無人機航測系統在應急服務保障中的應用與前景

盧 俊

貴州省第一測繪院

1 引言

攝影測量和遙感技術開辟了人類對于世界的全新認知，同時也為人們提供了多角度、宏觀尺寸的認知支持。無人機航測系統的發展與普及對于整個測繪行業而言具備顯著的推動作用，其可以有效地解決測繪發展中的瓶頸問題，可以有效提升測繪與應急保障服務的綜合能力水平。伴隨著全球范圍內無人機航測系統的配備與推廣，無人機航測系統在提升測繪成果方面的優勢非常顯著，其具備精細化作業、高效率反饋、靈活動機以及作業成本低等優勢，在小區域以及飛行難度較高的區域具備較高的應用優勢。對此，探討無人機航測系統在應急服務保障中的應用具備顯著實踐性價值。

2 無人機航測系統的特征

無人機因其具備快速地反應能力，及在獲取區域高分辨率影像方面的明顯優勢，是傳統航空攝影測量的有力補充手段。其可以快速地實現對某個地區的監測調查功能，無人機航空攝影本身的分辨率相對比較高，可以實現對某一個地區或遭受災害的區域以人為方式實現航拍控制，可以為災情反饋、救援指導、災情評估以及災后重建等提供多方面的技術支持。

無人機航測系統自身的優勢主要在于：（1）機動靈活，反應快。無人機航測系統本身的運輸便捷，對起飛降落場地的限制很小，同時升空前的準備時間非常短，基本不會遭受天氣因素的影響，作業的方式靈活多變，可以為時間緊迫的動態化監測以及地質災害的災害調查等工作提供可靠的支持，可以在短時間內實現遙感監測結果的反饋；（2）操作便捷性。無人機航測系統可以根據預定的飛行航線實現自主性的飛行，航線本身的精度控制水平較高，飛行過程中的姿態相對穩定，飛行的高度在50m～4000m左右，速度在7km/h～160km/h左右，因為飛行穩定，所以可以適用于不同類型的遙感監測任務；（3）高分辨率圖像獲取能力。無人機航測系統的高精度數碼成像設備帶有面積高覆蓋、垂直或傾斜進行拍攝成像的功能，飛行高度相對比較低，其可以實現大比例尺的高分辨率攝影，可以在局部信息方面表現出非常突出的影像攝像優勢，尤其是在一些大比例尺的遙感項目中具備較高的應用價值；（4）成本低，安全性好。無人機航測系統的運營成本相對比較低，維護難度比較簡單，飛行操作人員的培訓時間比較短，不需要申請空域便可以進行航測（國家標準為1km 及以上管制），所以整體運營成本比較低。由于沒有飛行員，能夠解決有危險、地形復雜、不能通行等人工探測無法到達的區域的數據獲取問題，如通過無人機獲取困難山區、地質災害后航空影像數據，可以避免人員傷亡的風險。

3 無人機航測系統的發展歷程

應急服務保障工作中采用無人機航測系統具備較高的優勢，在技術的發展歷程方面，無人機航測系統主要經歷了全數字攝影測量、傾斜攝影及機載激光雷達航測等三個不同階段和應用模式，不同階段的發展都是在技術層面上的一種跨越，應用方向也得到了更大的拓展。

3.1 無人機全數字攝影測量技術

無人機全數字攝影測量技術，是通過無人機飛行平臺搭載數碼相機和POS 系統，從而獲取地表影像和位置信息的技術。POS系統是一種GPS和INS的組合系統，其中GPS能提供精確的三維坐標信息，INS是一種導航系統，可以測量出攝影機的位置、速度、航向以及姿態，從而獲得角元素值。利用POS系統同時記錄的航攝儀三維坐標和姿態參數，經過后期處理計算出每張航片的外方位元素，并加入少量的外業控制點坐標進行空中三角測量。POS輔助空三技術在現階段數字航空攝影測量中已經得到廣泛應用，與傳統的空三加密方法相比，它在一定程度上簡化作業步驟，并能大大減少外業控制點的數量，提高了生產效率，節約了生產成本。全數字攝影測量技術因其可以快速生產3D（DOM、DSM、DLG）產品及數字三維模型的應用最為廣泛，普及程度也比較高，其成果對于自然資源行業的不同領域中都有明顯的支持作用。

