程圖

3 航線設計

數碼攝影一般針對小區域進行作業，無需考慮地球曲率變化和非常準確的坐標信息。在Google Earth上采取航攝區域的角點坐標進行航線設計。

相對航高計算：航攝儀航高與焦距、單像元大小及分辨率有關，計算公式為：

H=分辨率×焦距/單像元大小其中，單像元大小、像幅和傳感器有關，在廠家出廠時已給定，計算公式為：

單像元大小=傳感器長邊（短邊）大小/傳感器長邊（短邊）像元個數

根據比例尺選擇合適的航向重疊及旁向重疊，并計算最低點的地面分辨率及最高點航向和旁向重疊度，以滿足測圖要求，攝區最高點重疊度計算公式為：

當攝區最小地面分辨率超出成圖要求的分辨率或當攝區最高點重疊度小于成圖要求時，必須更改地面分辨率，并對相對航高、最小地面分辨率和最高點重疊重新進行計算。當攝區最高點與最低點高差超過航高1/6時，應設立攝影分區。

根據航測范圍、航高、航向重疊、旁向重疊、基線長度及旁向間距，通過航線設計軟件，計算得到曝光點的坐標。

1）航線間隔計算。航線間隔是兩張相片中心的橫向距離，計算公式為：

L間=(1-K)×P×R旁式中，K為旁向重疊；P為地面分辨率；R旁為旁向間距長度。

2）基線長計算。航向兩張相片中心的縱向間距，計算公式為：

L基=(1-A)×P×R航式中，A為航向重疊；P為地面分辨率；R航為航向間距長度。

3）航攝飛行及質量檢查。設計航線完成后，將所設計數據上載到飛控系統，并對無人機進行陀螺清零、水平設置、空速檢查、轉速檢查、GPS定位檢查、電池電量檢查及相機拍攝儲存檢查等操作。在獲取影像后，在現場對影像數據進行質量檢查，看影像是否發虛，是否被云霧覆蓋，命名是否正確，并將實際飛行坐標與曝光點坐標進行對比，看是否有明顯偏離航線的照片，對不合格的影像做好記錄，進行補飛或重飛。

4 影像處理

本文運用PixelGrid軟件對無人機獲取的圖像進行快速處理，以獲得較準確的高分辨率全覆蓋影像。首先進行影像畸變差改正，利用POS數據進行自動空三，在空三加密完成后提取影像中的特征點、特征線生成DEM；再利用生成的DEM數據進行數字微分糾正得到測區單幅正射影像；最后運用幾何方法定位拼接線，并進行圖像拼接，得到攝區全景影像（圖3）。

圖3 影像處理流程圖

5 無人機遙感系統在樟木應急中的應用

2015-04-25 14：11在尼泊爾發生8.1級地震，震中為博克拉。受地震影響，西藏樟木口岸附近震感強烈，引起部分房屋坍塌及道路損壞，同時由于地理位置原因，救災工作難度很大。由于天氣原因，衛星遙感系統難以實時獲取災區影像，西藏自治區測繪局攜帶兩 架無人機進入災區，為相關救災部門快速提供災區影像圖，為抗震救災工作提供依據。此次航拍的相對航高為750 m，絕對航高為3 000 m，像元大小為6.4 um，焦距為24 mm，像幅大小為5 616 像元×3 744像元，影像分辨率為0.2 m，攝影基線長為280 m，航線間隔為700 m， 圖4為災區某地無人機航拍后制作的影像圖。

圖4 攝區全景圖

6 無人機其他應用

1）森林防火。林業是全國生態建設主體，在保持經濟和社會發展中有著不可或缺的作用，如何運用高新技術對森林資源進行監測，是一項迫在眉睫的重要課題。無人機通過配備彩色CCD任務載荷和紅外探測任務載荷對地面火災進行實時觀察，并將數據傳回地面，消防人員可在任何地方實時接收動態圖像和數據，了解火災情況，有效地組織人員進行撲救。

2）地質災害勘察。我國地形地質構造復雜，是地質災害較為嚴重的國家之一。隨著人們對地質環境的強烈改造，使得地質災害加劇，尤其是滑坡、泥石流、地面坍塌等。無人機遙感系統通過獲取影像數據，快速制作DEM和DOM等，為災情評估提供數據源，為政府決策提供依據，從而進行有效的搶險抗災救援。

3）堰塞湖災害評估。堰塞湖是在一定的地質和地貌條件下，由于河谷岸坡在動力地質作用下迅速產生崩塌、滑坡、泥石流以及冰川、融雪活動所產生的堆積物或火山噴發物等形成的自然堤壩橫向阻塞山谷、河谷或河床，導致上游段壅水而形成的湖泊。無人機遙感系統通過搭載的傳感器獲取高分辨率影像，建立三維動態影像；再根據堰塞湖體的回水位置確定其高程，結合地形圖數據，計算壩體位置水深；然后通過壩體前后的有水和無水位置，確定壩體高度，從而計算出堰塞湖的體積。堰塞湖的流域面積可通過地形圖量算，再配合水文和氣象資料，計算有關匯流及水位上漲信息。

7 結 語

無人機航測作為航空攝影測量的新型手段，能夠通過機載數碼相機快速獲取影像，但受自身條件限制，飛行穩定性較差，導航精度不夠。PixelGrid軟件能進行影像快速處理和快速生成正射影像，但其只適用于旋偏角小、重疊度穩定的航線解算，對于旋偏角大、航線不穩定、重疊度小的影像解算較為困難。特別在高原應急時，由于受氣流、天氣影響及無人機的自身限制，還需進一步尋求更好的數據解算方法，提高應急響應能力。

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表4 不同衛星系統測量結果與已知成果較差統計表/cm

3 結 語

從測試結果不難看出，區域北斗地基增強系統動態服務的內、外符合精度均滿足《衛星定位規范》的要求，單獨BDS指標略遜于單獨GPS和BDS+GPS組合，但完全滿足要求，BDS+GPS的優異表現，體現了多系統多模融合技術的先進性。

隨著BDS的不斷發展和成熟，它將成為一個由35 顆衛星、地面站和各類用戶終端構成的大型航天系統，從以衛星為核心向以系統為核心，從面向行業用戶向面向大眾用戶轉型，開啟我國航天事業的新征程，并將為維護我國國家安全、推動經濟社會科技文化全面發展提供重要保障。

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第一作者簡介：謝玉兵，高級工程師，長期從事大地測量GNSS應用等工作。

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：B

：1672-4623（2016）11-0027-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.010

張潘，碩士，主要研究方向為攝影測量與遙感。

2015-06-01。

項目來源：西藏樟木口岸地震應急。