無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)在高清地圖領(lǐng)域的應(yīng)用研究

劉永學(xué)

（江蘇省交通技師學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212000）

1 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.1 易于獲取優(yōu)于高分辨率衛(wèi)星影像的圖像

采用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)就可以進(jìn)行影像數(shù)據(jù)的獲取，而且在影像數(shù)據(jù)或許環(huán)節(jié)中不需要專業(yè)的人員，通過簡(jiǎn)單的操作就能完成所有影像的獲取。無(wú)人機(jī)遙感可獲取到超高分辨率數(shù)字影像和定位數(shù)據(jù)，可針對(duì)特殊監(jiān)測(cè)目標(biāo)搭載全色波段、單波段、多波段等傳感器，也可以進(jìn)行多角度攝影。

1.2 人力和硬件成本低

無(wú)人機(jī)飛行成本低，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的成本非常低，整套設(shè)備就在10萬(wàn)至100萬(wàn)元左右。

1.3 靈活性高，安全性能好

無(wú)人機(jī)靈活性高，對(duì)起降地點(diǎn)沒有苛刻要求。無(wú)人機(jī)起飛和降落不需要專門的飛機(jī)跑道，可以在不同的環(huán)境下起飛，簡(jiǎn)化了操作流程，并且可以在山地丘陵和城市地區(qū)完成飛行航拍工作，其飛行高度不需要得到空管部門的獲批，可以在任何時(shí)間地點(diǎn)完成影像資料的獲取。

1.4 受氣候條件影響小

無(wú)人機(jī)受外界環(huán)境影響小，只要不是在惡劣的雨雪天氣和大風(fēng)天氣，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)都可以使用，可隨時(shí)進(jìn)行二次測(cè)量。

2 無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)的系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要包括飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)組成

2.1 飛行控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)完全依賴于控制系統(tǒng)。要獲得有效的遙感信息，就必須要求控制系統(tǒng)擁有高性能。為了滿足無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)不斷復(fù)雜的要求，簡(jiǎn)單的線性控制已不能滿足當(dāng)前的應(yīng)用環(huán)境。一些基于非線性控制方法的控制系統(tǒng)逐漸成為相對(duì)較好的替代方法，它可以基本上解決經(jīng)典控制方法在多變量輸入輸出條件下的問題。研究表明，這些非線性控制方法解決了一定的問題，但也會(huì)有其他的不足。于是，一些專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法出現(xiàn)了，進(jìn)一步改進(jìn)了非線性控制方法。深度學(xué)習(xí)等人工智能算法的發(fā)展，為飛行控制提供了更有效的手段。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

各種類型的傳感系統(tǒng)已經(jīng)與無(wú)人機(jī)集成，以執(zhí)行不同類型的任務(wù)。最常用的傳感器包括高清相機(jī)、光探測(cè)和測(cè)距（LIDAR）、紅外相機(jī)和其他成像/測(cè)距系統(tǒng)。在本文中，我們將重點(diǎn)研究基于無(wú)人機(jī)的攝影測(cè)量系統(tǒng)和激光雷達(dá)系統(tǒng)。

基于無(wú)人機(jī)的攝影測(cè)量系統(tǒng)主要基于小型機(jī)載相機(jī)收集的圖像。它通常需要有測(cè)量位置的地面控制點(diǎn)(GCPs)，并可以借助已記錄的攝像機(jī)位置和方向。可以通過直接或間接的地理參照來估計(jì)目標(biāo)區(qū)域的3D點(diǎn)云。最常用的無(wú)人機(jī)地理定位解決方案之一是運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SFM)。

可以將同一區(qū)域上的多個(gè)2D圖像進(jìn)行組合，并在它們之間匹配點(diǎn)特征，這些圖像預(yù)計(jì)會(huì)有很大的重疊區(qū)域(～80%)。然后在相機(jī)幀中估計(jì)這些點(diǎn)的3D位置，用于形成3D模型或點(diǎn)云。然而，當(dāng)使用小型商用無(wú)人機(jī)時(shí)，在世界坐標(biāo)系(例如GPS坐標(biāo)系)中，相機(jī)姿態(tài)(位置和方向)并不總是已知的。因此，用小型無(wú)人機(jī)用SFM創(chuàng)建的三維模型通常是無(wú)量綱的，不能直接作為地理參考。它需要更多的地面控制點(diǎn)來與世界坐標(biāo)聯(lián)系起來。該模型的絕對(duì)精度取決于圖像處理質(zhì)量和地面控制點(diǎn)。

