無人機航測遙感技術在鐵路測繪中的應用

閆偉偉

（中冶地集團西北巖土工程有限公司，陜西 西安710119）

無人機航測遙感是一種新型的低空遙感監測技術，是高空衛星遙感數據、中低空普通航空遙感的有效補充。隨著國家空域主管部門對中低空無人機航空試點的放開，小型化的無人機航空攝影測量逐步在土地利用監測、礦產資源開發監測、災害應急監測、地形圖測繪、新農村建設、城市規劃等領域得到應用［1］，成為基礎空間信息數據獲取的新手段，大大提高了野外數據獲取的工作效率，實現了數據的實時性、準確性和可視性。

1 無人機航測遙感技術的特點

由于航空遙感平臺及傳感器的限制，普通的航空攝影測量手段在獲取小面積、大比例尺數據方面存在成本高、性價比差等問題。低成本、機動靈活的低空無人機遙感能在小區域內快速獲取高質量遙感影像，是國家航空遙感監測體系的重要補充，是航空遙感的未來發展方向。在當今衛星遙感和普通航空遙感蓬勃發展的形勢下，輕小型低空遙感是粗中細分辨率互補的立體監測體系中不可缺少的重要技術手段［2］。

低空無人機航測遙感系統，作為衛星遙感與普通航空攝影不可缺少的補充，有如下特點：無人機可以超低空飛行，可在云下飛行航攝，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；由于低空接近目標，因此能以比衛星遙感和普通航攝低得多的代價得到更高分辨率的影像；能實現適應地形和地物的導航與攝像控制，從而得到多角度、多建筑面的地面景物影像，用以支持構建城市三維景觀模型，而不局限于衛星遙感與普通航攝的正射影像常規產品；使用成本低、無人機體形小、耗費低，對操作員的培養周期相對較短；系統的保養和維修簡便,不用租賃起飛和停放場地，靈活機動，適應性強；回避了飛行員人身安全的風險；與野外實測相比，無人機航測具有周期短、效率高、成本低等特點。

2 航測遙感系統在鐵路測繪中的具體應用

2.1 測區概況

項目測區地理坐標為北緯 40°42′～43°58′，東經87°20′～96°12′。行政隸屬跨甘肅省酒泉市（瓜州縣、敦煌市），新疆境內跨哈密市、吐魯番市、烏魯木齊市。起點安北站至紅柳河（甘肅境內）約160km，新疆境內約1372.5km，地勢由東向西傾斜。

鐵路沿線大部分為寸草不生的戈壁、荒漠，較大站場主要有柳園站、哈密站、鄯善站、吐魯番站、烏魯木齊站。除吐魯番至達坂城段、安北至紅柳河段地形起伏較大外，其余段較為平緩。

2.2 航測遙感系統的構成

2.2.1 系統構成

低空無人機航測遙感系統由系統硬件設備、影像處理系統、信息分析系統、業務運行保障系統等組成。

（1）系統硬件設備：包括無人機飛行平臺、飛行控制系統、地面監控系統、發射與回收系統；遙感任務設備、任務設備穩定裝置、影像位置和姿態采集系統等。

（2）影像處理系統：包括影像數據快速檢查、糾正、拼接；DOM、DEM、DLG生產等。

（3）信息分析系統：包括信息提取、信息分析、報告自動生成、數據管理與檢索等。

（4）業務運行保障系統：包括野外裝備、技術標準、技術規范、與各領域業務運行相結合的軟件開發和技術流程制定。

2.2.2 系統的基本配置

系統的基本配置有：天狼星無人機系統1套、地面監控站1套、發射電臺1套、GPS基站1套、任務設備1套（以數碼相機為主）、備品備件、專用工具、包裝箱及其他配套設備。

2.2.3 天狼星無人機的部分參數設置

在本測區中，天狼星無人機的部分參數設置為：飛行余量65m，轉彎半徑50m，爬升/俯沖角度10/8，GPS類型是DGPS+RTK，最長飛行時間40min，地面采樣距離5cm，采樣距離容許差30%，航向重疊85%～75%，旁向重疊65%。

2.3 外業作業情況

（1）航攝遙感作業基本流程：技術準備、場地選擇、設備檢查、飛行操控、飛行質量檢查、資料整理、成果移交。

（2）實時RTK定位方式：無人機上的GPS信號接收機與數碼相機相連接，和地面基準站上的一臺或多臺GPS接收機同步且連續接收GPS信號，通過GPS載波相位測量差分定位后處理技術解算出相機曝光點的空間位置，同時利用慣導系統記錄相機曝光時的姿態角，隨后將兩者組成的POS數據作為附加觀測值引入攝影測量區域網平差模型，以空中控制代替地面控制；利用統一的平差模型和算法，通過整體平差的方式，解算出影像6個外方位元素和地面目標點空間位置，最后對其精度進行評價。實時RTK定位示意圖如圖1所示。

