固定翼無人機低空遙感系統在山地區域的應用研究

王莉，胡開全

(重慶市勘測院，重慶 400020)

固定翼無人機低空遙感系統在山地區域的應用研究

王莉，胡開全

(重慶市勘測院，重慶 400020)

闡述了固定翼無人機低空遙感系統在山地區域的應用。研究無人機在山地區域的適宜機型、影像獲取、慣導輔助空三和3D產品制作，以及應用示范等。并根據實際應用需要，提出固定翼無人機低空遙感系統的改進建議。

固定翼無人機；低空遙感；山地區域；像素工廠；慣導

1 前 言

重慶具有山高林密、地形起伏大、水網密布等地形特征，多云多霧，地形與氣象條件在我國具有特殊性，應用常規航空攝影和衛星遙感難以快速獲取高分辨率遙感影像。無人飛行器低空遙感系統的出現，為解決重慶地區高分辨率遙感影像的快速獲取提供了新的思路和方法。

無人機低空遙感系統具有體積小、重量輕、探測精度高，受天氣影響較小，機動快速、成本低的優勢，能快速獲取高分辨率遙感影像。具有對地快速實時調查監測能力，是衛星遙感與載人飛行航空遙感的重要補充，已成為國內外應用與研究的熱點之一。

本文針對重慶地區特殊的地理條件和氣候因素，以固定翼無人機遙感系統用于高分辨率影像獲取，基于像素工廠進行影像處理，并進行產品制作及應用研究。

2 無人機的選擇

山地區域山高谷深，溝壑縱橫，地形起伏大。無人駕駛直升機雖然能夠定點起飛、降落，對起降場地的要求不高，但是其結構相對來說比較復雜，操控難度大，其平穩、勻速性不能滿足測繪的精度要求，因此實際應用比較少。而滑跑起降的固定翼無人機，很難在山地區域找到平直、寬闊的公路用于起降。即使偶爾找到，也需要交通部門配合，中斷交通，將影響正常的交通秩序。具有彈射起飛和傘降功能的固定翼無人機，其起飛和降落，只需要一塊比較空曠平整的場地即可，是山地區域測繪應用的首選。

3 影像獲取

由于固定翼無人機系統使用的是氣壓高度計，雖然在導航中也有GPS高度，但是控制系統是根據氣壓高度計來調節無人機飛行高度。氣壓高度計利用空氣壓力隨高度的增加而減小的變化規律，通過測定壓力來確定相對應的高度，其靈敏度欠佳。而山地區域地形起伏較大，空氣壓力變化也較大，因此從安全考慮，航線設計時應保留充裕的空間。

山地區域地形起伏高差較大，很多時候需要分攝區，而固定翼無人機最容易發生安全事故是在起飛和降落的時候。因此，宜用空中改變航高的方法進行航攝，以減少無人機起降的風險。同時，如果場地周圍有高大的山地，可能會影響地面監控站與無人機的直接通信，無法實現實時監控，此時最好在山地最高處架設第二監控站，或者派人員在山地最高處觀察無人機飛行姿態，并做好應急準備。

無人機每次飛行前，必須仔細檢查系統設備的狀態是否正常。在航攝過程中由飛行師、監控師、地勤師、機務師共同配合，完成無人機的檢查、起飛、攝影和傘降回收等工作。

4 影像處理

無人機低空遙感系統由于自身重量、操控特性、風力的影響，其穩定性遠遠無法同載人航空攝影及衛星遙感平臺相比，其航攝的像片傾角、旋角，以及航線彎曲度比較大。同時，由于無人機低空遙感系統因載荷較小的原因，多采用體積小、重量輕的非量測數碼相機，因此像幅小，相對于航空攝影像片數量多。如果采用傳統航測空三加密作業，需要的像控點數較多。而且重慶山地區域山高林密，對于像控點測量工作難度較大，效率低下。由于無人機基本上都裝備有GPS、IMU系統，雖然精度較低，但是可以選擇適宜的慣導輔助空中三角測量軟件，充分利用、優化其慣導數據，以有效減少地面像控點數量，縮短成圖周期，提高生產效率。通過對當前主流空中三角測量軟件測試對比，在利用無人機影像的GPS、IMU數據方面，像素工廠(PixelFactory)相對而言效果比較好。

像素工廠內建的框幅相機傳感器模型在傳統6個內外方位元素模型基礎上，針對當前市場航拍相機越來越多的使用非量測相機，配備IMU、GPS系統等特點，一方面將相機內部多種畸變差進行建模，另一方面，將整個IMU_GPS系統納入傳感器模型內，同時還考慮了相機與平臺的對應幾何位置關系等，將整個航拍系統的模型作為平差項，同時根據各個誤差項的各自物理意義進行分組綁定，在此控制以及約束下，滿足以最少的同名點和稀少控制點進行平差達到成圖需要的精度要求。而且包含具有強大計算能力的若干個計算節點，數據處理能力強。

