無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐

梁增偉

【摘要】以生產(chǎn)項(xiàng)目為例，以無(wú)人機(jī)航測(cè)的技術(shù)流程為主線索，介紹了無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)方面的發(fā)展。得到了關(guān)于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的一些結(jié)論和建議：提高無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵在于航攝技術(shù)的提高，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是大飛機(jī)航測(cè)的有益補(bǔ)充，在災(zāi)害應(yīng)急等方面無(wú)可替代的優(yōu)越性，但在航測(cè)地形圖（DLG）尤其是大比例尺地形圖生產(chǎn)方面還存在一些問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī)； 航測(cè)技術(shù)

前言

無(wú)人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱 “無(wú)人機(jī)”，它的誕生可以追溯到上個(gè)世紀(jì)初葉，但主要運(yùn)用于戰(zhàn)爭(zhēng)偵查。二戰(zhàn)結(jié)束后，隨著航空技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)家族也逐漸步入其鼎盛時(shí)期。時(shí)至今日，無(wú)人機(jī)已經(jīng)廣泛運(yùn)用。在民用方面，改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)也加快了對(duì)無(wú)人機(jī)研究與開(kāi)發(fā)的工作。與有人駕駛飛機(jī)相比，無(wú)人機(jī)有體積小、便攜帶、運(yùn)用地域廣泛、可執(zhí)行惡劣環(huán)境工作等優(yōu)點(diǎn)，這使無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)得以在災(zāi)情監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作中有了很大的發(fā)展空間。

在衛(wèi)星及大飛機(jī)遙感等航空遙感技術(shù)的不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，一項(xiàng)新的技術(shù)逐漸形成——無(wú)人機(jī)航測(cè)遙感技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于應(yīng)急測(cè)繪保障、國(guó)土資源監(jiān)測(cè)、重大工程建設(shè)等方面。這項(xiàng)技術(shù)不僅機(jī)動(dòng)靈活，響應(yīng)快速，同時(shí)成本低廉精度值高。但除此之外，現(xiàn)有技術(shù)也存在著許多弊端。例如，航向重疊度和不規(guī)則旁向重疊度、像幅不大像片數(shù)量多、影像的傾角過(guò)大且傾斜方向沒(méi)有規(guī)律、航攝區(qū)域地形起伏大、高程變化顯著，以及較大的影像比例差異和旋偏角，影像畸變現(xiàn)象較明顯。

自上世紀(jì)80年代以來(lái)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)成為世界各國(guó)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)課題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的性能也水漲船高，應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓展，這為無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)的研制提供了保障。目前，國(guó)內(nèi)測(cè)繪行業(yè)在制作DOM和DEM上廣泛應(yīng)用了無(wú)人飛行器航測(cè)遙感技術(shù)，不過(guò)這種技術(shù)并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用于大比例尺DLG，而是以小面積的實(shí)驗(yàn)取代。在當(dāng)前最先進(jìn)的航測(cè)技術(shù)上，結(jié)合生成案例，本文對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)人機(jī)航測(cè)與大飛機(jī)航測(cè)的不同、無(wú)人機(jī)航測(cè)的一些特殊問(wèn)題進(jìn)行了分析探討和解決，為我公司在無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的掌握方面積累了經(jīng)驗(yàn)。

