基于多傳感器集成的無人機遙感技術研究及應用

朱松ZHU Song；元鵬鵬YUAN Peng-peng

（①深圳大學自然資源部大灣區地理環境監測重點實驗室，深圳 518060；②深圳市智源空間創新科技有限公司，深圳 518057）

0 引言

無人機航攝遙感監測技術可快速獲取生動直觀、現勢性強的高清地表影像和遙感數據，通過后期加工處理，可生成數字表面模型（DSM）、數字高程模型（DEM）、數字正射影像圖（DOM）、三維虛擬景觀、三維地表模型、多/高光譜影像等多種遙感數據產品，為解決城市發展過程中面臨的違法建筑查巡、海岸帶測繪、城市滑坡監測、災害災情評估等難題提供有效工具和全新的技術手段。隨著無人機在續航時間、荷載、高精度定位定姿方面的技術突破，傳統消費級無人機將日益成為“全能選手”，其應用場景必將從傳統航拍娛樂擴展到包括勘探測繪、環境保護、反恐維穩、交通巡邏、應急求援等諸多專業化領域。

1 低空無人機遙感技術

低空無人機遙感測繪技術和系統需要解決多傳感器集成時空同步、無人機影像自動處理及變化檢測、以及多源測繪遙感數據的融合處理等關鍵技術問題。

1.1 多傳感器集成時空同步關鍵技術

低空無人機遙感測繪技術和系統需要將成像傳感器、三維激光掃描設備以及定位定姿等傳感器集成到一個平臺上工作。多傳感器的集成關鍵在于協調控制各個不同分辨率的傳感器，在統一的時間基準和空間基準下工作。時間基準涉及到對多傳感器的同步控制，而激光掃描數據獲取的高頻率大數據量對同步控制提出更高的要求，直接關系到激光掃描能否在無人機高速移動過程中實現高精度的測量。考慮到系統各傳感器按照各自的采樣間隔進行數據采集，數據的輸入頻率各不相同，時間精度也各不相同。為了能將同一時刻各種傳感器測量出來的數據聯系起來，首先需要統一時間尺度，然后將系統傳感器采集的數據建立在同一時間坐標軸上，以實現任意數據的集成處理。空間同步則是關系到多傳感器數據集成融合處理的問題，需利用高精度控制場對激光掃描儀、高清相機、高光譜相機和GPS/INS 定位定姿傳感器的標定技術及軟件。利用多傳感器集成輕型一體化低空遙感平臺三維空間測量方法，以此建立多傳感器集成的誤差模型來確定相匹配的傳感器選型，并在基礎上利用多傳感器一致性協調控制同步技術。

1.2 無人機影像自動處理及變化檢測關鍵技術

無人機獲取的影像是離散的、平面的、冗余的，需要將這些影像進行拼接、勻光，增加地理參考以及空中三角測量，生成三維帶紋理的城市模型。以航空航天攝影測量學為基礎，通過無人機影像全自動構建城市三維紋理模型。在此基礎上，利用多期無人機三維紋理模型進行全自動變化檢測。不同時間段采集的三維紋理模型在位置上會有偏差，在空間分辨率上會有差別，同時，樹木生長也會對檢測結果產生干擾。通過將數字表面模型和數字正射影像圖進行融合，形成帶紋理的三維模型，然后構建金字塔層次模型進行分頁調度管理，使得計算機能夠流暢地處理海量的大范圍三維模型數據。

1.3 多源遙感數據融合處理關鍵技術

無人機遙感平臺獲取的數據具有多源、多尺度特性，需要解決多源遙感數據的自動配準與融合的問題，包括LiDAR 點云與高分辨率遙感影像的自動配準、LiDAR 點云和光譜影像的配準以及光學影像與光譜影像的配準融合等，在此基礎上實現基于多源遙感數據的高效測圖、特征分析與提取、三維建模。通過無人機載多/高光譜豐富的光譜信息，結合同步的地面測量數據，同時獲取高精度、定量化的生化組分定量參數，輔以機載Lidar 數據獲取精確的生物參數、空間分布特征等數據，從而實現高精度、立體化監測。

2 河流廊道生態線監測應用

2.1 應用背景

深圳境內某河流干流全長40 余公里，但是由于流域城鎮無序蔓延，城市市政配套設施建設沒跟上城鎮建設速度，污水垃圾污物等不能及時處理，帶來了極為嚴重的環境問題，而通勤增加、交通距離變大增加了能源消耗，加劇交通壓力并產生城市空氣污染。其次，由于流域內不兼容的用地過分靠近，污染嚴重的工業區與居住區、商業區交錯混雜，工業包圍居住，使得居住區受噪音和空氣污染影響嚴重。城鎮建設用地對河流形成空間壓迫，中下游主河道及絕大部分支流幾乎都變為建設用地，工業用地沿河流分布，對水體污染嚴重。最后，由于城鎮過快蔓延侵占流域內部的生態敏感區和生態廊道導致城市中自然資源迅速減少，生態系統遭到破壞，以河流為主線的濱水空間未形成有效的開敞空間，公園、綠地建設滯后，沿自然水體的開放空間不足。

因此，有必要對河流廊道進行生態控制線實時監測，發現問題并及時采取有效措施，加強河道兩岸生態綠地保護和建設，減少面源污染，防治水體富營養化，有效維持濱水生態系統良性循環，確保區域的用水安全，充分發揮河流流域的生態功能。

