便攜式無人機在地理國情應急監測系統的應用

程 帆，丁 寧，彭天馳，史曉明，王 欣

（1. 湖北省航測遙感院，湖北 武漢 430074；2. 湖北省測繪工程院，湖北 武漢 430074；3. 武漢地震計量檢定與測量工程研究院有限公司，湖北 武漢 430071）

便攜式無人機不僅具有機動性能高、環境適應性強的特點，而且其對于氣相的要求較低，圖像測量高效、準確[1]。將其應用于地理國情應急監測，能創新小面積應急監測模式，提升地理國情應急監測效率和質量。新時期要對便攜式無人機具體應用技術做進一步深化研究，大力拓展便攜式無人機系統的應用領域。

1 系統結構組成和作業流程

1.1 結構組成

便攜式無人機地理國情應急監測系統通常包含5 個部分（見圖1），除現場數據采集系統外，數據快速處理系統、制圖輸出系統等都是其重要的組成，此外，該系統還包含了應急數據管理系統、運輸保障車等諸多單元[2-3]。在實際監測中，工作人員會將手拋式無人機作為飛行平臺，以此來獲取監測對象的航空遙感影像，隨后在數據快速處理系統作用下，可實現這些數據的系統分層和解析，對影像數據進行快速鑲嵌處理，同時提取地表覆蓋物后，可實現監測區域影像圖的快速整飾和輸出，繼而為地理國情應急救援工作提供參考。

圖1 便攜式無人機地理國情應急監測系統結構

1.2 作業流程

通過便捷式無人機開展地理國情應急監測時，一旦接收到應急監測指令，工作人員會依托“天地圖”公眾服務平臺開展航攝規劃，同時進行航線的精準設計[4]。目前，便攜式無人機的航線設計是基于DEM 開展的。完成便攜式無人機選型后，測繪人員會將無人機飛升到預定的軌道開展航空攝影測量，以此來獲取航攝影像。在獲得航攝影像后，還需要在現場對航攝的影像數據進行質量監測。便攜式無人機航拍攝影像資料的質量檢查不僅包括數據覆蓋完整性檢查，而且涉及圖像重疊度檢查，此外，影像色彩檢查也是重要的檢查內容，這樣能為后期的數據處理、攝區DEM形成和影像圖鑲嵌提供有效參考，繼而確保地表覆蓋圖的準確性。依據地表覆蓋圖，前線應急指揮部不僅能系統地開展地理國情應急救援指揮，而且可以將其作為參考資料，進行遠程通信、數據共享和會商，以此來實現監測數據的高效應用。

2 應用及效果

2.1 精準實施現場數據采集

現場數據采集是便攜式無人機地理國情應急監測系統應用的基本內容，在數據采集過程中，除便攜式無人機飛行平臺、影像獲取傳感器外，地面監控系統也發揮著功能系統的作用。此外，這些單元構件的運作需要航攝規劃軟件進行控制協同。

無人機裝備本身具有攜帶方便的特點，故而在到達地理國情應急監測區域前，可通過任意車輛裝載無人機裝備，除此之外，測繪人員還可將其裝載在背包內，然后隨隊伍前行。開展應急監測中，還需要對飛行平臺的起飛和回收進行系統管理。通常，手拋式或彈射助飛是飛行平臺起飛的重要方式，在飛行平臺回收中，主要通過傘降的方式進行無人機飛行平臺回收。實際作業中，要求便攜式無人機作業的方圓1 000 m 為凈空條件，然后測繪人員按照DEM、攝區拐點坐標對其進行航線設計，以此來獲取較為精準的數據資料。一般情況下，便攜式無人機在接收到應急監測命令，且完成組裝起飛后，在60 min 內需獲取3 km2的航攝影像，并且影像的分辨率需要優于0.1 m[5]。

2.2 快速進行數據處理

依托便攜式無人機完成地理國情應急監測后，工作人員還要快速地進行數據處理。從數據處理過程來看，航攝質量檢查、影像數據處理是極為重要的兩個組成部分。其中，航攝質量檢查不僅包含數據的完整性檢查，而且包含重疊和色彩檢查。通過這些內容的檢查，需要實現航攝質量的初步檢查，并確定補飛的區域和重飛區域。值得注意的是，經檢查航攝質量符合應急監測要求后，還需要對獲取的影響資料進行空三加密和密集匹配處理，同時在完成DS 米濾波、DEM 生成、正射糾正后，需再次勻光勻色，由此形成影像圖的鑲嵌，透過鑲嵌的影像圖，應急監測人員不僅能掌握監測區的建筑、水體等地物，而且能知曉救援所需的道路，這為后期救援工作開展提供了有效參考[6]。