3.2 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術顛覆了以往正攝航空攝影只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維城市模型及真正射影像，能得到符合人眼視覺的真實直觀世界。由于傾斜影像為用戶提供了更精確的地理信息、更豐富的影像信息，更直觀真實的視覺體驗，可廣泛應用于應急指揮、國土安全、城市管理、房產稅收等行業。

3.3 無人機激光雷達測量技術

無人機搭載激光雷達測量系統是一種主動航空遙感裝置，是實現地面三維坐標和影像數據同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實現地物三維實時、變化、真實形態特性再現的一種國際領先的測繪高新技術，與傳統航測技術相比具有成果的整體精度與精細程度更高、可全天時全天候獲取數據、生產效率高能快速直接獲得DSM/DEM 等成果等優勢。激光雷達技術最主要的數據產品是高密度、高精度的激光點云數據，該數據直接反映點位的三維坐標。通過自動或人工交互處理，把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目標上的點云進行分類、濾波或去除，然后構建不規則二角網TIN，就可以快速提取DEM。由于激光點密度大，數目多，使得生產高精度、高分辨率的DEM 也成為可能，因此它是解決快速進行DEM 數據采集的最有效方法，其產品精度甚至可以滿足多行業對高程的需求。機載激光雷達優化技術提取的地面三維坐標，滿足高精度影像微分糾正的需要，結合同時搭載數碼相機獲取的航空影像，使得數字正攝影像圖（DOM）的生產變得相當容易，在應急保障服務中能夠快速地得到地面三維信息和影像信息。

4 應急響應中的無人機航測數據處理流程

在應急響應的應用中，影像數據的快速、高效處理至關重要，尤其是在災情未知的情況下，進入災區進行野外控制點測量既費時又存在安全隱患，因此，利用POS數據輔助空中三角測量的方式，簡化作業步驟，減弱空中三角測量對地面實測控制點的依賴，直接通過POS 數據中的GPS 信息對相對定向匹配得到的自由網進行絕對定向，從而得到空三加密和正射影像等成果。

傳統空中三角測量及正射影像生產的基本流程包括資料分析、影像數據預處理、自動內定向、相對定向匹配、區域網平差等步驟，之后再利用空三加密定向成果及高精度匹配編輯獲取到的數字高程模型(DEM)，對航空影像進行數字微分糾正，再經鑲嵌、剪切得到數字正射影像成果數據。而在應急響應中，為了快速完成空三加密得到正射影像，可利用POS數據輔助空三技術，簡化作業流程，提高生產效率，關鍵技術如下。

4.1 簡化影像預處理步驟

在全自動數字攝影測量系統中，畸變糾正和影像旋轉可在自動內定向時一步完成，簡化影像預處理的步驟。另外，導入POS 數據，可根據POS 數據劃分航帶、排列影像，減少常規空三加密中航線劃分、量測航帶間連接點等工作。

4.2 全自動匹配連接點

對于數字攝影測量，空三加密是通過計算機視覺，計算兩張相鄰影像的特征點，相鄰影像的同名像點根據算子（即算法原理）可計算出相同或相近的特征值，從而可以找到該同名像點，即完成連接點的匹配，將單張片子的影像通過這些連接點構成一個整體。圖像中的連接點是全自動選取的，以實現測區的最優化。

4.3 POS輔助高精度絕對定向平差

POS 輔助空三相對于常規空三的最大優勢是可以減少了外業控制點的數量，甚至在無控制的情況下進行空三加密，在絕對定向時使用少量控制點坐標和POS 數據共同進行平差計算，能夠有效提高區域網平差精度。POS 輔助空三在應急保障中，受災區域無法進行像片控制點測量的情況以及自然環境條件惡劣的特殊困難地區，如高海拔山區、沙漠戈壁、高密度林區、大面積水域等尤為適用。

4.4 高效、精準的DTM匹配和處理

在全自動數字攝影測量系統中依據地形和比例尺設置適當地在X、Y步長，并選擇適當的地形模型，自動計算DSM點云。采用合適的濾波參數，對點云數據進行濾波處理，過濾掉高層建筑物和植物頂端的點。利用濾波后的DEM 點云構建不規則三角網TIN。根據地形和比例尺設置DEM 單元格尺寸，通過TIN 內插生成固定尺寸的規則格網DEM。為達到更好地影像糾正效果，應對DEM做平滑濾波處理。

