无人机航测系统在应急服务保障中的应用与前景

卢 俊

贵州省第一测绘院

1 引言

摄影测量和遥感技术开辟了人类对于世界的全新认知，同时也为人们提供了多角度、宏观尺寸的认知支持。无人机航测系统的发展与普及对于整个测绘行业而言具备显著的推动作用，其可以有效地解决测绘发展中的瓶颈问题，可以有效提升测绘与应急保障服务的综合能力水平。伴随着全球范围内无人机航测系统的配备与推广，无人机航测系统在提升测绘成果方面的优势非常显著，其具备精细化作业、高效率反馈、灵活动机以及作业成本低等优势，在小区域以及飞行难度较高的区域具备较高的应用优势。对此，探讨无人机航测系统在应急服务保障中的应用具备显著实践性价值。

2 无人机航测系统的特征

无人机因其具备快速地反应能力，及在获取区域高分辨率影像方面的明显优势，是传统航空摄影测量的有力补充手段。其可以快速地实现对某个地区的监测调查功能，无人机航空摄影本身的分辨率相对比较高，可以实现对某一个地区或遭受灾害的区域以人为方式实现航拍控制，可以为灾情反馈、救援指导、灾情评估以及灾后重建等提供多方面的技术支持。

无人机航测系统自身的优势主要在于：（1）机动灵活，反应快。无人机航测系统本身的运输便捷，对起飞降落场地的限制很小，同时升空前的准备时间非常短，基本不会遭受天气因素的影响，作业的方式灵活多变，可以为时间紧迫的动态化监测以及地质灾害的灾害调查等工作提供可靠的支持，可以在短时间内实现遥感监测结果的反馈；（2）操作便捷性。无人机航测系统可以根据预定的飞行航线实现自主性的飞行，航线本身的精度控制水平较高，飞行过程中的姿态相对稳定，飞行的高度在50m～4000m左右，速度在7km/h～160km/h左右，因为飞行稳定，所以可以适用于不同类型的遥感监测任务；（3）高分辨率图像获取能力。无人机航测系统的高精度数码成像设备带有面积高覆盖、垂直或倾斜进行拍摄成像的功能，飞行高度相对比较低，其可以实现大比例尺的高分辨率摄影，可以在局部信息方面表现出非常突出的影像摄像优势，尤其是在一些大比例尺的遥感项目中具备较高的应用价值；（4）成本低，安全性好。无人机航测系统的运营成本相对比较低，维护难度比较简单，飞行操作人员的培训时间比较短，不需要申请空域便可以进行航测（国家标准为1km 及以上管制），所以整体运营成本比较低。由于没有飞行员，能够解决有危险、地形复杂、不能通行等人工探测无法到达的区域的数据获取问题，如通过无人机获取困难山区、地质灾害后航空影像数据，可以避免人员伤亡的风险。

3 无人机航测系统的发展历程

应急服务保障工作中采用无人机航测系统具备较高的优势，在技术的发展历程方面，无人机航测系统主要经历了全数字摄影测量、倾斜摄影及机载激光雷达航测等三个不同阶段和应用模式，不同阶段的发展都是在技术层面上的一种跨越，应用方向也得到了更大的拓展。

3.1 无人机全数字摄影测量技术

无人机全数字摄影测量技术，是通过无人机飞行平台搭载数码相机和POS 系统，从而获取地表影像和位置信息的技术。POS系统是一种GPS和INS的组合系统，其中GPS能提供精确的三维坐标信息，INS是一种导航系统，可以测量出摄影机的位置、速度、航向以及姿态，从而获得角元素值。利用POS系统同时记录的航摄仪三维坐标和姿态参数，经过后期处理计算出每张航片的外方位元素，并加入少量的外业控制点坐标进行空中三角测量。POS辅助空三技术在现阶段数字航空摄影测量中已经得到广泛应用，与传统的空三加密方法相比，它在一定程度上简化作业步骤，并能大大减少外业控制点的数量，提高了生产效率，节约了生产成本。全数字摄影测量技术因其可以快速生产3D（DOM、DSM、DLG）产品及数字三维模型的应用最为广泛，普及程度也比较高，其成果对于自然资源行业的不同领域中都有明显的支持作用。

