梁增偉

【摘要】以生產(chǎn)項目為例，以無人機航測的技術流程為主線索，介紹了無人機航測技術方面的發(fā)展。得到了關于無人機航測技術的一些結論和建議：提高無人機航測技術的關鍵在于航攝技術的提高，無人機航測技術是大飛機航測的有益補充，在災害應急等方面無可替代的優(yōu)越性，但在航測地形圖（DLG）尤其是大比例尺地形圖生產(chǎn)方面還存在一些問題。

【關鍵詞】無人機； 航測技術

前言

無人駕駛飛機簡稱 “無人機”，它的誕生可以追溯到上個世紀初葉，但主要運用于戰(zhàn)爭偵查。二戰(zhàn)結束后，隨著航空技術的飛速發(fā)展，無人機家族也逐漸步入其鼎盛時期。時至今日，無人機已經(jīng)廣泛運用。在民用方面，改革開放以來，我國也加快了對無人機研究與開發(fā)的工作。與有人駕駛飛機相比，無人機有體積小、便攜帶、運用地域廣泛、可執(zhí)行惡劣環(huán)境工作等優(yōu)點，這使無人機攝影測量技術得以在災情監(jiān)測與評估工作中有了很大的發(fā)展空間。

在衛(wèi)星及大飛機遙感等航空遙感技術的不斷發(fā)展的基礎上，一項新的技術逐漸形成——無人機航測遙感技術。它廣泛應用于應急測繪保障、國土資源監(jiān)測、重大工程建設等方面。這項技術不僅機動靈活，響應快速，同時成本低廉精度值高。但除此之外，現(xiàn)有技術也存在著許多弊端。例如，航向重疊度和不規(guī)則旁向重疊度、像幅不大像片數(shù)量多、影像的傾角過大且傾斜方向沒有規(guī)律、航攝區(qū)域地形起伏大、高程變化顯著，以及較大的影像比例差異和旋偏角，影像畸變現(xiàn)象較明顯。

自上世紀80年代以來，無人機測繪系統(tǒng)成為世界各國競相研究的熱點課題。隨著計算機技術、通訊技術的發(fā)展，無人機的性能也水漲船高，應用范圍和應用領域迅速拓展，這為無人機測繪系統(tǒng)的研制提供了保障。目前，國內(nèi)測繪行業(yè)在制作DOM和DEM上廣泛應用了無人飛行器航測遙感技術，不過這種技術并沒有實際應用于大比例尺DLG，而是以小面積的實驗取代。在當前最先進的航測技術上，結合生成案例，本文對生產(chǎn)過程中無人機航測與大飛機航測的不同、無人機航測的一些特殊問題進行了分析探討和解決，為我公司在無人機航測技術的掌握方面積累了經(jīng)驗。

1. 運用無人機測量的必要性

隨著國內(nèi)國際上自然災害的多發(fā)與頻發(fā)，尤其是重大自然災害發(fā)生時，這是環(huán)境所致，也是人類污染所致，災害往往帶來重大的破壞和人員損失，而且造成災害地區(qū)信息設備受到破壞，從而信息封閉，加之災后的地區(qū)往往車輛人員不能及時到達，因此在災害發(fā)生時及發(fā)生后，如何及時取得災害信息及信息傳輸成為迫切的問題。這些活動可以用衛(wèi)星來解決，也可以用載人飛機來解決。然而用衛(wèi)星對地測量的方法，費用高、圖像分辨率低、使用不靈活；而載人飛機不僅費用高，出航氣候要求也很高，另外災區(qū)上空飛行風險大，無法做到隨時到達。若使用無人機來完成災情監(jiān)測與評估工作，無論是在留空時間、使用成本、耗費人力資源上，還是在惡劣環(huán)境作業(yè)要求、長時間飛行作業(yè)要求、人員生命安全要求上，或是在圖像分辨率和工作效率上，無人機都優(yōu)于載人飛機和衛(wèi)星遙感。由于成本和氣候條件等因素的制約，傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感和載人飛機只能滿足部分空間數(shù)據(jù)信息的需求，而測繪型無人機系統(tǒng)具有一些獨特的優(yōu)勢，它可在復雜地形、復雜天氣下飛行，可以在許多特定的領域如高污染、高輻射、高風險領域執(zhí)行飛行任務，因此，低成本、多用途的測繪型無人機系統(tǒng)技術在災情監(jiān)測與評估工作中具有必要性作用。例如：今年貴州省雨量較大，省內(nèi)大小洪澇災害時有發(fā)生。而由于貴州地形復雜多變，實地考察洪澇災情不僅十分危險困難而且效率十分低下，利用載人飛機考察成本高居不下的同時還比較受到天氣的影響，無人機采用低空飛行不受天氣影響而且可以準確考察災情，即使遇到環(huán)境惡劣的區(qū)域也不會造成人員傷亡。