1. 運(yùn)用無(wú)人機(jī)測(cè)量的必要性

隨著國(guó)內(nèi)國(guó)際上自然災(zāi)害的多發(fā)與頻發(fā)，尤其是重大自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，這是環(huán)境所致，也是人類(lèi)污染所致，災(zāi)害往往帶來(lái)重大的破壞和人員損失，而且造成災(zāi)害地區(qū)信息設(shè)備受到破壞，從而信息封閉，加之災(zāi)后的地區(qū)往往車(chē)輛人員不能及時(shí)到達(dá)，因此在災(zāi)害發(fā)生時(shí)及發(fā)生后，如何及時(shí)取得災(zāi)害信息及信息傳輸成為迫切的問(wèn)題。這些活動(dòng)可以用衛(wèi)星來(lái)解決，也可以用載人飛機(jī)來(lái)解決。然而用衛(wèi)星對(duì)地測(cè)量的方法，費(fèi)用高、圖像分辨率低、使用不靈活；而載人飛機(jī)不僅費(fèi)用高，出航氣候要求也很高，另外災(zāi)區(qū)上空飛行風(fēng)險(xiǎn)大，無(wú)法做到隨時(shí)到達(dá)。若使用無(wú)人機(jī)來(lái)完成災(zāi)情監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作，無(wú)論是在留空時(shí)間、使用成本、耗費(fèi)人力資源上，還是在惡劣環(huán)境作業(yè)要求、長(zhǎng)時(shí)間飛行作業(yè)要求、人員生命安全要求上，或是在圖像分辨率和工作效率上，無(wú)人機(jī)都優(yōu)于載人飛機(jī)和衛(wèi)星遙感。由于成本和氣候條件等因素的制約，傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感和載人飛機(jī)只能滿足部分空間數(shù)據(jù)信息的需求，而測(cè)繪型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它可在復(fù)雜地形、復(fù)雜天氣下飛行，可以在許多特定的領(lǐng)域如高污染、高輻射、高風(fēng)險(xiǎn)領(lǐng)域執(zhí)行飛行任務(wù)，因此，低成本、多用途的測(cè)繪型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)在災(zāi)情監(jiān)測(cè)與評(píng)估工作中具有必要性作用。例如：今年貴州省雨量較大，省內(nèi)大小洪澇災(zāi)害時(shí)有發(fā)生。而由于貴州地形復(fù)雜多變，實(shí)地考察洪澇災(zāi)情不僅十分危險(xiǎn)困難而且效率十分低下，利用載人飛機(jī)考察成本高居不下的同時(shí)還比較受到天氣的影響，無(wú)人機(jī)采用低空飛行不受天氣影響而且可以準(zhǔn)確考察災(zāi)情，即使遇到環(huán)境惡劣的區(qū)域也不會(huì)造成人員傷亡。

2. 運(yùn)用無(wú)人機(jī)測(cè)量在監(jiān)測(cè)和評(píng)估工作中的優(yōu)點(diǎn)分析

2. 1在國(guó)家重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)方面

利用無(wú)人機(jī)飛行機(jī)動(dòng)、快速、覆蓋范圍大、任何條件皆可以到達(dá)等特點(diǎn)，迅速對(duì)災(zāi)情做出監(jiān)測(cè)，將災(zāi)情速報(bào)一直是無(wú)人機(jī)自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的重要特點(diǎn)。以往我國(guó)在地震、洪澇、特大泥石流、雪災(zāi)、森林大火等災(zāi)情中都做了災(zāi)情監(jiān)測(cè)工作，但是往往因?yàn)榈乩憝h(huán)境限制，無(wú)法做到最快最準(zhǔn)確。而在近年來(lái)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，國(guó)家測(cè)繪局利用無(wú)人飛機(jī)測(cè)量技術(shù)，對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。使得民政部國(guó)家減災(zāi)中心、中科院遙感所、地理所在較快的時(shí)間內(nèi)完成了整個(gè)災(zāi)區(qū)的建筑物、公路、生態(tài)環(huán)境等幾個(gè)大的災(zāi)情勘察監(jiān)測(cè)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)了快速摸清災(zāi)情的目的。無(wú)人機(jī)影像具有數(shù)量多、相幅小的特點(diǎn)， 抗震救災(zāi)時(shí)，無(wú)人機(jī)能夠滿足其在高度和分辨率上的實(shí)時(shí)性要求。因?yàn)樗軌蚩焖倨唇佑跋瘢⑶壹m正和解譯影像。分辨率較高并且完整的影像能通過(guò)低空遙感技術(shù)得到。要實(shí)現(xiàn)快速定量評(píng)估災(zāi)害以及解譯相關(guān)影像，不僅要對(duì)災(zāi)害區(qū)域和對(duì)象的影像進(jìn)行校正和增強(qiáng)處理，同時(shí)還要綜合分析相關(guān)地理信息。