以重慶市巴南區木洞片區采用傘降型固定翼無人機實施航攝項目(如圖1所示)為例，測區范圍約10 km2(黑色線)，山地地形，按1∶2000比例尺制作3D產品。航攝有效面積27 km2，共13條航線，554張相片(灰色點為片號)，地面分辨率0.12 m。外業實測像控點56個(P點)，加密使用分布四角的4個控制點(紅色點)。

圖1 測區范圍、控制點及像主點示意圖

采用像素工廠系統，利用IMU_GP數據輔助建立影像間的相互關系，對影像進行匹配得到連接點，利用特征點優化外方位元素，之后再反復匹配提取特征點和優化外方位元素，直至所有特征點有一個均勻、牢固且精度好的匹配結果。然后引入地面控制點，聯合慣導數據進行平差解算，輸出畸變糾正后的影像和外方位元素及連接點的像方、物方坐標。加密成果精度統計見表1所示(除去已使用的4個基本定向點外，在其余的51個P點中隨機、均勻的抽取11個點作為檢查點)。

加密成果精度統計表(單位：m)表1

5 產品制作

(1)數字高程模型制作

像素工廠利用影像及其外方位元素建立立體像對，重采樣獲取核線影像后，按照像素級匹配生成各像對的子DSM，再對所有子DSM進行鑲嵌獲取整個測區的DSM。通過濾波和結合人工修改等方法編輯DSM，獲取真實地形的高程模型。

此外，也可采用導出的空三成果建立立體模型，采集三維特征點線面的矢量數據，構TIN內插獲取數字高程模型。

(2)數字正射影像圖制作

像素工廠利用具有外方位元素的影像資料和DTM，先糾正出單張的“瓦片”DOM，然后自動生成鑲嵌線進行鑲嵌，同時對所有單片正射影像作全局的勻光勻色。像素工廠自動生成的鑲嵌線能有效避開密集房屋區，智能程度較高，編輯鑲嵌線時能實時顯示修改結果，可有效提高生產效率。

如果有大重疊度(旁向和航向重疊度均大于80%)影像，像素工廠利用具有外方位元素的影像資料和DSM，參考地物高程、入射角度等因素，自動選擇入射角垂直的影像進行采樣，生成真正射影像。

(3)數字線劃圖制作

像素工廠不具有立體模型采集功能，因此只能利用其空三加密結果，采用第三方軟件建立立體模型進行數字線劃圖采集與編輯。由于無人機影像像幅小，需要頻繁切換立體模型，因此，選擇可自動切換模型的MapMatrix全數字攝影測量軟件進行立體測圖，可在一定程度上提高生產效率。

6 精度檢核

外業隨機實測平面位置58個點，包括房角、壩角、魚塘角、圍墻角、陡坎交叉點等明顯地物。內業將外業實測點位展繪，再在立體模型上找到外業點位表示的地物進行采集，然后與外業實測數據進行比對。平面精度統計如表2所示。

隨機實測高程點58個點。內業將外業實測點位展繪，再在立體模型上同樣平面位置采集高程數據，然后與外業實測數據進行比對。高程精度統計如表2所示。

外業實測精度統計表(單位：m)表2

7 應用示范

(1)3D產品制作

應用固定翼低空無人機遙感系統獲取重慶市墊江縣、豐都縣、潼南縣、永川區、涪陵區、巴南區、開縣等區域約2 000 km2的高分辨率低空航攝影像，并利用航攝成果制作1∶2 000數字線劃地形圖、數字正射影像圖、數字高程模型等產品。

(2)搶險救災

應用固定翼低空無人機遙感系統，對重慶市城口縣廟壩鎮堰塞湖滑坡體進行了低空高分辨率航攝，通過影像快速拼接，展現堰塞湖滑坡災害現狀，為搶險提供及時、準確的基礎地理信息。

(3)地質災害監測與防治

應用固定翼低空無人機遙感系統，對三峽庫區的重點地質災害點進行低空航攝，通過對不同時期的影像數據進行變換檢測，并計算其滑動量和滑坡體，為地質災害點監測與防治提供實時監測資料。

(4)地理國情監測

應用固定翼低空無人機遙感系統定期對重點區域進行無人機航攝，利用獲取的多期影像資料對擬監測方面(如交通、房屋、植被等)進行變化統計分析，為領導管理和決策提供科學依據。

(5)工程建設項目管理

在重慶市悅來國際會展中心超大型工程項目的建設過程中，應用固定翼低空無人機遙感系統獲取工程項目的不同時期建設場景，結合工程進度控制系統，實現超大型工程項目的建設管理。

(6)與三維仿真技術結合

應用固定翼低空無人機遙感系統獲取高分辨率影像，結合三維仿真技術，進行三維建模，直觀的展現開發區地物地貌；同時還可以利用地形三維進行輔助選址、場平設計與土石方量計算，為城市規劃管理、招商引資等提供服務。

