無人機低空遙感技術在高清地圖領域的應用研究

劉永學

（江蘇省交通技師學院，江蘇鎮江，212000）

1 無人機遙感技術的優點

1.1 易于獲取優于高分辨率衛星影像的圖像

采用高分辨率的數碼相機就可以進行影像數據的獲取，而且在影像數據或許環節中不需要專業的人員，通過簡單的操作就能完成所有影像的獲取。無人機遙感可獲取到超高分辨率數字影像和定位數據，可針對特殊監測目標搭載全色波段、單波段、多波段等傳感器，也可以進行多角度攝影。

1.2 人力和硬件成本低

無人機飛行成本低，無人機遙感技術的成本非常低，整套設備就在10萬至100萬元左右。

1.3 靈活性高，安全性能好

無人機靈活性高，對起降地點沒有苛刻要求。無人機起飛和降落不需要專門的飛機跑道，可以在不同的環境下起飛，簡化了操作流程，并且可以在山地丘陵和城市地區完成飛行航拍工作，其飛行高度不需要得到空管部門的獲批，可以在任何時間地點完成影像資料的獲取。

1.4 受氣候條件影響小

無人機受外界環境影響小，只要不是在惡劣的雨雪天氣和大風天氣，無人機遙感技術都可以使用，可隨時進行二次測量。

2 無人機低空遙感技術的系統組成

無人機遙感系統主要包括飛行控制系統、數據采集、數據傳輸和數據處理系統，如圖1所示。

圖1 無人機遙感系統組成

2.1 飛行控制系統

無人機的運動完全依賴于控制系統。要獲得有效的遙感信息，就必須要求控制系統擁有高性能。為了滿足無人機遙感技術不斷復雜的要求，簡單的線性控制已不能滿足當前的應用環境。一些基于非線性控制方法的控制系統逐漸成為相對較好的替代方法，它可以基本上解決經典控制方法在多變量輸入輸出條件下的問題。研究表明，這些非線性控制方法解決了一定的問題，但也會有其他的不足。于是，一些專家系統和神經網絡相結合的方法出現了，進一步改進了非線性控制方法。深度學習等人工智能算法的發展，為飛行控制提供了更有效的手段。

2.2 數據采集系統

各種類型的傳感系統已經與無人機集成，以執行不同類型的任務。最常用的傳感器包括高清相機、光探測和測距（LIDAR）、紅外相機和其他成像/測距系統。在本文中，我們將重點研究基于無人機的攝影測量系統和激光雷達系統。

基于無人機的攝影測量系統主要基于小型機載相機收集的圖像。它通常需要有測量位置的地面控制點(GCPs)，并可以借助已記錄的攝像機位置和方向。可以通過直接或間接的地理參照來估計目標區域的3D點云。最常用的無人機地理定位解決方案之一是運動恢復結構(SFM)。

可以將同一區域上的多個2D圖像進行組合，并在它們之間匹配點特征，這些圖像預計會有很大的重疊區域(～80%)。然后在相機幀中估計這些點的3D位置，用于形成3D模型或點云。然而，當使用小型商用無人機時，在世界坐標系(例如GPS坐標系)中，相機姿態(位置和方向)并不總是已知的。因此，用小型無人機用SFM創建的三維模型通常是無量綱的，不能直接作為地理參考。它需要更多的地面控制點來與世界坐標聯系起來。該模型的絕對精度取決于圖像處理質量和地面控制點。

一些定制和商業現貨無人機能夠記錄飛行期間拍攝的每張圖像的相機位置和/或方向。在這種情況下，基于攝像頭的直接地理參考是可能的。它可以通過從單張圖像到已知表面的光線追蹤來實現。由于這種方法不需要地面控制，3D建模的精度主要由相機定時、方向和位置的精度決定。然而，不能攜帶高質量導航傳感器的小型無人機不能用于直接地理定位。因此，直接地理定位尚未普遍用于低成本小型無人機。

SFM不需要先驗的相機位置和朝向，也不需要完整的相機標定模型。事實上，它們也可以作為SFM結果的一部分進行估計。然而，如果有這些項目的先驗估計，可以將其納入SFM軟件，以進一步提高數據產品的質量。SFM的核心算法通常基于束平差，即使用多幅圖像進行三角剖分的過程。三角定位是SFM和直接地理定位系統的關鍵組成部分。雖然有幾個專門的三角剖分軟件解決方案，但它通常是當今SFM商業軟件解決方案的一部分。

在一些更大尺寸的無人機上，照相機系統可以與直接測距傳感器結合，例如無人機LIDAR系統。LIDAR根據激光束的返回來感知到3D世界中一點的距離。由于光束將以LIDAR機身框架中指定的已知方向發送，因此可以直接在LIDAR機身框架中測量這一點的位置。激光雷達對自然光條件不太敏感，可能在禁止相機操作的操作條件下(如弱光)提供測量。機載LIDAR直接在傳感器坐標中測量點云，而不是在世界坐標中。通過了解LIDAR的精確位置和方向，將點云轉換為世界坐標系。目前可用的機載LIDAR傳感器仍然比一般相機更昂貴、更耗電、更重。機載或無人機LIDAR系統通常包括三種類型的傳感器：測距傳感器(2D掃描LIDAR、3D掃描LIDAR或3D成像儀)；定位傳感器，如全球定位系統(GPS)或全球導航衛星系統(GNSS)接收機；以及測量加速度和旋轉的慣性傳感器。這三個傳感器被集成到數據采集系統和3D建模過程中，GNSS和慣性傳感器通常耦合在一起，以提供LIDAR的精確和平滑的姿態(位置和方向)和速度。GPS/GNSS同時負責其他傳感器的精確時間標記和同步是一種很好的做法。