2.2在國(guó)家重大自然災(zāi)害評(píng)估方面

無(wú)人機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)就是可以在惡劣的自然條件下，利用簡(jiǎn)單條件就可以低空飛行，獲取影像數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)目前已經(jīng)具備影像獲取、影像處理、影像生成等一套完整的航空攝影測(cè)量系統(tǒng)，馬力的不斷加大，使得無(wú)人機(jī)能夠在很短時(shí)間飛到很多地方，以滿足各類(lèi)應(yīng)急測(cè)繪和精準(zhǔn)測(cè)繪的需求。無(wú)人機(jī)攝影圖和航拍繪制的地形圖，像使得國(guó)家職能部門(mén)可比其他觀測(cè)手段更直觀、更快速的進(jìn)行災(zāi)后災(zāi)害評(píng)估。

2.3在國(guó)家重大自然災(zāi)害處理決策方面

災(zāi)害發(fā)生后，災(zāi)害處理決策部門(mén)最需要的就是災(zāi)區(qū)的一手監(jiān)測(cè)、評(píng)估資料，但是往往災(zāi)區(qū)地形所限，人員無(wú)法到達(dá)災(zāi)情實(shí)地進(jìn)行勘測(cè)，而無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以為災(zāi)害處理決策部門(mén)最快速的取得詳實(shí)災(zāi)區(qū)影像資料、航片數(shù)據(jù)、災(zāi)后地形圖等一手監(jiān)測(cè)與評(píng)估資料，為災(zāi)害處理決策工作提供重要的依據(jù)。

2.4在國(guó)家減災(zāi)救災(zāi)科技支撐方面

在減災(zāi)救災(zāi)工作中最重要的便是建設(shè)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。完善災(zāi)害監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)地震、氣象、水文、地質(zhì)、森林草原火災(zāi)、等各類(lèi)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)。無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可以為災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供災(zāi)后影像圖和災(zāi)后地形圖，實(shí)現(xiàn)國(guó)家減災(zāi)救災(zāi)重大需求與社會(huì)科技資源的有機(jī)結(jié)合，從而提高災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的工作機(jī)能。

2.5在國(guó)家災(zāi)后重建工作方面

大災(zāi)后的災(zāi)區(qū)重建是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在這個(gè)過(guò)程中無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)提供的最新地形圖將繼續(xù)發(fā)揮巨大的作用。通過(guò)地形圖，國(guó)家可以對(duì)整個(gè)災(zāi)區(qū)的災(zāi)情做出的全面評(píng)估，并可以結(jié)合災(zāi)區(qū)的地形、地質(zhì)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)，對(duì)災(zāi)區(qū)重建選址和移民搬遷做出決策。

3. 案例分析-- 測(cè)區(qū)生產(chǎn)實(shí)踐與作業(yè)方法

測(cè)區(qū)隸屬于山東省煙臺(tái)市。受大陸性季風(fēng)影響，氣候四季分明，冬長(zhǎng)夏短，雨水多集中在夏季。測(cè)區(qū)內(nèi)各種等級(jí)的公路均有分布，交通方便。煙臺(tái)已經(jīng)使用無(wú)人機(jī)成功對(duì)煙臺(tái)港海陽(yáng)港區(qū)建設(shè)基地工程、東港區(qū)海上疏港路工程等在建用海項(xiàng)目進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)工作。測(cè)區(qū)海拔高程最高305m，最低150m。地貌以平、丘地為主。

3.1 項(xiàng)目的作業(yè)依據(jù)