2. 運用無人機測量在監(jiān)測和評估工作中的優(yōu)點分析

2. 1在國家重大自然災害監(jiān)測方面

利用無人機飛行機動、快速、覆蓋范圍大、任何條件皆可以到達等特點，迅速對災情做出監(jiān)測，將災情速報一直是無人機自然災害監(jiān)測中的重要特點。以往我國在地震、洪澇、特大泥石流、雪災、森林大火等災情中都做了災情監(jiān)測工作，但是往往因為地理環(huán)境限制，無法做到最快最準確。而在近年來的災害監(jiān)測中，國家測繪局利用無人飛機測量技術，對災區(qū)進行了監(jiān)測。使得民政部國家減災中心、中科院遙感所、地理所在較快的時間內(nèi)完成了整個災區(qū)的建筑物、公路、生態(tài)環(huán)境等幾個大的災情勘察監(jiān)測報告，實現(xiàn)了快速摸清災情的目的。無人機影像具有數(shù)量多、相幅小的特點， 抗震救災時，無人機能夠滿足其在高度和分辨率上的實時性要求。因為它能夠快速拼接影像，并且糾正和解譯影像。分辨率較高并且完整的影像能通過低空遙感技術得到。要實現(xiàn)快速定量評估災害以及解譯相關影像，不僅要對災害區(qū)域和對象的影像進行校正和增強處理，同時還要綜合分析相關地理信息。

2.2在國家重大自然災害評估方面

無人機最大的優(yōu)勢就是可以在惡劣的自然條件下，利用簡單條件就可以低空飛行，獲取影像數(shù)據(jù)。無人機目前已經(jīng)具備影像獲取、影像處理、影像生成等一套完整的航空攝影測量系統(tǒng)，馬力的不斷加大，使得無人機能夠在很短時間飛到很多地方，以滿足各類應急測繪和精準測繪的需求。無人機攝影圖和航拍繪制的地形圖，像使得國家職能部門可比其他觀測手段更直觀、更快速的進行災后災害評估。

2.3在國家重大自然災害處理決策方面

災害發(fā)生后，災害處理決策部門最需要的就是災區(qū)的一手監(jiān)測、評估資料，但是往往災區(qū)地形所限，人員無法到達災情實地進行勘測，而無人機航測技術可以為災害處理決策部門最快速的取得詳實災區(qū)影像資料、航片數(shù)據(jù)、災后地形圖等一手監(jiān)測與評估資料，為災害處理決策工作提供重要的依據(jù)。

2.4在國家減災救災科技支撐方面

在減災救災工作中最重要的便是建設災害監(jiān)測預警體系。完善災害監(jiān)測網(wǎng)絡，加強地震、氣象、水文、地質(zhì)、森林草原火災、等各類災害監(jiān)測系統(tǒng)建設。無人機航測系統(tǒng)可以為災害監(jiān)測預警系統(tǒng)提供災后影像圖和災后地形圖，實現(xiàn)國家減災救災重大需求與社會科技資源的有機結合，從而提高災害預測預警系統(tǒng)的工作機能。

2.5在國家災后重建工作方面

大災后的災區(qū)重建是一個龐大而復雜的系統(tǒng)工程，在這個過程中無人機航測技術提供的最新地形圖將繼續(xù)發(fā)揮巨大的作用。通過地形圖，國家可以對整個災區(qū)的災情做出的全面評估，并可以結合災區(qū)的地形、地質(zhì)、社會經(jīng)濟等數(shù)據(jù)，對災區(qū)重建選址和移民搬遷做出決策。

3. 案例分析-- 測區(qū)生產(chǎn)實踐與作業(yè)方法

測區(qū)隸屬于山東省煙臺市。受大陸性季風影響，氣候四季分明，冬長夏短，雨水多集中在夏季。測區(qū)內(nèi)各種等級的公路均有分布，交通方便。煙臺已經(jīng)使用無人機成功對煙臺港海陽港區(qū)建設基地工程、東港區(qū)海上疏港路工程等在建用海項目進行了遙感監(jiān)測工作。測區(qū)海拔高程最高305m，最低150m。地貌以平、丘地為主。

3.1 項目的作業(yè)依據(jù)

本項目依據(jù)國家標準規(guī)范《1：500 ：1000 ：2000地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》GB/T 7931-2008、《1：500 ：1000 ：2000地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》GB/T 7930-2008及《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》GB/T 23456-2009和無人機航測指導性文件《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》CH/Z 3005-2010、《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范外業(yè)規(guī)范》CH/Z3004-2010和《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范內(nèi)業(yè)規(guī)范》CH/Z 3003-2010等。

3.2 數(shù)據(jù)源及預處理

3.2.1 數(shù)據(jù)源

本測區(qū)選用無人機航空攝影獲取到的一套真彩色影像，航攝面積為53平方公里。航攝儀采用Canon EOS 5DMarkⅡ，焦距為：35mm，相幅大小為：5616×3744，像元分辨率為6.41um。影像地面分辨率為0.2米。

3.2.2 遙感影像預處理

非量測性相機應用于無人機航空攝影。為了恢復影像空中姿態(tài)，在進行空三測量時，相機像片畸變差需要矯正。此案例在收到航攝影像資料時已經(jīng)完成了此項工作。