圖1 實時RTK定位示意圖

2.4 內業數據處理

2.4.1 數據整理

每個航飛架次完成之后，MAVinci Desktop自動下載飛機的高精度POS數據文件，并與相應的航飛影像進行匹配，隨后導入Photoscan軟件建立工程文件。本次飛行共18架次，利用Photoscan將18個工程合并。

2.4.2 全自動選點與相對定向

利用Phtotoscan軟件從互相重疊的兩幅影像上均勻地選取明顯特征點，然后利用其先進的匹配算法進行兩幅影像的特征點匹配［3］。

2.4.3 空三加密

利用測區中影像連接點（加密點）的像點坐標和少量的已知像點坐標及其大地坐標的地面控制點，經過平差解算，求解出連接點的大地坐標、每幅影像的外方位元素及所有加密點的地面坐標［4］。

2.4.4 DOM制作

在無需人工干預的情況下，全自動生成DSM、DEM和DOM，成果如圖2所示。整個區域正射影像色彩過渡自然、影像清晰、反差適中、層次分明、紋理信息豐富，無圖像處理痕跡。

圖2 DSM和DOM(部分截圖)

2.5 成果精度統計與分析

表1 平面和高程精度檢查表(單位：米）

精度統計顯示，在無像控情況下，直接進行相對定向和絕對定向，然后建立立體模型進行測圖，大比例尺成圖成果的平面精度優于規范要求，高程精度也滿足規范要求。

3 航測遙感系統的優勢和局限性

3.1 優勢

無人機航測遙感作為空間數據采集的一種重要手段，具有影像實時傳輸、成本低、機動靈活的特點；效率高、成圖速度快、響應速度快、精細度高、操作培訓簡便；在多云多霧、影像獲取困難、人力難以到達的高危地區探測等方面，具有明顯的可操作性優勢，已成為衛星遙感與有人機航空遙感的有力補充。

3.2 局限性

目前，低空無人機航測遙感系統多使用小型數字相機作為機載遙感設備，與傳統的航片相比，存在像幅較小、影像數量多等問題；由于飛行高度低， 在低空作業時受風速、風向影響較大，在不滿足正常起降條件的情況下勉強起降會增加飛機損壞的可能性；飛行平臺續航能力弱、地面GPS基站信號傳播半徑小，是提高飛行效率的制約因素。

4 應用展望

目前，最常用的遙感平臺是衛星和有人駕駛的飛機, 而無人機作為一種新型的遙感平臺將得到廣泛應用，并已漸漸顯露出它的重要性［5］。

遙感發展的一個總方向是高空間分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率。無人機在云層下方，受云層影響很小，在多云天氣甚至陰天也能執行航攝任務。因此，無人機遙感在提高時間分辨率、空間分辨率方面具有獨特優勢。隨著多光譜傳感器水平的提高、重量和體積下降，無人機遙感在提高光譜分辨率方面同樣具有潛力，如森林滅火指揮、防洪救災等。

低空無人機航測遙感系統的發展方向：①無人機任務載荷多樣化，可同時裝備可見光和紅外相機，或其他如激光測距等新型測量裝備；②相機可同時進行可見光和紅外等不同波長的攝影測量；③相機配備大面陣CCD，可提高無人機的工作效能；④使用內方位元素穩定、鏡頭畸變小的專業測繪相機；⑤相機具備變焦功能，當發現可疑目標時，可對其進行凝視觀察，提高巡線時對故障目標的識別能力。

近年來，機載POS設備和無人機技術發展迅速，越來越多地應用在鐵路測繪及其他測繪領域。具備高精度機載RTK設備的無人機航測用于生產大比例尺數字線畫圖、數字正射影像，精度完全可以滿足要求。隨著無人機及航空測量技術的不斷進步，無人機測量系統必將發揮更大作用。

[1]陳姣.無人機航攝系統測繪大比例尺地形圖應用研究 [D].昆明:昆明理工大學,2013．

[2]范承嘯,韓俊,熊志軍,等.無人機遙感技術現狀與應用[J].測繪科學,2009,34(5).

[3]王聰華.無人飛行器低空遙感影像數據處理方法[D].青島:山東科技大學,2006.

[4]李德仁,袁修孝,巫兆聰,等.GPS輔助全自動空中三角測量[J].遙感學報,1997,1(4):68-72．

[5]李軍,盛新蒲,夏志宇,等.無人飛行器低空攝影技術探討[J].測繪科學,2011,36(4):145-147.