无人机数码航摄数据获取与应用分析

陈洪

(福州市勘测院，福建 福州　350108)



无人机数码航摄数据获取与应用分析

陈洪*

(福州市勘测院，福建 福州350108)

摘要：无人机数码航摄相比于传统航空摄影技术，具有机动灵活、成本低廉及生产周期短等优点，是获取小区域基础地理信息数据技术手段的有力补充。本文首先描述了无人机数码航摄系统的技术特点及组成，其次详细地阐述了无人机数码航摄数据获取的技术流程，最后重点分析了无人机数码航摄技术应用现状及前景。

关键词：无人机；数码航摄；摄影测量；应急测绘

1引言

无人机(unmanned aerial vehicle，UAV)是一种机上无人驾驶的航空器，其具有动力装置和导航模块，在一定范围内靠无线电遥控设备或计算机预编程序自主控制飞行。根据飞行器平台结构类型差异，现有无人机主要分为固定翼无人机、旋翼无人机及无人直升机三种类型。传统对地观测手段主要以航天和航空遥感两种方式为主，无人机低空遥感相对于前两者，具有全天时、全天候、机动灵活、起降方便、生产周期短、生产成本低廉等方面的技术优势，其获取的高分影像数据被广泛地应用于国土资源调查、应急抢险救灾、智慧城市建设等各个领域。

相比于传统的遥感对地观测手段，无人机数码航摄是一种新型低空对地观测手段，其数据获取方式具有一定的差异性，另外，随着无人机相关技术的不断革新，其应用领域不断被拓宽。因此，本文针对无人机数码航摄数据获取工艺流程，并结合其应用现状进行相关阐述及分析。

2无人机系统

无人机系统主要包括飞行器、任务载荷、地面保障三部分，结构如图1所示：

2.1飞行器系统

飞行器系统包括飞行器平台、飞控与导航模块以及数据传输模块三个部分。无人机飞行器平台主要以固定翼及多轴旋翼两种结构为主，其中固定翼无人机动力类型包括油动和电动两种类型，油动无人机满油续航时间为 3 h左右，其荷载重量约为 2 kg，而电动无人机满电续航时间为 1 h左右，荷载重量约 0.5 kg。相比而言，目前多轴旋翼无人机的续航时间大多在 0.5 h以内。飞控与导航模块是飞行器的核心部件，负责控制飞机按预定航线自主飞行及姿态保持。2.2任务载荷

无人机任务载荷主要以单反相机、微单相机及卡片式相机三种类型为主。以上三种相机均为非量测相机，需要进行相机标定。单反数码相机，像幅相对大，机身较重，多用于油动类型等荷载较重的无人机机型，而微单及卡片式相机像幅较小，机身相对较轻，多用于电动无人机。

2.3地面保障系统

地面保障系统是无人机起飞及降落的重要支撑部分，主要包括地面监控站、起降辅助设备、数据传输模块三个部分。地面监控站在无人机数码航摄过程作用分为三个阶段，起飞阶段，通过无线电台与飞行器进行连接，检校无人机各项指标参数，包括线路检查、姿态检查、自动控制检查、磁罗盘检查、相机检查、应急参数检查、动压参数检查等各项检查；飞行阶段，地面站实时监控飞行器的飞行姿态，包括飞行速度、横滚及俯仰倾角、航高变化等指标；降落阶段，地面站控制飞行器盘旋降高，到指定高度后，控制飞行器打开降落伞，落地后，通过地面站自动提取相片的POS数据。

3数码航摄数据获取

无人机数码航摄数据获取过程分为三个步骤，飞行前准备，飞行中监控，飞行后处理，如图2所示：

3.1飞行前准备

无人机数码航摄数据获取过程中飞行前准备工作至关重要，关系到整个航摄工作能否顺利进行，包括相机检校、航线设计、飞行器准备及其他相关的准备工作。无人飞行器搭载的任务荷载相机进行航摄任务前，必须进行检校，以获取准确的相机畸变参数用于后期参与空中三角测量。飞行前，必须认真检查确保电池、飞控链路完整性、降落伞及其他零配件准备充分。飞行航线设计，需综合测区实际地形、航摄分辨率要求、航向及旁向重叠度等要求进行布设，总体原则为以最小航程及最短飞行时间完成航摄任务，从而将飞行风险及成本降至最低。航线设计参数如图3所示：

其中：

(1)

(2)

(3)

图3航线参数设计

3.2飞行中监控

飞行中监控指在飞行器通过飞控系统自动巡航拍摄过程中，实时监控飞行器的横滚角、俯仰角、旋偏角、卫星数量、空速等飞行参数。当飞机姿态长时间超出规范要求(横滚及俯仰角均不大于3°)，此时说明空中自然风速过大，不适宜飞行，获取的影像数据不能满足后期数据处理要求；当发生飞行器偏离预定航线飞行，飞行器掉高，卫星丢失等情况时应及时召回飞行器，重新进行飞行准备工作，待满足飞行条件后再实施数码航摄工作。地面站监控界面如图4所示：

