無人機低空遙感技術應用

吳永亮， 陳建平， 姚書朋， 徐 彬

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083； 2.北京市國土資源信息研究開發重點實驗室，北京 100083； 3.中國航天標準化與產品保證研究院，北京 100071)

無人機低空遙感技術應用

吳永亮1，2，3， 陳建平1，2， 姚書朋1，2， 徐 彬1，2

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083； 2.北京市國土資源信息研究開發重點實驗室，北京 100083； 3.中國航天標準化與產品保證研究院，北京 100071)

為了推廣無人機低空遙感技術的應用，對其關鍵技術進行了研究，分析了無人機低空遙感系統的功能設計與考慮，歸納了工作流程，形成了一套完整的無人機低空遙感應用于地質調查的技術路線。為了驗證這一技術方法的實用性，將搭建的無人機低空遙感系統在北京周口店地區進行了應用實驗。結果表明，該技術方法可為地質調查、應急測繪等提供及時有效的影像數據，對無人機低空遙感應用具有參考意義。

無人機遙感； 航拍應用； 周口店； Pix4Dmapper

0 引言

無人機低空遙感是傳統航空攝影測量手段的有力補充，具有空域申請便利、受氣象和起降場地限制小、應用范圍廣、作業成本低、生產周期短、圖像精細等特點。隨著無人機平臺、載荷設備及數據處理軟件技術的發展，無人機低空遙感對快速獲取高空間分辨率影像具有明顯的優勢，在災害應急處理、基礎測繪、土地利用調查、礦山開發監測和智慧城市建設等方面具有廣闊的應用前景[1-5]。目前，相關研究主要集中在無人機航攝影像匹配、三維重建和圖像識別等方面。將無人機低空遙感技術在各領域中進行應用，還必須掌握無人機遙感系統設計、工作流程規劃和數據處理等關鍵技術。

周口店地區是我國傳統的野外地質實習基地之一，盡管多年來該區域積累了大量繪制地質資料，但仍急需該區域的高精度正射影像、三維模型等數據，為地質實習人員提供可靠依據。本文從無人機低空遙感技術應用的角度，對其關鍵技術進行了研究，搭建了無人機遙感系統，在周口店地區開展了應用實驗，獲取了周口店地區大范圍的高精度的數字高程模型(digital elevation model, DEM)、數字正射影像圖(digital orthophoto map,DOM)和數字表面模型(digital surface model,DSM)等數據，為區域地質實習提供了可靠依據，實現了低成本、高效的無人機低空遙感應用，驗證了實驗所采用技術方法的實用性。

1 系統設計

無人機低空遙感系統一般包括： 無人機平臺、飛行導航與控制系統(飛控系統)、地面監控系統、任務設備、數據傳輸系統、發射與回收系統、野外保障裝備以及其他附屬設備。在實際應用中，應根據任務需求，選擇合適的無人機平臺及任務設備。無人機遙感系統一般組成及連接原理見圖1。

圖1 無人機遙感系統組成Fig.1 Configuration diagram of UAV remote sensing system

主要系統功能及設計包括以下幾個方面：

1)無人機平臺。其主要功能是搭載飛控系統和相機等載荷并執行飛行任務。常用機型有固定翼型和旋翼型2類。固定翼型無人機航速快、續航時間長，適合大范圍的航拍工作，作業范圍甚至可達幾十km2； 旋翼型無人機具有機動靈活、可懸停、起降要求低等優點，但相對航速慢、續航時間短，適合小范圍、高精度的調查工作。若開展大面積的航攝調查，一般選擇固定翼無人機進行正射投影測量； 若開展精度較高的三維建模，一般選擇旋翼型無人機進行傾斜攝影測量。

2)飛控系統、數據傳輸系統和地面監控系統。飛控系統與數據傳輸系統是配套的硬件，與地面便攜式計算機中安裝的監控系統軟件匹配使用。飛控系統集成或與之連接的無線電傳輸模塊/遙控器傳輸模塊(空中)跟無線電數據接收機/無線電遙控器(地面)分別匹配，實現對無人機和載荷設備的監測與控制，同步記錄航拍時對應影像的POS數據、飛行姿態等參數。

3)任務設備。無人機低空遙感一般采用非測量相機作為任務設備。相機的性能越好，航拍影像的精度、質量等參數越好，但需綜合考慮成本、重量等因素。相機由飛控系統自動控制，可實現定點、定時、定距離拍攝。為了提升圖像和后期計算的精度，航拍前需要對相機進行標定。隨著Pix4Dmapper等軟件算法和功能的提升，常可以省略標定工作。