2.3 數據傳輸系統

受無人機載荷的限制，應盡可能減少數據存儲設備等設備。由于遙感信息中的數據量較大，需要有較高的數據傳輸速度和抗干擾性能，以保證數據的完整性。也就是說，無人機遙感必須選擇多條高效、穩定的數據傳輸鏈路，才能實時、不間斷地傳輸數據，還要考慮數據的預處理和存儲，確保數據有效、完整。

2.4 數據處理系統

目前，無人機的遙感圖像處理主要是在獲取圖像后的地面系統中進行。由于無人機攜帶傳感器的范圍較廣，不同傳感器獲取的數據也不盡相同，目的也不盡相同。雖然單條圖像信息獲取有用數據，但圖像信息中的數據量大，相關性差。要解決這個問題，目前有研究探索將單個視覺傳感器與無人機姿態控制傳感器結合，獲取包含無人機實時姿態信息的圖像數據，這樣可以降低進一步處理圖像的難度。

3 無人機遙感系統用在高清地圖領域中的主要操作流程

無人機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，其操作流程如圖2所示。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。

圖2 無人機遙感系統操作流程

3.1 任務分析

無人機遙感系統在接收到相關任務以后，需要先分析任務的實際情況，在核實好任務與目標以后，就要借助飛行平臺和遙感設備，核實相關工作的具體時間。對地面資料進行收集，結合野外勘探的方式，整合所有的數據。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。

3.2 選擇起飛場地

到達飛行區域后，開展飛行準備工作，為無人機的順利起降及安全作業提供必要保障。在調查區域確定以后，選擇合適的無人機飛行平臺，在開辟的平地或者公路上進行無人機的起飛，保障設備和人員出于安全的情況下進行飛行工作，確保無人機順利的起飛與降落。針對飛行存在一定的不可預見性和安全隱患，在無人機試飛作業開展環節中，應該合理地選擇起飛和降落場地，對起飛和降落場地進行勘察工作。無人機起飛和降落場地的要求不高，但是要著重考慮安全問題，有效地防止各類意外事故的發生。

3.3 檢查機載飛行控制系統

無人機飛行環節中，遙感設備裝置在其中，每個起飛和落地環節中都應該對無人機的各個部件進行緊密的檢查和排查工作，確保機在儀器設備處于正常運行的情況，才能提升無人機遙感作業的成功率。

3.4 設計飛行方案

合理的起飛方案可以有效地減少無人機起飛的次數和時間，在對區域的位置和信息了解的基礎上，充分結合飛行效率；在目標區域全面覆蓋的基礎上，有效地減少航路，從而全面地進行影像資料的獲取。航跡規劃軟件設計應覆蓋整個研究區域的飛行軌跡，在航跡設計階段之前，操作員獲取了研究區域的估計坐標。在設計飛行路線之前，有一些工作參數需要明確。這些參數是建議的飛行高度、覆蓋研究區域、飛行任務期間將使用的相機焦距、所需的比例尺等。在飛行任務中，這些參數會影響圖像采集結果。在獲取某一高度的圖像之前，需要考慮圖像的像素大小，以便使用固定焦距來確定一幅圖像的大小。

航跡規劃軟件要求用戶輸入路徑點坐標，飛行設計是根據飛行任務中需要覆蓋的飛行高度和覆蓋區域進行的。隨后，導航文件通過無線調制解調器發送到飛行控制板。航跡規劃軟件可以監控無人機在執行飛行任務時的狀態、無人機高度、無人機姿態、電池狀態和無人機速度。在飛行任務中，無線調制解調器作為無人機與地面站監控器之間通信的橋梁。操作員可以從地面站計算機監視無人機活動，并為任何情況做好準備。發射和著陸操作由操作員手動控制，以防止無人機上的任何損壞，特別是在著陸操作期間。

3.5 數據處理

利用航空圖像處理的軟件（如Photomod攝影測量軟件）對無人機原始圖像進行處理。所有獲取的圖像都需要經過所有的攝影測量操作，如內部定位、外部定位、空中三角測量和束調整。內部定位需要相機參數，而這些參數是從相機標定結果中獲得的。這些參數是焦距、x和y的主距離、鏡頭徑向畸變、鏡頭切向畸變和親和度。像素大小是內部方位的重要輸入之一。這是因為像素大小可以決定圖像在地面上的地面覆蓋面積。外部朝向涉及圖像之間連接點和地面控制點的建立。結合點可以手動生成，也可以自動生成。手動編輯需要用戶集中注意力，以便在兩張圖像之間或在一個模型中定位點。用戶還可以使用自動聯系點生成，在模型中建立聯系點。自動聯系點生成使用圖像匹配相關算法來識別兩張圖像中相同的特征。但是，用戶需要在運行自動聯系點操作后，選擇好的聯系點，去除不好的聯系點。這一步需要控制最終結果的準確性。捆綁點負責定向，將所有圖像捆綁在條帶中，并將所有圖像安排得與飛行任務中相似。利用地面控制點將圖像投影到局部坐標中，采用實時動態全球定位系統(RTK-GPS)建立地面控制點。對外定位后進行空中三角測量，利用均方根方程分析空中三角測量的精度。攝影測量過程后產生的產品主要有兩種：數字高程模型和數字正射影像圖。

4 結語

隨著各種技術的不斷發展，無人機的功能越來越強大，本文針對無人機遙感系統的子系統進行了分析。無人機遙感技術成為高清地圖繪制應用的關鍵技術，可以提升地圖繪制的精確性和效率。隨著人工智能的不斷成熟，人工智能在無人機飛行控制和數據處理方面的應用將產生重大成果，進一步提高無人機遙感技術的效率和精度。因此在地圖繪制中，應該充分結合無人機遙感技術，在確保地圖繪制精確性同時，提升作業效率。