3.3 無人機航測運行作業(yè)總體過程

3.4 無人機航空攝影

本次將進行兩次無人機航拍，相對飛行高度的數(shù)據(jù)由GPS領航計算。盡管在良好的飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量下，影像拍攝清晰度不高，然而，1：2000的成圖還是能夠?qū)崿F(xiàn)。一方面，照片色彩均勻，另一方面有良好的飽和度，真實地表達了地物信息。75%的航向重疊度，35%-45%的旁向重疊以及12度以內(nèi)的旋偏角才能滿足航攝飛行質(zhì)量的要求。沒有進行像片傾角的檢查。

3.5 像片控制測量

3.5.1 像控點精度要求

0.2米應作為像控點和最近基礎控制點平面位置間的最大允許誤差，同時也應以此作為高程誤差標準。

3.5.2 像控點布點方案

此項目在我司2010年進行的無人機航測課題試驗基礎上開展，因此布點方案我們也參考了試驗結果，最終雙模型布設方案得以確定。

3.5.3 像控點測量

像控點情況應通過對已收集像控點聯(lián)測檢核， 且需在像控測量前進行。之后，聯(lián)測同時，4個控制點被加密用來實現(xiàn)后續(xù)測量。聯(lián)測中，GPS靜態(tài)相對定位和邊連式布網(wǎng)被采用。最終，共測得10個已知點，4個新設點。觀測時具體技術參數(shù)依據(jù)規(guī)范。通過計算，最弱點點位誤差為0.035m，最弱邊相對誤差為1/45537m，滿足像控測量要求。

本測區(qū)像控點采用GPS實時動態(tài)定位（RTK）的方法進行測量。GPS實時動態(tài)定位（RTK）測量使用5臺GPS RTK接收機進行測量。充分利用已測控制點數(shù)據(jù)，采用室內(nèi)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，已知點上設置參考站的測量方法。為了保證精度，流動站不超過5公里，坐標精度在3㎝以內(nèi)時記錄數(shù)據(jù)，每個點重復測量三次取平均值為測量成果。

3.6 空中三角測量

在本項目中，SSK工作站對進行空三加密。其中，空三區(qū)域被分為兩個加密部分，而加密方式為自動手動相結合。即自動匹配，測量和剔除，然后根據(jù)要求進行人工調(diào)整，保證在2/3個像素以內(nèi)。加入外業(yè)像控點對本區(qū)大地定向，進行計算、檢查，得出0.3米平面中誤差和0.17米的高程中誤差。根據(jù)規(guī)范GB/T 23236-2009，1：2000的要求達到。

3.7 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)上述測量結果，我們進行單模型定向。然而，在此過程中，某些模型無法定向。第一架次和第二架次中，分別有29個和67個模型無法建立，占總比數(shù)分別為4%和9%， 同時測圖定向點數(shù)量超出限制。原因應歸于無人機的航拍質(zhì)量。其中，飛行傾角，過大的旋偏角，彎曲的航線以及比例不一的像片都包括在內(nèi)，這些因素往往會造成精度值低。鑒于此，我們認為應采取如下措施：在測圖定向超限點的周圍進行野外實測用來檢核分析數(shù)據(jù)并進行必要的修正。但是，這在一定程度上增加了生產(chǎn)成本。

3.8 項目精度報告

根據(jù)1：2000精度要求對測繪產(chǎn)品檢進行了高程精度的統(tǒng)計，統(tǒng)計了6幅DLG圖，其中誤差最大為0.36米，最小為0.27米，可以看出符合規(guī)范要求，但是從統(tǒng)計的結果看，粗差率比較高，有的達到了5%。平面精度一般可以達到，因此沒有做平面精度檢測。

4. 結論及建議

（1）無人飛行器測繪技術是集成了低空航空攝影技術、傳感器技術和數(shù)據(jù)處理技術等多種關鍵技術的一門航空攝影測量技術。我們認為提高低空航空攝影技術是無人機航空攝影測量技術的關鍵所在；當然使用適當?shù)臒o人機航攝影像的處理技術可以在一定程度上消除無人機航空影像不規(guī)則帶來的影響。

（2）無人機航空攝影測量技術應用于地形圖的生產(chǎn)存在不確定性，比如，區(qū)域網(wǎng)整體加密精度評定良好，單模型中誤差也可能良好，但單模型定向精度就存在超限情況，也就是個別點的超限情況，在測圖過程中表現(xiàn)為測圖定向點和立體模型套合差大、接邊誤差大等?？梢酝ㄟ^外業(yè)實測來驗證精度。

（3）建議在利用無人機航測這種新技術進行航空攝影測量時，采用試驗區(qū)的作業(yè)方法，即在確定布點方案前選取一定面積的試驗區(qū)進行布點方案試驗；

（4）建議利用無人機航空攝影測量技術進行地形圖生產(chǎn)，盡可能在載人機不便或無法完成的情況下，由無人機來完成。如多塊小面積、危險場所、遠離機場或沒有可供其起降場地的區(qū)域?？傊壳盁o人機航測技術應該體現(xiàn)在載人飛機航測技術的補充方面。

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