4)發射與回收系統。該系統用于保證無人機安全起飛和著陸。對于固定翼型無人機，在地理環境復雜、場地不具備滑跑條件的區域工作時，一般采用拋射、彈射方式發射和傘降回收。

5)野外保障裝備以及其他附屬設備。根據野外工作的實際需求，還應配備運輸設備、維護工具箱和備附零件等野外保障裝備以及其他附屬設備，保障無人機航拍作業順利完成。

CRSwNP呈現高度異質性特征，臨床表型通常無法洞察疾病本質，而內在型是建立在細胞、分子和免疫機制基礎上的分型，也就是CRSwNP的發病機制。然而，內在型非常復雜，目前研究尚不透徹，通過CRS內在型的探索，可能找到特異性個體病情發展的關鍵因素，即某些特定的生物學分子標識物，以這些標志物為靶標可實現臨床上對于CRSwNP個性化的精準治療[15，17]。

2 工作流程

相對于傳統的航空攝影測量工作，無人機低空遙感通常空域申請便利，升空準備時間短，受氣象、起降場地限制較小，對區域地質條件要求較低。規劃科學合理的工作流程，是確保無人機低空遙感調查任務成功的重要條件。一般工作流程見圖2。

1)根據獲取的任務要求進行分析，圈定調查區域，了解任務區域的基本地理信息、天氣及航空管制情況，制定無人機飛行方案，確定無人機的起降點、航線、飛行高度和飛行架次等。

圖2 無人機遙感調查技術流程Fig.2 Technique process of UAV remote sensing survey

2)根據飛行方案、區域地形、地質條件、航程、載荷和經費等要求，確定無人機系統參數，綜合考慮成本效率比，搭建或選擇無人機遙感系統。此外，還需設定任務載荷控制參數。由于無人機機體小、重量輕，在空中易受到氣流干擾。為保證無人機航攝影像的質量，要求其影像航向重疊度控制在70%～85%、旁向重疊度控制在35%～60%，即需根據影像精度要求、航速、飛行高度和相機參數等確定合理的相機拍攝時間間隔，從而獲取有效的、滿足數據處理要求的重疊影像[6]。

需要注意的是，除了特別的應急需求，應盡量選擇天氣較好的時間進行航攝，以確保影像清晰度。在光線允許的條件下，盡量使用定焦鏡頭，采用小光圈拍攝，并將相機ISO感光度調至最小，否則大光圈景深不夠會導致三維模型模糊，而感光度越大則噪聲越多。此外，要控制鏡頭畸變，以保證后期制作的三維模型質量。

3)到達飛行區域后，開展飛行準備工作，包括無人機全系統測試、發射與回收系統準備等，為無人機的順利起降及安全作業提供必要保障。

4)飛行作業時，通過地面站程控無人機，按照規劃的航線自主飛行，控制搭載相機及各類傳感器獲取飛行姿態、目標地物影像等數據。遙感數據可通過無線數據鏈路實時傳輸給地面站，或在無人機回收后通過存儲卡讀取。

5)獲取全部無人機遙感數據后，進行數據匹配、質量檢查和壞點剔除等預處理工作。完成基本參數設置后，通過各類無人機影像數據處理軟件進行計算、加工和處理，最終輸出調查區域的DOM和DEM等數據成果。

3 數據處理

3.1 影像處理軟件

當前，無人機遙感影像處理軟件主要有： DPGird，PixelGrid，DPMatrix，MAP-AT，FlightMatrix，GodWork，Heli-Mapping，Cloud-AT以及GEOWAY for UAV等國內軟件，還有Inpho，Pix4Dmapper，PIEneering，PhotoMOD，LPS，IPS，SSK，Socetset及LISA等國外的軟件[8]。這些軟件可以完成內定向、空三加密、生成點云模型、DEM提取、影像糾正與拼接和DOM制作等工作。

隨著算法和功能的不斷進步，各類無人機遙感數據處理軟件對計算參數要求越來越低，自動化程度和計算精度不斷提升。例如Pix4Dmapper可完全自動地完成整個數據處理過程，甚至無需無人機的飛行姿態數據即可完成影像處理，通過自動空三計算原始影像外方位元素，利用Pix4UAV的技術和區域網平差技術自動校準影像，還可以無需相機檢校和控制點數據，依據多目視覺影像三維重建技術生成三維模型。Pix4Dmapper可以處理多個不同相機拍攝的影像，將數千張影像數據合并成一個工程進行處理，拼接為一個影像，快速形成成果圖(DOM和DSM等)。此外，Pix4Dmapper可自動生成精度報告，提供定量化的自動空三、區域網平差和地面控制點的精度，快速和正確地評估結果的質量[9]。