一些定制和商業(yè)現(xiàn)貨無(wú)人機(jī)能夠記錄飛行期間拍攝的每張圖像的相機(jī)位置和/或方向。在這種情況下，基于攝像頭的直接地理參考是可能的。它可以通過從單張圖像到已知表面的光線追蹤來實(shí)現(xiàn)。由于這種方法不需要地面控制，3D建模的精度主要由相機(jī)定時(shí)、方向和位置的精度決定。然而，不能攜帶高質(zhì)量導(dǎo)航傳感器的小型無(wú)人機(jī)不能用于直接地理定位。因此，直接地理定位尚未普遍用于低成本小型無(wú)人機(jī)。

SFM不需要先驗(yàn)的相機(jī)位置和朝向，也不需要完整的相機(jī)標(biāo)定模型。事實(shí)上，它們也可以作為SFM結(jié)果的一部分進(jìn)行估計(jì)。然而，如果有這些項(xiàng)目的先驗(yàn)估計(jì)，可以將其納入SFM軟件，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量。SFM的核心算法通常基于束平差，即使用多幅圖像進(jìn)行三角剖分的過程。三角定位是SFM和直接地理定位系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。雖然有幾個(gè)專門的三角剖分軟件解決方案，但它通常是當(dāng)今SFM商業(yè)軟件解決方案的一部分。

在一些更大尺寸的無(wú)人機(jī)上，照相機(jī)系統(tǒng)可以與直接測(cè)距傳感器結(jié)合，例如無(wú)人機(jī)LIDAR系統(tǒng)。LIDAR根據(jù)激光束的返回來感知到3D世界中一點(diǎn)的距離。由于光束將以LIDAR機(jī)身框架中指定的已知方向發(fā)送，因此可以直接在LIDAR機(jī)身框架中測(cè)量這一點(diǎn)的位置。激光雷達(dá)對(duì)自然光條件不太敏感，可能在禁止相機(jī)操作的操作條件下(如弱光)提供測(cè)量。機(jī)載LIDAR直接在傳感器坐標(biāo)中測(cè)量點(diǎn)云，而不是在世界坐標(biāo)中。通過了解LIDAR的精確位置和方向，將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系。目前可用的機(jī)載LIDAR傳感器仍然比一般相機(jī)更昂貴、更耗電、更重。機(jī)載或無(wú)人機(jī)LIDAR系統(tǒng)通常包括三種類型的傳感器：測(cè)距傳感器(2D掃描LIDAR、3D掃描LIDAR或3D成像儀)；定位傳感器，如全球定位系統(tǒng)(GPS)或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)；以及測(cè)量加速度和旋轉(zhuǎn)的慣性傳感器。這三個(gè)傳感器被集成到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和3D建模過程中，GNSS和慣性傳感器通常耦合在一起，以提供LIDAR的精確和平滑的姿態(tài)(位置和方向)和速度。GPS/GNSS同時(shí)負(fù)責(zé)其他傳感器的精確時(shí)間標(biāo)記和同步是一種很好的做法。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

受無(wú)人機(jī)載荷的限制，應(yīng)盡可能減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備等設(shè)備。由于遙感信息中的數(shù)據(jù)量較大，需要有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度和抗干擾性能，以保證數(shù)據(jù)的完整性。也就是說，無(wú)人機(jī)遙感必須選擇多條高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，才能實(shí)時(shí)、不間斷地傳輸數(shù)據(jù)，還要考慮數(shù)據(jù)的預(yù)處理和存儲(chǔ)，確保數(shù)據(jù)有效、完整。

