無人機測繪數據處理關鍵技術及應用

陳柏穆

摘 要：近年來，無人機測繪技術發展迅速，具有效率高、出錯率低、不易受到外界干擾及適用性強等優點，可實現數據信息動態監測及應急處理，適用于多個應用領域，能滿足多種數據測繪需求。根據相關文獻探討了無人機測繪數據處理關鍵技術及應用。

關鍵詞：無人機測繪;數據處理;關鍵技術

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1672-5603（2022）01-81-05

Key Technology and Application of UAV Mapping Data Processing

CHEN Baimu

（The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province， Changsha Hunan 410114）

Abstract： In recent years， UAV mapping technology has developed rapidly. It has the advantages of high efficiency， low error rate， less vulnerable to external interference and strong applicability. It can realize data information dynamic monitoring and emergency processing， and it is suitable for multiple application fields and meet a variety of data mapping needs. In this paper， the key technologies and applications of UAV mapping data processing are discussed according to the relevant literature.

Keywords： UAV mapping; data processing; key technology

無人機測繪技術是信息網絡時代下的產物，是基于計算機技術、傳感技術及信息技術產生的一種綜合型、數字型及信息化技術，該技術促進了現代測繪行業智能化、自動化發展。與傳統測繪技術相比，無人機測繪技術不容易受到外界因素干擾，具有良好的適用性，在諸多領域得到廣泛應用，成為測繪技術不可替代的重要分支。無人機測繪已經成為測繪行業的重要發展領域，其應用前景廣闊，無人機測繪數據處理關鍵技術是測繪領域的重要研究方向。

1 無人機測繪技術研究現狀和發展趨勢

無人機是利用無線電遙控設備及自備（接收）程序控制裝置實行操作的不載人飛行器。按應用領域分為軍用與民用。在民用領域，現已廣泛應用于航拍、農業、測繪、環境保護、新聞報道、監測監控、救災、巡檢、影視拍攝等多個領域。無人機測繪技術一般特指無人機在測繪領域的應用技術。

在國外，關于無人機測繪技術的研究已經成熟，很多機構和學者都對無人機測繪技術及其應用進行了研究。由于衛星導航定位技術是無人機測繪技術研究的基礎，眾多衛星導航定位機構率先開展了無人機測繪技術。在國內，南方測繪、中海達、拓普康、天寶等單位都對無人機測繪技術進行了深入研究，AscTesc、3D Robotics、Parrot等硬件生產商也參與了無人機硬件研究，為我國無人機測繪技術開發及應用奠定了良好基礎。此外，以北京航空航天大學為代表的高校研究機構也對無人機系統中的數據傳輸系統、動力系統、導航系統及飛控系統等進行了深入研究，對測繪領域發展、無人機測繪技術開發起到很好的導向作用[1]。

目前無人機測繪技術越來越完善，已經逐漸實現多樣化，同時衍生出很多種類的無人機測繪數據處理技術，包括DOM技術、PPK技術、INS技術、空中三角測量技術和DEM技術等，致使數據處理智能化、自動化水平日益提升。目前無人機測繪技術得到廣泛應用，不僅在航海航空領域得到了應用，還在環境監測、地質勘測、礦山監測及城建等領域得到了應用，并逐漸走入到普通公眾的日常生活中。

2 無人機測繪技術類型及優點

2.1 類型

應用于測繪領域的無人機，以固定翼無人機和多旋翼無人機的應用頻率最高，固定翼無人機對起降場地要求相對較高，需要一塊相對開闊的平地，多旋翼無人機可以隨地起飛。以尺度分微型、輕型無人機;以活動半徑分超近程、近程無人機;以任務高度分超低空、低空無人機，兼有部分中空無人機;以傳感器分為普通航攝無人機、傾斜航攝無人機、視頻無人機等。

2.2 優點

無人機測繪技術能夠滿足復雜惡劣環境下的測繪需求，具有很高的靈活性及工作效率，并且精細程度較高，主要優點如下。

2.2.1 工作效率高

無人機測繪技術是在信息網絡技術、數字化等技術及通信技術的基礎上發展而來，融合了信息網絡、數字化及通信等技術的優點，能夠自動檢測各種數據信息，加上操作簡單，與傳統人工測繪技術相比，其應用效率更高，能夠幫助相關技術人員快速回傳高精準度的數據信息及高清圖像。

2.2.2 適用性強且運作靈活

無人機測繪技術不僅能夠在地面上使用，還能夠在低空及中空飛行，故能夠滿足航海航空等高難度測繪需要，其適用性很強。無人機自身質量較低，能夠輕便靈活地穿梭在不同環境、空間及領域，如礦山環境、高空及海面等，其運作靈活性非常強[2]。此外，無人機構件簡單且能夠根據需求選擇起降方式等，被稱為最便捷、靈活的測繪工具及技術。