3.2 數據處理流程

無人機由于其自重較輕等自身特點的局限性，存在飛行姿態不夠穩定等問題，導致所獲取的影像有旋偏角偏大、影像畸變和重疊度不規則等現象[10-11]。傳統的航空攝影測量數據處理軟件處理無人機航攝數據時，工作量大，校對程序復雜。本文采用Pix4Dmapper軟件進行數據處理工作，其一般處理流程見圖3。

圖3 無人機影像處理流程Fig.3 Flowchart of UAV image processing

1)原始數據準備。原始數據包括影像數據、POS數據、飛行姿態數據以及控制點數據。需確認原始數據的完整性，刪除質量不合格的影像數據。通過對航帶變化處的影像數據進行核對，將每一組數據與影像對應，用于數據處理。控制點有助于提升影像精度。控制點必須在測區范圍內合理分布，通常在測區四周以及中間都要有控制點。一般100張相片需要6個控制點左右，更多的控制點對精度也不會有明顯的提升，但在高程變化大的地方，更多的控制點可以提升模型精度[9]。

2)參數設置。進行初始化設置、點云加密設置、數據處理與數據成果設置等，主要參數包括： 坐標系參數、地理定位參數、相機參數、DSM及DOM生成參數等。

3)計算及處理。完成數據導入、參數設置后，Pix4Dmapper即可自動進行計算，完成影像重疊匹配、內定向、光束法局域網平差計算以及相機自檢校等，利用生成的DEM數據對無人機影像進行傾斜改正和投影差校正，完成影像鑲嵌、勻色和裁剪等工作，最終得到調查地區的點云模型、DEM、三維DOM和DSM等[12]。

點云模型進行插值加密后可生成真實三維模型，可用于實際地物的任意距離、面積和體積的測量，見圖4。DOM可以采取平面投影和正射投影2種方式生成。平面投影清晰度高，正射投影位置更準確。對DOM和DEM數據進行合成并經過3D MAX和VRP軟件的處理還可得到三維演示模型。

(a) 三維模型量體顯示 (b) 量體邊界圈定及測量結果

圖4三維模型的體積量算

Fig.4Volumemeasuringof3Dmodel

4 實例應用

4.1 任務概況

周口店地區位于華北板塊中部，是燕山山脈、太行山山脈和華北平原的接壤地帶，是我國傳統的野外地質實習基地之一。在實際野外實習工作中，急需該區域的高精度DOM、三維模型等數據，為實習人員進行區域整體認知提供依據，對該地區的遙感地質解譯情況與野外觀察結論進行對比驗證。

4.2 飛行方案的設計

本次調查采用的是固定翼無人機平臺，其翼展1.2 m，起飛重量1.5 kg，有效載荷300 g； 巡航速度為60～160 km/h，續航時間不小于1.5 h，單次飛行時間在40 min以內； 抗風能力大于4級； 搭載三星NX MINI微單相機，搭配9 mm定焦廣角鏡頭。飛控系統采用Pixhack飛行控制器，集成了GPS，慣性測量、無線電傳輸和遙控器等模塊，自帶通用性減震器。地面站采用Mission Planner控制軟件，是可以搭建、配置和調試全功能硬件回路的無人機系統的重要構件，具有無人機飛行模擬器界面。設置相關參數后，Mission Planner使用Google Maps就可以進行航點輸入，完成航線規劃、飛行控制等任務。

選取的飛行測區為位于周口店地質實習基地以東，面積約12 km2的太平山及其周邊地質實習區域。該區位于太行山脈北麓與華北平原接壤處，海拔為150～300 m，最高山峰為太平山，海拔301 m，相對高差約為150 m。規劃2次航線，東西向和南北向各1航次。考慮到太平山對電臺信號的遮擋，將起飛點設定在2個不同的地區，太平山的南坡與北坡各一個。相片的重疊度設定為航向重疊度80%，旁向重疊度60%，相對航高為300 m，地面空間分辨率為10 cm。

4.3 數據獲取及處理

實際飛行2航次，飛行任務順利，共獲取照片800余張，相片質量良好。采用手持式高精度GPS接收機，在飛行區域實測控制點28個，并以在測區內均勻分布為原則從中隨機抽取了檢查點20個。