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

目前，無(wú)人機(jī)的遙感圖像處理主要是在獲取圖像后的地面系統(tǒng)中進(jìn)行。由于無(wú)人機(jī)攜帶傳感器的范圍較廣，不同傳感器獲取的數(shù)據(jù)也不盡相同，目的也不盡相同。雖然單條圖像信息獲取有用數(shù)據(jù)，但圖像信息中的數(shù)據(jù)量大，相關(guān)性差。要解決這個(gè)問題，目前有研究探索將單個(gè)視覺傳感器與無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制傳感器結(jié)合，獲取包含無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)姿態(tài)信息的圖像數(shù)據(jù)，這樣可以降低進(jìn)一步處理圖像的難度。

3 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)用在高清地圖領(lǐng)域中的主要操作流程

無(wú)人機(jī)遙感通常空域申請(qǐng)便利，升空準(zhǔn)備時(shí)間短，受氣象、起降場(chǎng)地限制較小，對(duì)區(qū)域地質(zhì)條件要求較低，其操作流程如圖2所示。規(guī)劃科學(xué)合理的工作流程，是確保無(wú)人機(jī)低空遙感調(diào)查任務(wù)成功的重要條件。

圖2 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)操作流程

3.1 任務(wù)分析

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在接收到相關(guān)任務(wù)以后，需要先分析任務(wù)的實(shí)際情況，在核實(shí)好任務(wù)與目標(biāo)以后，就要借助飛行平臺(tái)和遙感設(shè)備，核實(shí)相關(guān)工作的具體時(shí)間。對(duì)地面資料進(jìn)行收集，結(jié)合野外勘探的方式，整合所有的數(shù)據(jù)。根據(jù)獲取的任務(wù)要求進(jìn)行分析，圈定調(diào)查區(qū)域，了解任務(wù)區(qū)域的基本地理信息、天氣及航空管制情況，制定無(wú)人機(jī)飛行方案，確定無(wú)人機(jī)的起降點(diǎn)、航線、飛行高度和飛行架次等。

3.2 選擇起飛場(chǎng)地

到達(dá)飛行區(qū)域后，開展飛行準(zhǔn)備工作，為無(wú)人機(jī)的順利起降及安全作業(yè)提供必要保障。在調(diào)查區(qū)域確定以后，選擇合適的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，在開辟的平地或者公路上進(jìn)行無(wú)人機(jī)的起飛，保障設(shè)備和人員出于安全的情況下進(jìn)行飛行工作，確保無(wú)人機(jī)順利的起飛與降落。針對(duì)飛行存在一定的不可預(yù)見性和安全隱患，在無(wú)人機(jī)試飛作業(yè)開展環(huán)節(jié)中，應(yīng)該合理地選擇起飛和降落場(chǎng)地，對(duì)起飛和降落場(chǎng)地進(jìn)行勘察工作。無(wú)人機(jī)起飛和降落場(chǎng)地的要求不高，但是要著重考慮安全問題，有效地防止各類意外事故的發(fā)生。

3.3 檢查機(jī)載飛行控制系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)飛行環(huán)節(jié)中，遙感設(shè)備裝置在其中，每個(gè)起飛和落地環(huán)節(jié)中都應(yīng)該對(duì)無(wú)人機(jī)的各個(gè)部件進(jìn)行緊密的檢查和排查工作，確保機(jī)在儀器設(shè)備處于正常運(yùn)行的情況，才能提升無(wú)人機(jī)遙感作業(yè)的成功率。

3.4 設(shè)計(jì)飛行方案

合理的起飛方案可以有效地減少無(wú)人機(jī)起飛的次數(shù)和時(shí)間，在對(duì)區(qū)域的位置和信息了解的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合飛行效率；在目標(biāo)區(qū)域全面覆蓋的基礎(chǔ)上，有效地減少航路，從而全面地進(jìn)行影像資料的獲取。航跡規(guī)劃軟件設(shè)計(jì)應(yīng)覆蓋整個(gè)研究區(qū)域的飛行軌跡，在航跡設(shè)計(jì)階段之前，操作員獲取了研究區(qū)域的估計(jì)坐標(biāo)。在設(shè)計(jì)飛行路線之前，有一些工作參數(shù)需要明確。這些參數(shù)是建議的飛行高度、覆蓋研究區(qū)域、飛行任務(wù)期間將使用的相機(jī)焦距、所需的比例尺等。在飛行任務(wù)中，這些參數(shù)會(huì)影響圖像采集結(jié)果。在獲取某一高度的圖像之前，需要考慮圖像的像素大小，以便使用固定焦距來確定一幅圖像的大小。