2.2 系統平臺構架

無人機平臺遙感系統由地面部分、空中部分和數據處理等三個部分組成。地面部分包括無人機地面控制子系統、航線規劃子系統和數據接收實現顯示子系統，主要用于規劃飛行路徑、無人機通信、數據接收以及信息顯示。空中部分包括無人機多傳感器集成平臺、定位定姿子系統以及遙感和中控子系統，一方面接收地面部分的指令信息，控制無人機按照預定的航線飛行；另一方面，利用無人機多傳感器集成平臺，采集多源觀測數據。數據處理部分完成多源觀測數據的配準融合及數據處理。

系統以智能飛行平臺為基礎，通過集成定位定姿、成像和三維激光掃描高精度測量等傳感器，在GPS/IMU 高精度組合定位的基礎上，實現一體化融合處理與三維可視化、高分辨率影像和三維激光點云數據的自動同步獲取，用于低空遙感對地觀測與快速高精度測繪，其構成如圖1。

圖1 系統組成與構架

在無人機遙感領域，成像設備的發展代表著無人機遙感技術發展的趨勢。目前搭載于無人機的成像傳感設備數以百計，包括可見光、近紅外、熱紅外、微波以及激光測量系統等。但由于無人機平臺搭載能力有限，因此在實際使用中，選擇適當的傳感器組合，平衡任務需求和無人機載荷是無人機遙感優先考慮的問題。從傳感器的工作原理，當前無人機搭載的傳感器主要分為三類：普通可見光相機、多/高光譜相機和LIDAR。

2.3 應用成果

通過無人機航拍監測，一期在河流廊道區域內選取全景點2 個，二期9 個，共11 個全景點，無人機航拍設備如圖2 示。經過軟件制作后可到河流廊道的全景圖，用戶可在Web 端以及本地對全景點進行瀏覽。

圖2 無人機航拍設備圖

通過對無人機航拍監測獲得的河流廊道兩期期土地利用分類結果進行對比，可以發現，該區域大部分地類未發生變化，只有少部分區域發生地類改變。通過兩期地類面積結果對比，可知該區域內植被面積減少了318690 平方米，新增水體面積36125 平方米，新增耕地面積31065平方米，新增裸露地表面積275790 平方米，新增道路面積為0，工業廠房面積減少了201316 平方米，其他建筑物面積減少了3974 平方米。從地類變化情況來看，河流廊道區域內，裸露地表面積增加了275723 平方米，其增加面積主要來自于工業廠房減少面積和其他建筑物減少面積。而河流廊道區域內的生態要素如植被面積有所減少，但水體和耕地面積有小幅增加。總體來說，河流廊道生態控制線兩期之間生態要素并沒有發生較大變動，生態控制線內管理效果比較顯著。

表1 河流廊道變化區域面積統計表

圖3 顯示該區域的植被變成裸露地表，且變化面積為41159.2 平方米，變化面積較大。通過無人機技術對河流廊道進行監測，我們發現，河流廊道期間共發生地塊變化58處，變化面積合計541233.63m2。其中新增植被23 處，面積為64763.8m2；新增水體2 處，面積為37514.5m2；新增耕地5 處，面積為36937.2m2；新增裸露地表28 處，面積為402027.9m2。對河流廊道基本生態控制線的持續監控將對保障深圳市生態安全、防止城市建設用地無序蔓延以及促進經濟、社會和生態環境的可持續發展發揮重要作用。

圖3 河流廊道典型變化區域監測實例

3 發展

3.1 無人機多傳感器系統集成

利用飛控、傳感器、遙測遙控、通訊、及慣導/差分定位等技術實現無人機多傳感器（包括紅外相機、LIDAR、多/高光譜成像儀）的集成；建立高精度時間基準，以時間作為各傳感器之間互相聯系的紐帶，將各傳感器數據在時間上對齊，實現各傳感器數據的同步，基于多傳感器集成平臺獲取多源數據，并根據傳感器定標、姿態參數、及氣象數據等，對數據進行幾何或輻射校正。

3.2 基于激光掃描儀的高精度三維建模與測繪

綜合集成CCD 相機、LiDAR 和高精度POS（動態定位定姿），突破無人機小型化一體化集成和智能處理等關鍵技術，為地表三維空間信息的獲取、處理和分析提供一種機動、靈活且不受其他因素限制的低空三維激光雷達遙感平臺，服務于資源調查與環境監測、交通安全與監控、高精度高分辨率測繪、電力巡線、應急指揮等領域。

3.3 基于多/高光譜傳感器的海岸帶濕地生態監測

高光譜相機與無人機高精度POS 的綜合集成方法，是突破輕小型低空光譜遙感一體化集成和光譜遙感智能監測的關鍵技術，通過研制系列化產品，可為資源環境、森林植被、海洋、水利遙感監測提供高光譜遙感影像獲取平臺。利用無人機生態監測的原理、技術和方法，可以開展生態監測指標提取、動態變化檢測和健康評估分析工作，實現基于無人機的多/高光譜傳感器海岸帶濕地生態監測應用示范研究。

4 結語

業內普遍認為，未來5 至10 年將是無人機行業應用的黃金時代，僅國內市場需求將高達1000 億元以上，開展無人機專業應用研究在勘探測繪、環境保護等方面潛力巨大。開展新型傳感器集成及專業化應用研發，實現核心技術突破，有利于解決面向行業應用的實踐方案，并促進多傳感器集成的無人機遙感技術外推廣銷售，驗證總課題提出的無人機“創新鏈+產業鏈”生態圈運行機制的可行性和有效性，有助于鞏固深圳市無人機產業優勢、把握市場先機、搶占無人機產業未來發展的制高點。