采用Pix4Dmapper進行無人機低空影像數據處理，將獲取的影像數據按照3.2節的流程進行了處理。首先，將影像數據、POS數據以及控制點數據等原始數據進行整理； 然后，建立工程并導入原始數據，設置相機文件，生成航帶并采用軟件快速處理的方法，生成初步數據結果和質量精度報告，用于檢查影像匹配情況和相機模型誤差(即最初的相機焦距和計算得到的相機焦距相差不能超過5%，否則需重新設置)； 再用像控點編輯器在像片上逐個刺出控制點，并在完成控制點導入后，采用軟件高精度處理的方法自動完成內定向、光束法局域網平差計算等； 最后，進行點云及DOM編輯，依次進行點云模型生成、DEM生成、調整拼接線、投影切換、影像混合、生成DOM，最終生成空間分辨率為0.2 m的DOM。全部處理過程耗時156 min。

4.4 結果分析

通過Pix4Dmapper處理生成的周口店地區DOM如圖5所示，該影像未經過后期處理。通過目視判讀可以看出DOM的拼接效果好，沒有明顯的錯縫，色調均勻，反差適中。

圖5 周口店地區的正射影像Fig.5 DOM of Zhoukoudian area

將手動測量檢查點在DOM(含DEM高程數據)上的三維坐標與野外實測坐標比對，分析了數據產品的質量，2種處理方法的誤差統計見表1。

表1 周口店無人機遙感影像數據誤差統計Tab.1 Adjustment results of Zhoukoudian UAV data

從表1中可以得出，通過Pix4Dmapper進行高精度數據處理的結果精度較高，生成的DOM和DEM精度符合GB 23236—2009《數字攝影測量空中三角測量規范》中對精度的要求，可以滿足常規的地質調查、應急測繪等應用的需要。快速處理的數據精度較低，最大高程誤差達到12.44 m，無法滿足精確三維建模的需求。這主要是因為快速處理未引入地面控制點數據進行糾正，而無人機飛控系統采集的POS數據精度不夠。因此，快速處理一般在飛行現場進行，主要起到快速檢查的作用，發現問題可及時糾正，防止后續室內高精度處理時才發現問題，喪失補救時機而導致任務失敗。

此外，還可將Pix4Dmapper高精度處理生成的點云模型，直接應用于周口店地質實習的線路規劃與距離測量、礦山開發體量計算與監測等工作，具有較高的精度、很好的實用性與時效性。

5 結論

1)本文對無人機低空遙感應用技術進行了研究，在周口店地質實習區開展了應用實驗，獲取了目標區域0.2 m空間分辨率的影像及DOM等數據，處理時間、影像質量和成果精度均滿足常規地質調查、應急測繪等應用需求，驗證了實驗所采用技術方法的實用性，為無人機低空遙感技術應用提供了參考。

2)規劃合理的工作流程是順利完成無人機低空遙感應用工作的重要保證。在實際工作中，必須考慮調查區域的地理信息、天氣及航空管制情況，合理制定無人機飛行方案。

3)無人機遙感系統的搭建與拍攝參數確定是順利完成飛行任務的關鍵。需要根據飛行方案、航程和載荷等搭建無人機遙感系統，根據航速、飛行高度等確定合理的相機拍攝時間間隔或相片重疊度參數，以滿足后期數據處理要求。

4)采用成熟、專業的無人機影像數據處理軟件，可將工程人員從各類繁雜的影像算法中解脫出來，專注于處理業務問題，可大大提高無人機低空遙感的應用效率。隨著無人機低空遙感系統數據采集設備精度的提高和數據處理軟件算法的進步，無人機低空遙感技術將在災害應急處理、土地利用調查、礦山開發監測和智慧城市建設等方面發揮越來越顯著的作用。

[1] Colomina I,Molina P.Unmanned aerial systems for photogrammetry and remote sensing:A review[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2014,92:79-97.

[2] 李德仁,李 明.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報(信息科學版),2014,39(5):505-513,540.

Li D R,Li M.Research advance and application prospect of unmanned aerial vehicle remote sensing system[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2014,39(5):505-513,540.

[3] 無人機航測[EB/OL].[2016].http://baike.baidu.com/view/5426384.htm.

UAV aerial photography[EB/OL].[2016].http://baike.baidu.com/view/5426384.htm.

[4] 韓文權,任幼蓉,趙少華.無人機遙感在應對地質災害中的主要應用[J].地理空間信息,2011,9(5):6-8,163.

Han W Q,Ren Y R,Zhao S H.Primary usages of UAV remote sensing in geological disaster monitoring and rescuing[J].Geospatial Information,2011,9(5):6-8,163.