在開展數據快速處理過程中，首要任務就是對航向重疊度和旁向重疊度進行監測，確認獲取的數據是否全面，并判斷是否需要利用便攜式無人機補飛來重新獲取數據。通常，要求便攜式無人機航向的重疊度小于60%，同時旁向的重疊度需保持在8%以內。在實際處理中，60 min內需完成所測3 km2范圍內圖像數據的處理。出于數據處理效率考慮，在40 min內，工作人員不僅要完成道路、房屋、水源等重要地物的提取，而且需對一些重要的地物進行標記。經數據處理后，所形成的圖像數據應紋理清晰、色調均勻，同時其反差應適中，且灰度直方圖按照正態分布的規律進行布局。

2.3 制圖輸出管理

制圖輸出是在鑲嵌影像圖的基礎上形成的一個整飾軟件，在實際處理中，還需要對前期形成的圖像進行解譯分析，由此生成制圖輸出系統。就制圖輸出系統而言，其不僅應具有自動圖廓線生成的功能，而且應具備手動添加圖名、生產單位、格網等功能，這樣能為監測數據的高效應用提供有效參考。

2.4 應急數據的系統管理

系統開展應急數據管理應用，能為地理國情應急監測和救援工作的開展提供有效參考。在應急數據管理系統建設應用中，應注意把控以下要點：其一，就應急數據本身而言，其不僅包含遙感影像數據，而且涉及30 m 分辨率DEM 數據。其二，在數據存儲中，應急數據通常是按照分塊存儲的模式進行存儲的，這樣能為后期快速調取數據創造有利條件。其三，現階段，人們對于精準航攝的要求不斷提升，30 m分辨率DEM 是精確航攝設計的基礎。基于此，在30 m 分辨率DEM控制中，不僅要注意攝區最高高程、最低高程的有效統計，而且需實現高平均高程和低平均高程的系統解算，以此來最大限度地發揮應急數據作用，促進地理國情應急監測工作的有序開展[7]。

2.5 便攜式無人機應用效益分析

現階段，便攜式無人機在地理國情應急監測系統中的應用不斷深入，相比于傳統小面積的地理國情應急監測方式，便攜式無人機的應用具有高度的靈活性、準確性、經濟性和安全性（見表1）。

表1 便攜式無人機應用效益分對比

3 便攜式無人機地理國情應急監測系統應用的注意事項

3.1 規范無人機系統集成技術應用

便攜式無人機系統的應用對于地理國情應急監測數據獲取具有深刻影響。新時期，在便攜式無人機系統應用中，還應注重其設備單元集成技術的應用，以此來提升便攜式無人機系統的可靠性、穩定性和便攜性。集成關鍵技術應用中，工作人員可將高性能鋰離子電池作為無人機的動力系統；在固定翼設計中，可選擇高強度輕量化EPC泡沫材料，此外可加強前拉外置螺旋槳驅動技術的應用，這樣才能進一步提升無人機系統的適用性，擴大其在地理國情應急監測中的應用范圍。

3.2 重視航攝數據的快速檢查處理

依托便攜式無人機系統完成地理國情應急監測數據捕獲后，還需要快速、準確地進行數據的檢查處理。該過程中，不僅要重視自動提取技術的應用，而且需加強同步顯示技術的融合，以此來獲得多點信息，確保數據的系統性、完整性。從檢查信息類型來看，工作人員不僅要對曝光點信息、經緯度信息進行檢查處理，而且需對航攝設計拐點坐標信息、影像數據進行校正。此外，航帶內最大航高差、最低高程等都是需要考慮的重要內容[8]。通常，這些數據可通過快速匹配算法完成快速檢查、校正，為后期的使用創造有利條件。需要注意的是，在數據處理中，還應通過快速鑲嵌處理關鍵技術，實現數據的快速匹配和空中三角測量，另外，應在該技術的支撐下，實現圖像勻光勻色與數據的自動鑲嵌，滿足地理國情應急監測需要。

4 結 論

便攜式無人機是地理國情應急監測的重要設備，將其應用于地理國情應急監測，能為國土測繪、水利、減災、地震等工作的開展提供有效支撐。新時期，工作人員只有系統認識到便攜式無人機在地理國情應急監測的應用優勢，然后深化便攜式無人機技術設計，并加強其在地理國情應急監測應用過程中的系統管理，才能提升便攜式無人機地理國情應急監測系統的應用質量，進而促進小面積地理國情應急遙感監測工作的有序開展。