本項(xiàng)目依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范《1：500 ：1000 ：2000地形圖航空攝影測(cè)量外業(yè)規(guī)范》GB/T 7931-2008、《1：500 ：1000 ：2000地形圖航空攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)規(guī)范》GB/T 7930-2008及《測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》GB/T 23456-2009和無(wú)人機(jī)航測(cè)指導(dǎo)性文件《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》CH/Z 3005-2010、《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范外業(yè)規(guī)范》CH/Z3004-2010和《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范內(nèi)業(yè)規(guī)范》CH/Z 3003-2010等。

3.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)源

本測(cè)區(qū)選用無(wú)人機(jī)航空攝影獲取到的一套真彩色影像，航攝面積為53平方公里。航攝儀采用Canon EOS 5DMarkⅡ，焦距為：35mm，相幅大小為：5616×3744，像元分辨率為6.41um。影像地面分辨率為0.2米。

3.2.2 遙感影像預(yù)處理

非量測(cè)性相機(jī)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)航空攝影。為了恢復(fù)影像空中姿態(tài)，在進(jìn)行空三測(cè)量時(shí)，相機(jī)像片畸變差需要矯正。此案例在收到航攝影像資料時(shí)已經(jīng)完成了此項(xiàng)工作。

3.3 無(wú)人機(jī)航測(cè)運(yùn)行作業(yè)總體過(guò)程

3.4 無(wú)人機(jī)航空攝影

本次將進(jìn)行兩次無(wú)人機(jī)航拍，相對(duì)飛行高度的數(shù)據(jù)由GPS領(lǐng)航計(jì)算。盡管在良好的飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量下，影像拍攝清晰度不高，然而，1：2000的成圖還是能夠?qū)崿F(xiàn)。一方面，照片色彩均勻，另一方面有良好的飽和度，真實(shí)地表達(dá)了地物信息。75%的航向重疊度，35%-45%的旁向重疊以及12度以內(nèi)的旋偏角才能滿足航攝飛行質(zhì)量的要求。沒(méi)有進(jìn)行像片傾角的檢查。

3.5 像片控制測(cè)量

3.5.1 像控點(diǎn)精度要求

0.2米應(yīng)作為像控點(diǎn)和最近基礎(chǔ)控制點(diǎn)平面位置間的最大允許誤差，同時(shí)也應(yīng)以此作為高程誤差標(biāo)準(zhǔn)。

3.5.2 像控點(diǎn)布點(diǎn)方案

此項(xiàng)目在我司2010年進(jìn)行的無(wú)人機(jī)航測(cè)課題試驗(yàn)基礎(chǔ)上開(kāi)展，因此布點(diǎn)方案我們也參考了試驗(yàn)結(jié)果，最終雙模型布設(shè)方案得以確定。

3.5.3 像控點(diǎn)測(cè)量

像控點(diǎn)情況應(yīng)通過(guò)對(duì)已收集像控點(diǎn)聯(lián)測(cè)檢核， 且需在像控測(cè)量前進(jìn)行。之后，聯(lián)測(cè)同時(shí)，4個(gè)控制點(diǎn)被加密用來(lái)實(shí)現(xiàn)后續(xù)測(cè)量。聯(lián)測(cè)中，GPS靜態(tài)相對(duì)定位和邊連式布網(wǎng)被采用。最終，共測(cè)得10個(gè)已知點(diǎn)，4個(gè)新設(shè)點(diǎn)。觀測(cè)時(shí)具體技術(shù)參數(shù)依據(jù)規(guī)范。通過(guò)計(jì)算，最弱點(diǎn)點(diǎn)位誤差為0.035m，最弱邊相對(duì)誤差為1/45537m，滿足像控測(cè)量要求。

本測(cè)區(qū)像控點(diǎn)采用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）的方法進(jìn)行測(cè)量。GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（RTK）測(cè)量使用5臺(tái)GPS RTK接收機(jī)進(jìn)行測(cè)量。充分利用已測(cè)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用室內(nèi)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，已知點(diǎn)上設(shè)置參考站的測(cè)量方法。為了保證精度，流動(dòng)站不超過(guò)5公里，坐標(biāo)精度在3㎝以內(nèi)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量三次取平均值為測(cè)量成果。