[5] 何 敬,李永樹,魯 恒,等.無人機影像地圖制作實驗研究[J].國土資源遙感,2011,23(4):74-77.doi:10.6046/gtzyyg.2011.04.14.

He J,Li Y S,Lu H,et al.Research on producing image maps based on UAV imagery data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2011,23(4):74-77.doi:10.6046/gtzyyg.2011.04.14.

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

Wang Y P.Study on Low-Level Remote Sensing Images of UAV[D].Jiaozuo:Institute of technology of Henan,2011.

[7] 張祖勛,張劍清.數字攝影測量學[M].2版.武漢:武漢大學出版社,2012.

Zhang Z X,Zhang J Q.Photogrammetry[M].2nd ed.Wuhan:Wuhan University Press,2012.

[8] 金鼎堅,支曉棟,王建超,等.面向地質災害調查的無人機遙感影像處理軟件比較[J].國土資源遙感,2016,28(1):183-189.doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.27.

Jin D J,Zhi X D,Wang J C,et al.Comparison of UAV remote sensing image processing software for geological disasters monitoring[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1):183-189.doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.27.

[9] 趙云景,龔緒才,杜文俊,等.PhotoScan Pro軟件在無人機應急航攝中的應用[J].國土資源遙感,2015,27(4):179-182.doi:10.6046/gtzyyg.2015.04.27.

Zhao Y J,Gong X C,Du W J,et al.UAV imagery data processing for emergency response based on PhotoScan Pro[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(4):179-182.doi:10.6046/gtzyyg.2015.04.27.

[10] Turner D,Lucieer A,Watson C.An automated technique for generating georectified mosaics from ultra-high resolution unmanned aerial vehicle(UAV) imagery,based on structure from motion(SFM) point clouds[J].Remote Sensing,2012,4(5):1392-1410.

[11] Hardin P J,Jensen R R.Small-scale unmanned aerial vehicles in environmental remote sensing:Challenges and opportunities[J].GIScience and Remote Sensing,2011,48(1):99-111.

[12] Pix4Dmapper軟件數據處理操作手冊[EB/OL].[2015].http://www.skyway-info.com/cn.

Operation manual for data processing of Pix4Dmapper software[EB/OL].[2015].http://www.skyway-info.com/cn.

[13] Jiang H B,Su Y Y,Jiao Q S,et al.Typical geologic disaster surveying in Wenchuan 8.0 earthquake zone using high resolution ground LiDAR and UAV remote sensing[C]//Lidar remote sensing for environmental monitoring,2014,9262:926219.

ApplicationofUAVlow-altituderemotesensing

WU Yongliang1,2,3， CHEN Jianping1,2， YAO Shupeng1,2， XU Bin1,2

(1.SchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing100083,China； 2.BeijingKeyLaboratoryofDevelopmentandResearchforLandResourcesInformation,Beijing100083,China； 3.ChinaAcademyofAerospaceStandardizationandProductAssurance,Beijing100071,China)

Unmanned aerial vehicle (UAV) low-altitude remote sensing is an extension and supplement of the traditional aerial photogrammetry, characterized by the airspace application convenience, short launch preparation time, and being less influenced by meteorological conditions, landing site restrictions and regional geological conditions. In order to promote the UAV low-altitude remote sensing technical application, the authors studied its key technologies. The function of UAV low-altitude remote sensing system and the factors considered in the design were analyzed, and the survey process was summarized. A complete technical route of UAV low-altitude remote sensing using in geological survey was formed. To prove the practicability of this technology method, the low-altitude UAV remote sensing system was built up for application in Zhoukoudian area. The results show that this means can provide timely and effective image for geological survey and emergence response survey, and has reference significance for low-altitude UAV remote sensing engineering application.

UAV remote sensing; aerial photography application; Zhoukoudian; Pix4Dmapper

10.6046/gtzyyg.2017.04.18

吳永亮，陳建平，姚書朋,等.無人機低空遙感技術應用[J].國土資源遙感,2017,29(4):120-125.(Wu Y L，Chen J P，Yao S P,et al.Application of UAV low-altitude remote sensing[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4):120-125.)

TP 79

A

1001-070X(2017)04-0120-06

2016-05-09；

2016-07-12

國土資源部公益性行業科研專項項目“地質大數據技術研究與應用試點”(編號： 201511079-02)資助。

吳永亮(1987-)，男，博士研究生，從事地球探測與信息技術、航天標準化研究。Email: andyloveti@163.com。

(責任編輯：李瑜)