4.5 DOM糾正以及鑲嵌裁切

利用經過平滑處理的DEM對影像進行單片正射糾正，再將單片正射影像進行鑲嵌。一般來說鑲嵌時軟件能自動識別并繞開人工地物，但仍有部分高架橋、高層房屋等未能避免，造成影像拼接錯位。檢查并修改拼接線，使影像接邊處過渡自然，無錯位、無拉花等。

5 無人機航測系統在應急服務保障中的應用

應用航空遙感技術作為支持，地質災害可以實現快速解析、勘查工作，這也是無人機航測系統的應用最終目標[4]。地質災害影像中的受災范圍及災害信息的提取可以在數字正射影像基礎上借助常規遙感分類、人機交互半自動提取的方式進行。地質災害在發生之后可以在第一時間不考慮圖像的來源，而借助無控制影像拼接技術的方式獲得大面積的災害后圖像，所以對于災害情況的宏觀表現功能非常明顯[5]。也可進行無像控空三加密，快速匹配生成DEM、正射影像、三維景觀圖等測繪產品，能夠迅速了解災情并獲取受災地區詳細的地面三維信息，得到受災區域更直觀的可視化效果，為救援隊伍提供精確、可靠的測量數據，從而為制定出及時有效地救援計劃、進行合理的人員調度提供依據，指導應急救災，提高應急測繪保障能力。

傳統航空攝影因飛行調度較高，必然會遭受地面天氣與云層的影響。而無人機航測系統的應用在云層的下方，在多云、多霧的天氣環境下也可以實現攝影拍攝。目前來看，無人機航測系統的應用主要在于下面幾種：（1）災害事件和災情監測。因為天氣影響比較小，所以可以在森林火災、冰雪災害、地震、洪澇、核電站相關險情等多方面的應用，尤其在地震災害中，因地震的影響，導致無線電與微波通訊系統遭受干擾，此時電磁波的形成會對飛行儀表形成比較突出的影響，再加上天氣環境以及地形地貌的特殊性，導致有人駕駛飛行器很難準確地獲取地面的信息。想要及時獲得航天遙感數據信息，就必須借助無人機航測系統進行攝像，并且借助無人機航測系統不會涉及人員傷亡的風險；（2）高時效性的資源監測任務。傳統的資源監測任務主要是獲得資源的位置與數量，目前資源監測已經從資源的動態化監測方面得到了明顯的改變，無人機本身具備高時效性的特征，其可以第一時間獲得資源的變化情況，并在后續的長期監測中持續便捷的獲取變化數據；（3）數字城市建設。無人機航測系統的應用屬于數字城市建設的關鍵性環節[6]。雖然衛星遙感與有人駕駛飛行器這一種普通航空遙感技術已經比較成熟，但是并不能達到“想要就有”的服務要求。對此，便可以借助無人機航測系統，借助低空飛行與拍攝技術方式，采用合適的相機并調整飛行參數，盡可能減少無人機拍攝時的像幅、基高比等問題，從而達到高分辨率的攝影，可以更好地滿足數字城市的建設需求；（4）國土資源監測。目前國土資源監測屬于無人機航測系統的重要應用途徑，其主要是對土地資源、建筑資源等方面的信息變化記錄，借助實時且快速地方式實現數據信息的采集。針對重點的地區與熱點地區可以借助滾動式的循環監測技術方式，可以對違規違法的用地行為、濫用耕地、非法開采礦山以及生態環境破壞等多種行為做到及時性的發現并快速制止。無人機航測系統在接到任務之后可以在短時間內出發，即使是再惡劣的環境與條件都可以在30min 內便可以達到現場，監測的實時性較高，可以更好地為監察部門開展違法行為監察工作提供技術性的支持，這也是無人機航測系統所具備的突出優勢之一。

6 總結

綜上所述，無人機航測系統的應用可以為應急服務保障工作提供可靠的支持，可以確保整體工作效率、準確性以及成本效益等保持最佳化水平。相對于傳統的攝影技術而言，無人機航測系統具備許多傳統技術不具備的技術優勢，其可以實現對幾乎所有環境、所有地區的攝影，使用方式便捷，結果精確度較高，攝影與數據處理的效率高，可以有效應用于應急服務保障工作，整體推廣價值較高。