3.2 无人机倾斜摄影技术

无人机倾斜摄影技术颠覆了以往正摄航空摄影只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型及真正射影像，能得到符合人眼视觉的真实直观世界。由于倾斜影像为用户提供了更精确的地理信息、更丰富的影像信息，更直观真实的视觉体验，可广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。

3.3 无人机激光雷达测量技术

无人机搭载激光雷达测量系统是一种主动航空遥感装置，是实现地面三维坐标和影像数据同步、快速、高精确获取，并快速、智能化实现地物三维实时、变化、真实形态特性再现的一种国际领先的测绘高新技术，与传统航测技术相比具有成果的整体精度与精细程度更高、可全天时全天候获取数据、生产效率高能快速直接获得DSM/DEM 等成果等优势。激光雷达技术最主要的数据产品是高密度、高精度的激光点云数据，该数据直接反映点位的三维坐标。通过自动或人工交互处理，把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目标上的点云进行分类、滤波或去除，然后构建不规则二角网TIN，就可以快速提取DEM。由于激光点密度大，数目多，使得生产高精度、高分辨率的DEM 也成为可能，因此它是解决快速进行DEM 数据采集的最有效方法，其产品精度甚至可以满足多行业对高程的需求。机载激光雷达优化技术提取的地面三维坐标，满足高精度影像微分纠正的需要，结合同时搭载数码相机获取的航空影像，使得数字正摄影像图（DOM）的生产变得相当容易，在应急保障服务中能够快速地得到地面三维信息和影像信息。

4 应急响应中的无人机航测数据处理流程

在应急响应的应用中，影像数据的快速、高效处理至关重要，尤其是在灾情未知的情况下，进入灾区进行野外控制点测量既费时又存在安全隐患，因此，利用POS数据辅助空中三角测量的方式，简化作业步骤，减弱空中三角测量对地面实测控制点的依赖，直接通过POS 数据中的GPS 信息对相对定向匹配得到的自由网进行绝对定向，从而得到空三加密和正射影像等成果。

传统空中三角测量及正射影像生产的基本流程包括资料分析、影像数据预处理、自动内定向、相对定向匹配、区域网平差等步骤，之后再利用空三加密定向成果及高精度匹配编辑获取到的数字高程模型(DEM)，对航空影像进行数字微分纠正，再经镶嵌、剪切得到数字正射影像成果数据。而在应急响应中，为了快速完成空三加密得到正射影像，可利用POS数据辅助空三技术，简化作业流程，提高生产效率，关键技术如下。

4.1 简化影像预处理步骤

在全自动数字摄影测量系统中，畸变纠正和影像旋转可在自动内定向时一步完成，简化影像预处理的步骤。另外，导入POS 数据，可根据POS 数据划分航带、排列影像，减少常规空三加密中航线划分、量测航带间连接点等工作。

4.2 全自动匹配连接点

对于数字摄影测量，空三加密是通过计算机视觉，计算两张相邻影像的特征点，相邻影像的同名像点根据算子（即算法原理）可计算出相同或相近的特征值，从而可以找到该同名像点，即完成连接点的匹配，将单张片子的影像通过这些连接点构成一个整体。图像中的连接点是全自动选取的，以实现测区的最优化。

4.3 POS辅助高精度绝对定向平差

POS 辅助空三相对于常规空三的最大优势是可以减少了外业控制点的数量，甚至在无控制的情况下进行空三加密，在绝对定向时使用少量控制点坐标和POS 数据共同进行平差计算，能够有效提高区域网平差精度。POS 辅助空三在应急保障中，受灾区域无法进行像片控制点测量的情况以及自然环境条件恶劣的特殊困难地区，如高海拔山区、沙漠戈壁、高密度林区、大面积水域等尤为适用。

4.4 高效、精准的DTM匹配和处理

在全自动数字摄影测量系统中依据地形和比例尺设置适当地在X、Y步长，并选择适当的地形模型，自动计算DSM点云。采用合适的滤波参数，对点云数据进行滤波处理，过滤掉高层建筑物和植物顶端的点。利用滤波后的DEM 点云构建不规则三角网TIN。根据地形和比例尺设置DEM 单元格尺寸，通过TIN 内插生成固定尺寸的规则格网DEM。为达到更好地影像纠正效果，应对DEM做平滑滤波处理。