图4地面站实时监控界面

3.3飞行后处理

飞行后处理为飞行器完成数码航摄工作后，回收飞行器及提取航飞数据的过程。目前，无人飞行器降落的方式主要有伞降、网降、滑降几种方式，降落前要提前选好降落场地及开伞地点，要求飞行器在逆风情况，进行起飞和降落，开伞高度控制在距地面 80 m～ 100 m高度。航飞数据获取，包括影像数据和POS数据两部分，POS可以提取多次以避免数据丢失。完成航摄工作后，回收整理飞行器、降落伞及其他相关飞行设备。

4应用分析

4.1小区域大比例尺地形图测绘

传统数码航空摄影测量主要应用于大范围地形图测绘任务，对于小区域大比例尺地形图更新而言，该种作业方式存在建筑物遮挡、生产成本高、生产周期长等劣势；另外，以往小范围大比例尺地形图测绘多采用全野外作业方式，这种作业方法本身具有生产成本更高、周期更长、作业难度大等不足。当采用无人机数码航摄技术更新小区域大比例尺地形图时，具有轻便快捷、成本低廉、更新周期短等优点，适用于城市改扩建、新农村建设、城镇规划设计用地形图新测、修测工作，具有极大的现实及经济意义。

4.2不动产登记

目前我国农、林、水、国土等相关机关单位正在积极推进不动产登记工作，并已在全国范围内迅速展开。不动产登记工作包括集体土地所有权、房屋建筑物所有权、森林所有权、土地承包经营权、宅基地使用权、建设用地使用权、海域使用权等权利登记工作。以上各种类型的不动产登记工作，都需要高分辨率、高精度的遥感影像作为工作底图开展登记工作。无人机数码航摄可提供地面分辨率优于5 cm的影像数据，现势性高、高效准确，为不动产登记工作提供辅助解决支持。

4.3线路巡查及选址

超高压电力线路、高速公路经常选址位于高山地、盆地等无人区域，人工很难涉足到达，而电力线塔基选址、高速线路设计工作需要在项目建设前期完成。采用无人机数码航摄方式沿线路走廊采集影像及视频数据，然后构建立体像对，在立体像对上进行选址定点，直观准确、安全高效，可以有效地避开危险及不满足定址区域，另外相关的其他数据成果也可以用于辅助线路纵横断测量、土石方测量等测量任务。

4.4应急测绘

当前地震、台风、泥石流、洪水等自然灾害事故频发，如何准确快速地获取事故现场的影像视频资料，无人机可为此提供新的解决途径。事故发生时，往往事故现场情况及环境复杂，交通条件受限严重，抢险救援人员无法到达事故现场，指挥人员无法对事故现场环境情况有详细清楚的认识，影响救援方案确定及实施的顺利进行。而此时无人机以其机动高效性能绕过交通不便的地面通道，从空中全方位、全天时对事故现场进行数码航摄及视频录制，并实时将数据传输至应急抢险救灾指挥中心，辅助指挥员进行决策分析，可以有效地将人民群众生命财产损失程度降至最低，具有重大的社会意义。

4.5其他应用

无人机以其机动灵活、成本低廉等优势被广泛地应用于各个领域，包括城市规划、倾斜三维建模、矿产资源普查、水利设施建设、植保农业、地址勘测、气象探测等各个方面。随着计算机、电子机械装配等相关技术不断革新，无人机技术也将更加完备，其应用前景也将更加广阔。

5结语

本文对无人机的技术特点系统组成及技术特点进行了详细地阐述，并将无人机航摄数据获取进一步细分为三个过程，每一个过程的注意事项和工作内容都做了相应说明。论文结合无人机数码航摄的技术优势，重点分析了其在国民经济建设各个领域的应用现状。后续工作考虑将无人机数码航摄工作流程标准化及相关组成模块改进升级，从而将其推广至更广阔的应用领域。

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Analysis of the UAV Digital Aerial Photography Data Acquisition and Application

Chen Hong

(Fuzhou Investigation and Mapping Institute，Fuzhou 350108，China)

Key words：unmanned aerial vehicles(UAV)；digital aerial photography；photogrammetry；emergency surveying and mapping

Abstract：Compared with the traditional aerial photogrammetry technology，unmanned aerial vehicle(UAV)has the advantages of flexible，lower production consumption and shorter production cycle，acts as a powerful technology supplement to obtain small regional basic geographic information data. Firstly，this paper describes the technical characteristics and components of the UAV digital aerial photography；secondly，a technical process of the UAV digital aerial photography data acquisition were described in detail；finally，analyses the UAV digital aerial photogrammetry technology application situation and prospects.

文章编号：1672-8262(2016)03-89-04

中图分类号：P231

文献标识码：B

*收稿日期：2016—02—15

作者简介：陈洪(1988—)，男，工程师，主要从事摄影测量与遥感相关技术应用研究。

基金项目：2015年福州市区域科技重大项目(2015-Q-13)