航跡規(guī)劃軟件要求用戶輸入路徑點(diǎn)坐標(biāo)，飛行設(shè)計(jì)是根據(jù)飛行任務(wù)中需要覆蓋的飛行高度和覆蓋區(qū)域進(jìn)行的。隨后，導(dǎo)航文件通過無(wú)線調(diào)制解調(diào)器發(fā)送到飛行控制板。航跡規(guī)劃軟件可以監(jiān)控?zé)o人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)的狀態(tài)、無(wú)人機(jī)高度、無(wú)人機(jī)姿態(tài)、電池狀態(tài)和無(wú)人機(jī)速度。在飛行任務(wù)中，無(wú)線調(diào)制解調(diào)器作為無(wú)人機(jī)與地面站監(jiān)控器之間通信的橋梁。操作員可以從地面站計(jì)算機(jī)監(jiān)視無(wú)人機(jī)活動(dòng)，并為任何情況做好準(zhǔn)備。發(fā)射和著陸操作由操作員手動(dòng)控制，以防止無(wú)人機(jī)上的任何損壞，特別是在著陸操作期間。

3.5 數(shù)據(jù)處理

利用航空?qǐng)D像處理的軟件（如Photomod攝影測(cè)量軟件）對(duì)無(wú)人機(jī)原始圖像進(jìn)行處理。所有獲取的圖像都需要經(jīng)過所有的攝影測(cè)量操作，如內(nèi)部定位、外部定位、空中三角測(cè)量和束調(diào)整。內(nèi)部定位需要相機(jī)參數(shù)，而這些參數(shù)是從相機(jī)標(biāo)定結(jié)果中獲得的。這些參數(shù)是焦距、x和y的主距離、鏡頭徑向畸變、鏡頭切向畸變和親和度。像素大小是內(nèi)部方位的重要輸入之一。這是因?yàn)橄袼卮笮】梢詻Q定圖像在地面上的地面覆蓋面積。外部朝向涉及圖像之間連接點(diǎn)和地面控制點(diǎn)的建立。結(jié)合點(diǎn)可以手動(dòng)生成，也可以自動(dòng)生成。手動(dòng)編輯需要用戶集中注意力，以便在兩張圖像之間或在一個(gè)模型中定位點(diǎn)。用戶還可以使用自動(dòng)聯(lián)系點(diǎn)生成，在模型中建立聯(lián)系點(diǎn)。自動(dòng)聯(lián)系點(diǎn)生成使用圖像匹配相關(guān)算法來識(shí)別兩張圖像中相同的特征。但是，用戶需要在運(yùn)行自動(dòng)聯(lián)系點(diǎn)操作后，選擇好的聯(lián)系點(diǎn)，去除不好的聯(lián)系點(diǎn)。這一步需要控制最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。捆綁點(diǎn)負(fù)責(zé)定向，將所有圖像捆綁在條帶中，并將所有圖像安排得與飛行任務(wù)中相似。利用地面控制點(diǎn)將圖像投影到局部坐標(biāo)中，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全球定位系統(tǒng)(RTK-GPS)建立地面控制點(diǎn)。對(duì)外定位后進(jìn)行空中三角測(cè)量，利用均方根方程分析空中三角測(cè)量的精度。攝影測(cè)量過程后產(chǎn)生的產(chǎn)品主要有兩種：數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像圖。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著各種技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)的功能越來越強(qiáng)大，本文針對(duì)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的子系統(tǒng)進(jìn)行了分析。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)成為高清地圖繪制應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，可以提升地圖繪制的精確性和效率。隨著人工智能的不斷成熟，人工智能在無(wú)人機(jī)飛行控制和數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用將產(chǎn)生重大成果，進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的效率和精度。因此在地圖繪制中，應(yīng)該充分結(jié)合無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，在確保地圖繪制精確性同時(shí)，提升作業(yè)效率。