8 結論及建議

在重慶這種地理、氣候均具有特殊性的區域，常規航空攝影和衛星遙感均難以實施。而固定翼無人機低空遙感系統具有機動、靈活、低成本等特點，將是獲取地理信息數據的一種有效方式。

雖然固定翼無人機低空遙感系統已得到廣泛應用，但是還有待改進和改善。如進一步提高已裝配的IMU_GPS精度，以更充分發揮其輔助空中三角測量的作用和成圖精度；研發并裝配高精度、高穩定度、輕小型的三軸慣性穩定平臺，以提高成像質量；研發并裝配輕型、大幅面的量測型數碼相機，以增大像幅；進一步提高無人機的操控性、機體的抗摔性和高度測量的敏感性，以提高安全性能；以及在數據處理過程中，選擇適宜的軟件以有效提高生產效率等。

[1] 胡開全，張俊前.固定翼無人機低空遙感系統在山地區域影像獲取研究[J].北京測繪，2011(3)：35-37.

[2] 將云志.低空小像幅航空攝影測量及其推廣運用[J].測繪技術，1993(1)：21-24.

[3] 夔中羽，錢育華，呂振洲.遙控飛機在航空遙感實踐中的應用及評價[J].影像材料，2001(5)：25-27.

[4] 徐柳華.無人飛行器影像處理研究及其實現[D].長沙：中南大學，2009

[5] 周潔萍，龔建華，王濤等.汶川地震災區無人機遙感影像獲取與可視化管理系統研究[J].遙感學報，2008，12 (6)：877-884.

[6] 孫杰，林宗堅，崔紅霞.[J].遙感信息，2003(01)：49-50.

[7] 何敬，李永樹，徐京華等.無人機影像制作大比例尺地形圖實驗分析[J].測繪通報，2009(8)：24-27.

[8] 劉慶元，徐柳華，沈彩蓮等.基于無人飛行器遙感影像的數字攝影測量關鍵技術研究[J].測繪科學，2010，35 (1)：28-30.

武漢市地理市情監測啟動暨2012年測繪地理信息成果發布會隆重召開

(本刊訊)2012年12月27日，武漢市地理市情監測啟動暨2012年測繪地理信息成果發布會在武漢市政府禮堂101會議室隆重召開。會議由武漢市政府王繼連副秘書長主持，胡立山副市長出席并講話。武漢大學李斐副校長，武漢市政協副主席、武漢市國土規劃局張文彤局長，湖北省測繪局柯美忠副局長出席了此次會議。武漢市政府有關部門和各區政府領導參加了會議。

會上，武漢市國土規劃局總工汪普查宣讀了武漢市政府辦公廳轉發的《武漢市地理市情監測工作方案》(以下簡稱工作方案)。工作方案明確了武漢市開展地理市情監測工作的指導思想與總體目標、組織模式和工作內容以及工作安排和具體要求。隨后，胡立山、李斐、張文彤、柯美忠等領導同志共同為武漢大學與武漢市測繪研究院“地理國情監測聯合研究中心”揭牌。市國土規劃局張文彤局長和省測繪局柯美忠副局長分別在講話中闡明了從國家到地方的各級政府對地理國(市)情監測工作重視程度以及基礎測繪和地理國(市)情監測的重要關系。胡立山副市長最后發表講話。他強調了開展地理市情工作的重要性和必要性，提出了“以實施基礎測繪規劃為重點，夯實地理市情監測工作基礎；以創新市情監測手段為抓手，提升測繪地理信息保障能力；以實現資源共建共享為保障，健全地理市情監測工作機制”的要求。同時指出，武漢市政府各部門應強化責任意識，落實責任分工，按照工作方案的部署，本著“建設同參與，成果共分享”的原則，建立順暢高效的工作機制，確保各項工作落到實處。

最后，與會領導們向參會代表贈送了《2012武漢市地理信息藍皮書》，發布了年度測繪地理信息成果。此次會議也標志著武漢市地理市情監測工作正式啟動。

(武漢市測繪研究院 張夏陽供稿)

Research on app lications of fixed-w ing UAV low altitude remote sensing system in mountain regions

Wang Li，Hu Kaiquan
(Chongqing Survey Institute，400020)

This paper principally elaborated on the application of fixed-wing UAV low altitude remote sensing system in mountain regions.We have done research on the following aspects:appropriate UAV type selection when used inmountain region，image capturing，inertial aided aerotriangulation，3D products Manufacturing and application demonstration，etc.Besides，in accordance with the needs of practical application，we make recommendations for improvement of fixedwing UAV low altitude remote sensing system.

fixed-wing UAV；low altitude remote sensing；mountain region；pixel factory；inertial aided

1 6 7 2-8 2 6 2(2 0 1 3)01-5-04

P 2 3 1 文獻標識碼：A

2012—09—01

王莉(1976—)，女，高級工程師，主要從事信息工程建設及質量管理

國家科技支撐計劃子課題：(2011BAH12B07-03)