4.5 DOM纠正以及镶嵌裁切

利用经过平滑处理的DEM对影像进行单片正射纠正，再将单片正射影像进行镶嵌。一般来说镶嵌时软件能自动识别并绕开人工地物，但仍有部分高架桥、高层房屋等未能避免，造成影像拼接错位。检查并修改拼接线，使影像接边处过渡自然，无错位、无拉花等。

5 无人机航测系统在应急服务保障中的应用

应用航空遥感技术作为支持，地质灾害可以实现快速解析、勘查工作，这也是无人机航测系统的应用最终目标[4]。地质灾害影像中的受灾范围及灾害信息的提取可以在数字正射影像基础上借助常规遥感分类、人机交互半自动提取的方式进行。地质灾害在发生之后可以在第一时间不考虑图像的来源，而借助无控制影像拼接技术的方式获得大面积的灾害后图像，所以对于灾害情况的宏观表现功能非常明显[5]。也可进行无像控空三加密，快速匹配生成DEM、正射影像、三维景观图等测绘产品，能够迅速了解灾情并获取受灾地区详细的地面三维信息，得到受灾区域更直观的可视化效果，为救援队伍提供精确、可靠的测量数据，从而为制定出及时有效地救援计划、进行合理的人员调度提供依据，指导应急救灾，提高应急测绘保障能力。

传统航空摄影因飞行调度较高，必然会遭受地面天气与云层的影响。而无人机航测系统的应用在云层的下方，在多云、多雾的天气环境下也可以实现摄影拍摄。目前来看，无人机航测系统的应用主要在于下面几种：（1）灾害事件和灾情监测。因为天气影响比较小，所以可以在森林火灾、冰雪灾害、地震、洪涝、核电站相关险情等多方面的应用，尤其在地震灾害中，因地震的影响，导致无线电与微波通讯系统遭受干扰，此时电磁波的形成会对飞行仪表形成比较突出的影响，再加上天气环境以及地形地貌的特殊性，导致有人驾驶飞行器很难准确地获取地面的信息。想要及时获得航天遥感数据信息，就必须借助无人机航测系统进行摄像，并且借助无人机航测系统不会涉及人员伤亡的风险；（2）高时效性的资源监测任务。传统的资源监测任务主要是获得资源的位置与数量，目前资源监测已经从资源的动态化监测方面得到了明显的改变，无人机本身具备高时效性的特征，其可以第一时间获得资源的变化情况，并在后续的长期监测中持续便捷的获取变化数据；（3）数字城市建设。无人机航测系统的应用属于数字城市建设的关键性环节[6]。虽然卫星遥感与有人驾驶飞行器这一种普通航空遥感技术已经比较成熟，但是并不能达到“想要就有”的服务要求。对此，便可以借助无人机航测系统，借助低空飞行与拍摄技术方式，采用合适的相机并调整飞行参数，尽可能减少无人机拍摄时的像幅、基高比等问题，从而达到高分辨率的摄影，可以更好地满足数字城市的建设需求；（4）国土资源监测。目前国土资源监测属于无人机航测系统的重要应用途径，其主要是对土地资源、建筑资源等方面的信息变化记录，借助实时且快速地方式实现数据信息的采集。针对重点的地区与热点地区可以借助滚动式的循环监测技术方式，可以对违规违法的用地行为、滥用耕地、非法开采矿山以及生态环境破坏等多种行为做到及时性的发现并快速制止。无人机航测系统在接到任务之后可以在短时间内出发，即使是再恶劣的环境与条件都可以在30min 内便可以达到现场，监测的实时性较高，可以更好地为监察部门开展违法行为监察工作提供技术性的支持，这也是无人机航测系统所具备的突出优势之一。

6 总结

综上所述，无人机航测系统的应用可以为应急服务保障工作提供可靠的支持，可以确保整体工作效率、准确性以及成本效益等保持最佳化水平。相对于传统的摄影技术而言，无人机航测系统具备许多传统技术不具备的技术优势，其可以实现对几乎所有环境、所有地区的摄影，使用方式便捷，结果精确度较高，摄影与数据处理的效率高，可以有效应用于应急服务保障工作，整体推广价值较高。