2.2.3 數據處理精準度高

與衛星測繪相比，無人機測繪技術獲取的影像數據分辨率更高，能夠清晰逼真地反映現場現狀，實現地面目標的大尺度精細化測量。同時，由于無人機應用了信息網絡、數字化及智能化等技術，其精準度得到大幅度提高，具有自動檢測、計算和糾正錯誤數據信息的功能，故能夠有效減少誤差發生，提高數據處理精準度。

3 無人機測繪數據處理關鍵技術

立足國家相關標準，以傾斜航空攝影為例，無人機測繪數據處理技術作業流程如圖1所示。

3.1 多相機集成技術

多相機集成技術作用、應用原理與非量測相機相似，但不同的是多相機集成技術因為需要將多個相機組合共同運行才能生成高清圖像，在整個過程中相互之間彌補不足，解決了單個相機幅面較小、數據不穩定、圖像不清晰的問題 [4]。多相機技術在測繪領域中的應用還能夠有效減少影像數量，從而快速獲取高效投影結果。這是因為多相機拼接模型能夠針對內框架的連接處理模式進行不同結構的相機體系組裝，從而滿足數據監測及處理需求。

3.2 相機校驗技術

非量測相機一直都是無人機測繪數據處理系統重要組成部分，很多無人機設備都裝備有相應型號的相機。無人機運行過程中可將相片中心作為坐標系的中心，然后結合測繪系統將被測繪對象的影像分布情況通過相機校驗功能呈現在圖片上，以便于測繪人員更為直觀、清晰地觀察到被測繪對象的實際情況。非量測相機必須與自檢校法聯合使用，否則鏡頭上會出現極大畸變差，增加測量坐標點與實際情況的誤差，而自檢校法則能夠及時校驗，減少誤差[2-3]。

3.3 PPK技術與INS技術

無人機身形小，飛行時很容易因為氣壓、大風等環境因素使機身受損，影響繪制結果準確性，而PPK技術則能夠自行修改相片位置、糾正數據信息，保證和提高無人機測繪結果準確性，所以PPK技術又稱為動態后處理技術。PPK技術能夠克服部分氣候帶來的不利影響，其應用原理在于先借助接收機、流動站測量衛星載波機位，然后利用PPK技術糾正、確認相關數據信息[3]。此外，PPK技術還具有可視性好、能見度高、受季節影響小等特點，能夠最大限度減小誤差（誤差精度可達5 mm）。

INS技術則是慣性導航系統，該技術不依賴于外部信息就能夠自動調整數據信息，并繪制相關圖像，是一種自主式導航系統，其應用原理在于根據慣性空間力學定律計算運動速度、旋轉角度等數據，最后進行調整和確認。

3.4 空中三角測量

3.4.1 自動空中三角測量

自動空中三角測量技術的測繪原理是利用模式識別技術代替人工判別，獲取重疊航片上的同名點的像點坐標，作為參數提供給區域網平差方程解算，確定加密點空間位置和影像拍攝元素。空中三角測量技術在應用過程中需要與相機檢校技術聯合，這樣才能將獲取的相片形成一種空間幾何關系，然后通過分析結合關系找到對應相片的控制點要素，最后計算方位因素，并以高清圖像的形式呈現出來，這樣能夠有效提高測繪結果精準度[5]。此外，還可以利用GPS技術輔助空中三角測量，這樣能夠快速找到錯誤數據并及時糾正，并獲取空三加密單元之外的數據信息。

3.4.2 提升空中三角測量精度

空中三角測量計算的原理在于利用光束法平差對外業控制點各坐標觀測值進行對比分析，并實時列舉實際值，列出求解誤差方程，然后適當對誤差方程施加權重，最后結合加密點求解出誤差值。利用誤差處理軟件調整、控制誤差，通常可通過控制不同面的控制點權重及高差精度來達到減少誤差的目的，多次檢測結果都顯示控制點權重與精度呈正相關關系，即其他條件不變的情況下，權重越大則精度越高，所以為防止控制點成像過程中發生變形，可以通過調整控制點權重來及時糾正誤差，從而減少變形，提高數據精準度[9]。

3.5 加密精度分析評價技術

加密精度分析評價技術雖然是空中三角測量的一個環節，但體系相對獨立，故被很多技術人員獨立研究。加密精度分析技術不僅影響整個數字的外業控制精度，還影響數字分辨精度，故加密精度分析技術又分為外業控制精度分析技術、數字分辨精度技術2種。加密精度分析技術的應用原理在于利用光系數法對實際測量點的坐標觀測值及相關數據信息進行加密分析及處理，以提高觀測值及數據信息的精度，同時還能夠在測量過程中設定相關指標，以便于分析比較精度[6]。加密精度分析技術的應用雖然能夠提高整個數據測量及攝影測量工程精度，但有部分成果評判機制不穩定，導致精度破損，故存在一定誤差，需要進行至少2次測量及分析，以減少誤差。

