無人機低空遙感技術發展及行業應用概述

陳硯國

摘要：本文主要針對無人機低空遙感技術發展現狀及行業應用進行綜合性論述。其中，無人機低空遙感的主要特點從航攝效率、影像分辨率、數據處理、主要缺點等4個方面進行論述，遙感影像處理主要流程包括影像預處理與影像重疊度計算、空中三角測量、影像生產與制作、質量檢查。行業具體應用方面，則以大比例尺地形圖測繪、國土資源監測、應急監測等方面進行論述。文章最后對無人機遙感應用進行展望并給出行業發展的一些建議。

Abstract： This paper mainly focuses on the comprehensive discussion of the status quo of UAV low-altitude remote sensing technology and industry application. Among them， the main features of UAV low-altitude remote sensing are discussed from four aspects： aerial photographing efficiency， image resolution， data processing， major shortcomings. The main processes of remote sensing image processing include the calculation of image preprocessing and image overlap， aerial triangulation， image production and production， quality inspection. Specific industry application is discussed from the large-scale topographic mapping， land resources monitoring， emergency monitoring and so on. Finally， the article forecasts the application of UAV remote sensing and gives some suggestions for the development of the industry.

關鍵詞：無人機;遙感;影像處理;大比例尺地形圖測繪

Key words： UAV;remote sensing; image processing;large-scale topographic map mapping

中圖分類號：P237 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）07-0164-02

0 引言

當前，如何快速獲取位置數據已經成為測繪地理信息行業研究的熱點。傳統的以衛星、航空器為平臺的數據獲取方法已經廣泛應用，但是在中西部受天氣影響較大的地區很難拍攝到符合要求的高分辨率影像，運用無人機為平臺的低空遙感能很好地發揮優勢。無人機作為衛星遙感不可缺少的補充手段，彌補了衛星光學遙感和普通航空攝影經常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷[1]。

無人低空遙感系統， 是一種以自動控制的無人機為平臺，以機載遙感設備為有效載荷，飛行高度一般在1000m以下，獲取規則重疊度影像，并按定精度要求制作地理信息數據的航空攝影系統。通常由飛行平臺、遙感設備、地面監控站、數據鏈路和應急裝置等部分組成，具有成本低、精度高、分辨率高、效率高等特點。其所獲得的高分辨率影像能夠達到大比例尺地形圖精度要求。

1 無人機低空遙感主要特點

1.1 航攝效率高 無人機航攝效率較高，可以通過監控平臺進行控制，進行針對性航拍，重點獲取指定區域數據，針對不合格影像可以現場重新航拍。這類設備體積小，機動靈活，通過地面遙控快速采集影像，不需要專用跑道起降，受天氣和空域管制的影響較小。此外無人機還可以抵達載人飛行器無法到達的空域或危險地區。

1.2 影像分辨率高 影像主要以RGB三波段為主，可以掛載多光譜相機[2]（R＼G＼B＼NIR）、高光譜相機和激光雷達傳感器，無人機低空遙感影像的最大優點是遙感影像空間分辨率高（厘米級）、影像清晰。工業無人機普遍采用索尼、尼康等高精度數碼相機，高達4000萬像素，可實現定距或定時拍照。所獲取影像為真彩色數字影像，成圖與實測誤差已經滿足1：500的地形圖測量規范要求。

1.3 數據處理速度快 影像數據處理速度快，現勢性強。例如某國產軟件Pips能實現對航空影像數據以及低空無人機影像數據的快速自動化處理，可完成從空中三角測量到各種比例尺的DEM、DOM、DLG等測繪產品的生產任務。特別是高性能計算機在測繪領域的應用，將數據處理速度顯著提升。

1.4 主要缺點 影像獲取主要采用非量測型數碼相機，像幅較小，數量較多，數據量較大。攝影時飛機姿態和位置任意性較大，影像航向重疊度和旁向重疊度都不夠規則。影像間的比例尺不一致、旋偏角大、影像本身的畸變差較大等。這類影像是非標準遙感影像，實質是缺乏定向參數的數字影像，這些情況下實現自動空三是現有數字攝影測量的主要挑戰。

2 影像處理主要流程

2.1 影像預處理與影像重疊度計算 影像預處理主要集中于數碼相機鏡頭非線性畸變的糾正和成像時由于飛行器姿態變化引起的圖像旋轉和投影變形的糾正。在焦距確定的情況下，鏡頭畸變屬于系統誤差，它對每幅圖像產生的影響都是相同的，可以用數學公式或模型加以模擬預測，進行統一糾正。但是由于飛行的不穩定造成的圖像旋轉和投影形變卻是每一幅都不一樣，需要逐幅進行糾正[3]。影像預處理還要注意落水、補飛、斷航線、斜飛等情況。endprint

通過相鄰影像的匹配可以獲得大量的同名點，經過同名點自動測量后，可以根據同名點坐標計算相鄰影像數據的實際重疊度。

2.2 空中三角測量 空中三角測量的主要目的是為影像糾正、數字高程模型建立和立體采集提供定向成果。空中三角測量是利用航攝像片與所攝目標之間的空間幾何關系，根據少量像片控制點，計算待求點的平面位置、高程和像片外方位元素的測量方法。

