无人机数字航摄系统的快速测绘与应用

2013-08-12李国顺王太坤

河南科技 2013年8期

李国顺王太坤

(濮阳市国土资源局，河南濮阳 457000)

近几年来，随着经济建设的快速发展，地表形态发生着剧烈变化，迫切需要实现地理空间数据的快速获取与实时更新。无人机数字航摄系统是快速获取地理信息的重要技术手段，是测制和更新国家地形图及地理信息数据的重要资料源，在应急数据获取和小区域低空测绘方面有着广阔的应用前景，起着不可替代的作用。

1 无人机低空遥感技术概述

无人机遥感系统是以无人驾驶飞行器为飞行平台，负载数码相机、数码摄录机等数字遥感设备进行拍摄和记录，通过遥感数据处理技术进行影像的同步传输，以实现对地理信息的调查与监测，具有自动化、智能化、专用化快速获取国土、资源、环境等空间遥感信息，完成遥感数据处理、建模和应用分析的技术。

1.1 科学选择无人机

目前，世界上30 余个国家和地区已研制出50 多种无人机，无人机型号超过300 余种。在我们国家已有多家单位成功研制出无人机摄影测量系统及后期数据处理平台，如“Quick-Eye”、“华鹰”、“飞象”等。在具体实测中，应根据不同的区域、不同的地貌和飞行高度选择作业参数不同的飞行平台，如“智能鸟”、“飞象”等产品适合在平原地带的中小城镇，可以完成飞行高度要求不高的林业和草场监测、海洋环境监测、污染源及扩散态势监测、土地利用监测以及水利、电力等领域的测制任务;在一些大城市尤其是险峻的山区，由于城市构建物较高，山区山势陡峭、起伏悬殊，地形地貌复杂，需要飞行高度较高、空速较大的无人机。如由中国科学院遥感应用研究所研发面市的“QuickEye”无人机，机长2.3 米，翼展3 米，机高0.5米，适用相机CanonEOS5D 以上，最大燃油量9L，最大起飞重量28kg，最大任务载荷8kg。其主要作业参数见下表:

表1 “QuickEye”无人机主要作业参数

该产品可通过在空中的俯卧、横滚、偏航等技术完成矿山资源监测、单体滑坡勘查、火山环境监测等飞行任务。

1.2 合理设置传感器和分辨率

传感器作为航摄系统的核心部件，起着至关重要的作用。目前数码相机的影像传感部件有两种:一种是广泛使用的CCD(电荷藕合)元件;另一种是CMOS(互补金属氧化物导体)器件。从工作原理看，CCD 的优势在于成像质量好，但是由于制造工艺复杂，成本居高不下;CMOS 价格比CCD 便宜，但是CMOS 器件产生的图像质量相比CCD 来说要低一些。因此，必须根据工作需求，科学设置传感器和分辨率，确定航拍高度，获取理想、满意的成果图。成图比例尺、航高、分辨率三者关系如下图:

成图比例尺、航高、精度关系参数

关于精度，还应对成果数据进行检查，抽取一定比例的最终成果进行平面精度、高程精度检测，间距中误差丈量统计以及图面巡视检查，看地形图的数学精度、地理精度是否符合要求;图面内容清晰性、地物地貌取舍度是否符合规范和设计要求等。

1.3 影像处理软件

可采用中国测绘科学院的MAP-AT 软件或者武汉大学开发的DPGrid 低空航测数据处理系统软件处理无人机影像，或使用其他遥感影像处理软件进行后期处理，生成相应的数字正射影像及所需产品。但因数码相机不是摄影测量的专业相机，拍摄到的数字图像存在光学畸变误差，像点坐标需要进行畸变差改正，自用像对中的同名点生成DEM(数字地面模型)，由DEM 可制作正射影像图(DOM)，在制作过程中还需加入像控点，才能生成所需的正射影像图。

1.4 地面控制系统

地面控制系统软件在无人机飞行前进行航线规划，在飞行过程中要显示飞行区域的航迹、电子地图以及飞行参数和飞机的姿态参数。飞行过程中，所有飞行参数和导航数据可实时下传，操作者可在地面计算机上监视飞行状态，并根据航迹规划和路径调整来控制各种任务的执行。