3.6 三維模型重建技術

實景三維模型不僅應用到信息網絡技術，還應用到數字化技術、通信技術及智能化技術，因此，很多信息都是以數字的形式表現出來。實景三維模型（圖1）主要應用于城市建設領域，與其他模型項目相比，實景三維模型能夠將大范圍城市的面積、環境結構、建筑結構等以三維場景的形式展現出來，為城市管理者及建設者提供更多可靠依據，對城市化建設及發展起到了積極作用[8]。

4 無人機測繪數據處理關鍵技術的典型應用

4.1 環境監測領域

環境污染不僅影響人與自然環境的和諧發展，還影響我國社會經濟發展，所以解決環境污染問題一直都是我國最重要的社會發展任務。環境監測是發現環境污染原因、污染源等的重要途徑，故很多地區在治理環境污染時都會進行環境監測。而無人機測繪數據處理技術的應用則能夠提高環境監測準確度，所獲取的測繪數據分辨力極高，能夠提煉出更為準確、全面的環境污染情況，為環境保護策略制定等工作提供可靠依據。

4.2 國土測繪領域

我國占地面積位居世界第三，土地資源非常豐富。無人機測繪技術能夠獲得分辨率極高的影像，在相關工作中能夠精細化地探測到各類土地資源的分布位置和變化情況，為土地管理部門進行國土空間規劃和開發利用管理提供可靠依據 。

4.3 災情救援領域

湖南地質災害發生較多，每年4～10月大部分地區出現了降雨偏多情況，根據湖南地質環境特征、地質災害發育分布規律，突發地質災害起數可能較常年平均值偏多，災種主要以滑坡、崩塌、泥石流為主。這些自然災害都對人類的生產及生活造成不利影響，嚴重者直接導致大量人和動物死亡，所以自然災害發生時采取有效性災情救援措施非常重要。筆者所在單位的應急測繪部主要用無人機采集災后正射影像圖、360空中全景、激光點云數據等，能夠幫助救援者快速了解自然災害具體位置、災難情況等信息，然后結合這些信息制定針對性救援措施或者戰略，保證救援工作順利開展。

4.4 礦山測繪領域

礦產資源一直都是我國經濟發展及技術發展的主要原動力，所以不斷開發礦產資源、提高礦產資源利用率是我國主要發展目標之一。通過礦山測繪能夠了解礦產資源所在地理位置的地形地勢，這對礦山安全開采、礦產資源利用率提升等來說都非常有利。例如INS技術、無人機空中三角加密精度分析技術及DEM技術等能夠采集礦山面積、高度等數據信息，為礦山開采提供可靠依據及正確指導。

4.5 城建領域

城建包括城市建筑建設及交通建設，無論是房屋工程建設，還是地鐵工程、鐵路工程、汽車隧道工程、橋梁橋墩工程建設，都需要對工程的地理位置、土層結構等進行測繪，以及時發現和解決問題。例如，在建設公路隧道工程時，使用無人機相機技術、空中三角測量技術、實景三維模型技術等可以檢測隧道內部是否有裂痕、漏水等異常，并檢測隧道結構安全性、穩定性及承載力等，及時發現安全風險，然后采取針對性安全風險防范措施，提高工程質量及使用價值。

除了上面提到的領域以外，無人機測繪數據處理技術還被應用到電力、水利、交通、環保等行業。此外，在公安治理、消防、反恐等領域得到了應用，并取得了良好的應用效果。

5 結語

國內外的無人機測繪技術已經取得了大量的實用性成果，在各大領域的應用價值也得到充分發揮，對各大領域發展都起到了積極的促進作用，越來越多國家都開始重視，并積極開發無人機測繪技術，以此來帶動國家經濟及科學技術發展。無人機測繪技術具有數據效率高、出錯率低、不易受到外界干擾及適用性強等優點，能夠適用于各大領域，促進各大領域進步及發展。相機校驗技術、DOM技術、PPK技術、INS技術、空中三角測量技術、無人機空中三角加密精度分析技術、DEM技術、實景三維模型技術等都是常見的無人機測繪數據處理關鍵技術，這些技術能夠高效處理數據信息，在環境監測、國土測繪、災情救援、礦山測繪、城建等領域都取得了很好的應用效果，所以大力推廣和應用無人機測繪數據處理關鍵技術是非常必要的，應得到高度重視及關注。

參考文獻/References

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