在空中三角測量時，匹配是通過坐標系的變換，應用前方后方交會的方法根據特征進行的同名點匹配，需要進行航內航間的匹配，匹配密度較小。空三匹配是為立體測圖做準備，匹配完成后，為了獲取模型連接點，還需進行提取匹配點（串點）操作。相對定向是根據有一定重疊度的影像，以第一張像片的相主點為坐標原點的坐標系為參照坐標系，確定第二張照片相對于第一張照片的位置和姿態。絕對定向是通過量取地面控制點或內業加密點對應的像點坐標，解算模型的外方位元素，確定影像坐標系和大地坐標系之間的關系。通過添加控制點及刺加四個角點的控制點后進行平差解算，預測剩余像控點的位置，從而對預測像控點精確調整，全部添加完畢后再次進行平差，即可查看控制點精度報告。

2.3 影像生產與制作 DEM即地面高程信息，是對地貌形態的數字化表達，它是用一組有序數值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。數據線劃圖數據中的等高線、高程點、道路、水系等可以導入立體模型，與采集到特征點一起構建TIN，內插得到DEM[4]。DEM可與DOM或其它專題數據疊加用于相關分析。

DEM數據對影像進行數字微分糾正和影像重采樣后可以生成數字正射影像，使用鑲嵌命令將正射影像集拼接生成DOM總圖（如圖2）。鑲嵌時應注意拼接的一致性，不應產生整體性視覺差異，在生成的DOM里，應檢查是否有漏洞、扭曲以及錯位等，若存在這些現象，可運用“局部替換”或“邊界外延”進行手動編輯調整。

2.4 質量檢查 空間參考系檢查主要檢查大地基準、高程基準是否符合相關規范要求，地圖投影是否正確使用，地圖分幅和內圖廓信息是否正確和完整。位置精度檢查涉及實際地形地物的平面和高程精度，主要包括控制點坐標、中誤差、等高距、幾何位移和接邊誤差。屬性精度檢查主要包括分類代碼和屬性正確性檢查。此外還應檢查完整性、邏輯一致性等。

3 無人機低空遙感技術的行業應用

3.1 大比例尺地形圖測繪 大比例尺測圖按方法可分為航空遙感攝影和人工野外測圖兩種。野外測圖是由作業人員到實地采用GPS、全站儀等進行控制測量、碎步測量，最后進行內業作業，該測量方式具有精度較高、人工成本較高、時間較長等特點。航空遙感攝影過程主要包括航飛-控制測量-像控-調繪-成圖等，是大范圍地形圖測繪的主要方式。但航攝空域申請手續復雜、對機場及天氣條件要求較高、數據獲取成本較高。無法滿足快速變化地區的遙感監測對數據實時性的要求，不適于中小面積的數據獲取及測繪任務。

3.2 國土資源監測 國土資源監測主要是對國土資源變化情況進行實時監測。傳統的監測方式成本較高、時間較長、響應較慢，不能實時反映國土資源現狀的變化情況。而無人機遙感可以在低空取得光學影像，與其他方式相比具有明顯優勢，其能夠應對每年開展的全國土地變更調查監測與核查項目，也能夠有效降低地籍調查成本，還能夠對發現的違法用地、非法開采等情況進行評估，為土地執法檢查提供重要依據。

3.3 應急監測 貴州省是一個地質災害嚴重多發的地區，大量的地質災害隱患嚴重威脅著城鎮、村莊、道路交通等工程設施。無人機結合工作底圖航拍作業法具有實時性強、影像分辨率高的特點，能夠在高度危險地區進行作業，使得無人機遙感可以在自然災害發生后能夠迅速反應。通過對航攝影像快速拼接和處理，可以迅速準確反映現勢狀況，對于及時制定救援策略，提高救援效率起著極其重要的作用。通過高分辨率遙感影像和原有數據疊加，可以準確定位受災區域的具體位置及邊界，在ArcGIS軟件中對房屋損毀數量、受災面積的統計，再結合調查，進行災害評估。

4 總結

無人機遙感技術是現代測繪技術的重要組成部分[5]，其具有高分辨率影像和高精度定位數據獲取能力。隨著國民經濟及社會發展對數據的要求不斷提高，無人機遙感在規劃建設、水利監測、礦產資源勘探等各個領域發揮了積極作用，成為現代測繪重要的遙感數據來源，應用前景廣闊。無人機作為新興高科技產業應加大技術投入，加快應用轉化，降低行業準入成本。在政策方面，應積極吸取國外行業管理經驗，進一步加快并明確無人低空遙感行業的法律法規、技術標準。

參考文獻：

[1]王柯.無人機低空遙感技術進展及典型行業應用綜述[J].測繪通報，2017（增刊）：79-83.

[2]王光彥.低空無人機遙感在水利工程測繪中的應用研究 [J].測繪與空間地理信息，2016（39）：113-118.

[3]王相文.無人機低空攝影測量系統在大比例尺地形圖中的應用 [J].地礦測繪，2013（29）：34-36.

[4]張惠均.無人機航測帶狀地形圖的試驗及分析[J].測繪科學，2013（38）：101-104.

[5]李德仁.無人機遙感系統的研究進展與應用前景[J].武漢大學學報，2014（5）：505-512.endprint