1.5 我国无人机遥感系统发展现状

据新华社统计，目前各地测绘地理信息部门已装备无人飞机80 余架，初步建立起一个60 余支、遍布全国的无人飞机航摄系统低空遥感影像获取服务网络，举办无人飞机航摄系统技术与标准培训班880 余人次，累计飞行超过900 架次，飞行950 余小时，获取影像数据45 万余张。在青海玉树地震、贵州关岭特大型滑坡、云南怒江滑坡和泥石流灾害、云南盈江地震等重大自然灾害事件的应急救灾中发挥了重要作用。

2 无人机低空遥感的优点

无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器，目前已成为世界各国争相研究的热点课题，逐步从研究开发发展到实际应用阶段，成为未来的主要航空遥感技术之一。

2.1 应用简便灵活，易于操作。能通过地面运输能够快速到达监测区域，具有快速的机动响应能力;升空准备时间短，起飞比较方便，受场地限制较小;不需机场，在操场、公路或其它较开阔的地面均可起降;操作简单，机载高精度遥感设备可以在短时间内快速获取遥感影像数据，具有较高的快捷响应能力。

2.2 遥感监测系统性能优异。无人机航线控制精度高，飞行姿态平稳，飞行操作自动化、智能化程度高，便于掌握和培训。利用无人机遥感监测系统航摄影像清晰、分辨率高、没有绝对漏洞，除个别像对需手工加点外，基本实现自动空三解算，精度达到1:1000 航测成图要求。

2.3 结构简单，使用成本低廉。无人机遥感监测系统形体小，耗费少，运营成本较低，对操作员的培养周期短，系统的保养和维护简便，同时不用租赁起飞和停放场地。

2.4 效率高，成果清晰准确。与传统全野外测量相比，无人机低空遥感技术可大大减少野外工作量，提高成图效率。同时，利用真彩色正射影像数据，在土地规划中设计人员可更清楚直观的查看耕地状况，利用DEM 数据，可方便的进行坡度和土石方量的计算;在完成土地开发后，可利用无人机再次航飞，通过叠加对比，能准确地分析工程施工与设计的一致性及最终成效，有利于成果验收。

3 无人机低空遥感系统的应用

无人机系统利用飞行速度低、成像分辨率高，易于操作的特点，在国土资源、水利水电等领域得到广泛的应用，发挥着巨大的作用。

3.1 国土资源执法监测应用。通过无人机遥感监测成果，发现和查处被监测区域国土资源违法行为，建立国土资源动态巡查监管科技机制，做到对违法违规用地、滥占耕地、破坏生态环境等现象早发现、早制止、早查处。实验证明，无人机遥感监测系统具备高机动性、便捷性、低使用成本等特点，在土地利用、矿产资源及开发重点和热点地区的重复监测中具有独特的优势。

3.2 自然灾害监测应用。我国是自然灾害频发的地方，灾害类型繁多、地类复杂，可利用低空遥感作灾害前的防范、预警;灾害中的调查、分析;灾害后的评估、救援。如在汶川大地震抗震救灾中，首次将低空遥感数据快速获取、遥感数据并行处理、遥感快速测图等技术相集成，快速获取四川灾区3.5万余幅高分辨率航空影像，为国家加强救灾应急能力提供了先进、快捷、可靠的技术支撑。

3.3 国土测绘应用。无人机遥感监测系统还能用于大比例尺土地利用图测制、地形图修测和补漏数据的获取。实验证明，利用无人机遥感监测系统航摄影像清晰、分辨率高，基本实现自动空三解算，精度达到1:2000 比例尺航测成图要求。

3.4 水利水电应用。基于无人机数字正射影像和数字高程模型，不仅能为大型水利工程(桥梁、堤坝、水库、闸门等)提供选址服务，还能检测施工进程。水电工程环境大都十分险峻，难以人工测制，利用无人机系统测制水电项目设计和施工中必不可少的大比例尺地形图，既安全、经济，又准确、可靠。

3.5 小城镇规划应用。目前我国仍有数以万计的的小城镇规划缺乏高精度空间信息源。特别是许多小城镇地处边远地区、面积小、分布散，采用常规航空摄影耗费高、采用人工测量困难多、采用超轻型飞机姿态难控制，而无人机遥感系统以其独特的优势，可为1:2000，1:5000，1:10000 规划制图提供经济快速的数据源。