3.6 空中三角測(cè)量

在本項(xiàng)目中，SSK工作站對(duì)進(jìn)行空三加密。其中，空三區(qū)域被分為兩個(gè)加密部分，而加密方式為自動(dòng)手動(dòng)相結(jié)合。即自動(dòng)匹配，測(cè)量和剔除，然后根據(jù)要求進(jìn)行人工調(diào)整，保證在2/3個(gè)像素以內(nèi)。加入外業(yè)像控點(diǎn)對(duì)本區(qū)大地定向，進(jìn)行計(jì)算、檢查，得出0.3米平面中誤差和0.17米的高程中誤差。根據(jù)規(guī)范GB/T 23236-2009，1：2000的要求達(dá)到。

3.7 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)上述測(cè)量結(jié)果，我們進(jìn)行單模型定向。然而，在此過(guò)程中，某些模型無(wú)法定向。第一架次和第二架次中，分別有29個(gè)和67個(gè)模型無(wú)法建立，占總比數(shù)分別為4%和9%， 同時(shí)測(cè)圖定向點(diǎn)數(shù)量超出限制。原因應(yīng)歸于無(wú)人機(jī)的航拍質(zhì)量。其中，飛行傾角，過(guò)大的旋偏角，彎曲的航線以及比例不一的像片都包括在內(nèi)，這些因素往往會(huì)造成精度值低。鑒于此，我們認(rèn)為應(yīng)采取如下措施：在測(cè)圖定向超限點(diǎn)的周?chē)M(jìn)行野外實(shí)測(cè)用來(lái)檢核分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行必要的修正。但是，這在一定程度上增加了生產(chǎn)成本。

3.8 項(xiàng)目精度報(bào)告

根據(jù)1：2000精度要求對(duì)測(cè)繪產(chǎn)品檢進(jìn)行了高程精度的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)了6幅DLG圖，其中誤差最大為0.36米，最小為0.27米，可以看出符合規(guī)范要求，但是從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果看，粗差率比較高，有的達(dá)到了5%。平面精度一般可以達(dá)到，因此沒(méi)有做平面精度檢測(cè)。

4. 結(jié)論及建議

（1）無(wú)人飛行器測(cè)繪技術(shù)是集成了低空航空攝影技術(shù)、傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)的一門(mén)航空攝影測(cè)量技術(shù)。我們認(rèn)為提高低空航空攝影技術(shù)是無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵所在；當(dāng)然使用適當(dāng)?shù)臒o(wú)人機(jī)航攝影像的處理技術(shù)可以在一定程度上消除無(wú)人機(jī)航空影像不規(guī)則帶來(lái)的影響。

（2）無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于地形圖的生產(chǎn)存在不確定性，比如，區(qū)域網(wǎng)整體加密精度評(píng)定良好，單模型中誤差也可能良好，但單模型定向精度就存在超限情況，也就是個(gè)別點(diǎn)的超限情況，在測(cè)圖過(guò)程中表現(xiàn)為測(cè)圖定向點(diǎn)和立體模型套合差大、接邊誤差大等。可以通過(guò)外業(yè)實(shí)測(cè)來(lái)驗(yàn)證精度。

（3）建議在利用無(wú)人機(jī)航測(cè)這種新技術(shù)進(jìn)行航空攝影測(cè)量時(shí)，采用試驗(yàn)區(qū)的作業(yè)方法，即在確定布點(diǎn)方案前選取一定面積的試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行布點(diǎn)方案試驗(yàn)；

（4）建議利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行地形圖生產(chǎn)，盡可能在載人機(jī)不便或無(wú)法完成的情況下，由無(wú)人機(jī)來(lái)完成。如多塊小面積、危險(xiǎn)場(chǎng)所、遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)或沒(méi)有可供其起降場(chǎng)地的區(qū)域。總之，目前無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)該體現(xiàn)在載人飛機(jī)航測(cè)技術(shù)的補(bǔ)充方面。

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