張 潘，余代俊，索朗江村，許 馨

無人機遙感系統(tǒng)在應急保障中的應用

張 潘1,2，余代俊1，索朗江村2，許 馨2

（1.成都理工大學 現(xiàn)代測量技術(shù)及應用研究所，四川 成都 610059；2.西藏自治區(qū)測繪院，西藏 拉薩 850000）

無人機具有機動靈活、反應迅速、成本低等特點，且能在高危地帶作業(yè)，已經(jīng)成為測繪應急保障的重要手段。以樟木口岸應急為例，介紹了無人機系統(tǒng)的組成以及影像獲取和處理的作業(yè)流程，并利用PixelGrid軟件對該方法進行了論證，證明其具有一定的可行性。

無人機；影像處理；應急

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機在遠程遙控、續(xù)航時間、飛行品質(zhì)上有了明顯的進步，同時無人機具有機動靈活、反應迅速、精細準確和作業(yè)成本低廉的特點，被廣泛應用于災害應急、小城鎮(zhèn)及新農(nóng)村建設(shè)、國家重點項目建設(shè)和困難地區(qū)測圖等方面。

1 無人機系統(tǒng)組成

無人機主要采用玻璃鋼及碳纖維復合材料制作而成，重量輕、強度大。它是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機遙感系統(tǒng)由無人機飛行平臺、傳感器、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及地面運輸與保障系統(tǒng)5部分組成（圖1）。

圖1 無人機遙感系統(tǒng)架構(gòu)圖

地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由計算機、天線、監(jiān)控軟件及供電系統(tǒng)組成。其主要任務是利用監(jiān)控軟件設(shè)置航線，利用GPS導航定位信號、加速度計及陀螺等飛行器的動態(tài)信息，實時計算氣壓高度、PDOP值、衛(wèi)星顆數(shù)、空速、轉(zhuǎn)速及向下加速度等信息，使地面人員能及時掌握無人機飛行狀態(tài)，以便應對突發(fā)情況。飛控系統(tǒng)用于飛行控制和任務管理，可實現(xiàn)對無人機姿態(tài)、飛行航高、速度和航向的控制，同時將各種參數(shù)傳輸?shù)降孛嬲疽员惚O(jiān)控，無人機上采用單頻無差分GPS導航，其精度在±5 m。

2 影像獲取

無人機數(shù)碼航攝需要經(jīng)過航線設(shè)計、航測飛行、質(zhì)量檢查、補飛或重飛、像控測量等步驟，影像獲取流程如圖2所示。

圖2 影像獲取流程圖

3 航線設(shè)計

數(shù)碼攝影一般針對小區(qū)域進行作業(yè)，無需考慮地球曲率變化和非常準確的坐標信息。在Google Earth上采取航攝區(qū)域的角點坐標進行航線設(shè)計。

相對航高計算：航攝儀航高與焦距、單像元大小及分辨率有關(guān)，計算公式為：

H=分辨率×焦距/單像元大小其中，單像元大小、像幅和傳感器有關(guān)，在廠家出廠時已給定，計算公式為：

單像元大小=傳感器長邊（短邊）大小/傳感器長邊（短邊）像元個數(shù)

根據(jù)比例尺選擇合適的航向重疊及旁向重疊，并計算最低點的地面分辨率及最高點航向和旁向重疊度，以滿足測圖要求，攝區(qū)最高點重疊度計算公式為：

當攝區(qū)最小地面分辨率超出成圖要求的分辨率或當攝區(qū)最高點重疊度小于成圖要求時，必須更改地面分辨率，并對相對航高、最小地面分辨率和最高點重疊重新進行計算。當攝區(qū)最高點與最低點高差超過航高1/6時，應設(shè)立攝影分區(qū)。

根據(jù)航測范圍、航高、航向重疊、旁向重疊、基線長度及旁向間距，通過航線設(shè)計軟件，計算得到曝光點的坐標。

1）航線間隔計算。航線間隔是兩張相片中心的橫向距離，計算公式為：

L間=(1-K)×P×R旁式中，K為旁向重疊；P為地面分辨率；R旁為旁向間距長度。

2）基線長計算。航向兩張相片中心的縱向間距，計算公式為：

L基=(1-A)×P×R航式中，A為航向重疊；P為地面分辨率；R航為航向間距長度。

3）航攝飛行及質(zhì)量檢查。設(shè)計航線完成后，將所設(shè)計數(shù)據(jù)上載到飛控系統(tǒng)，并對無人機進行陀螺清零、水平設(shè)置、空速檢查、轉(zhuǎn)速檢查、GPS定位檢查、電池電量檢查及相機拍攝儲存檢查等操作。在獲取影像后，在現(xiàn)場對影像數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查，看影像是否發(fā)虛，是否被云霧覆蓋，命名是否正確，并將實際飛行坐標與曝光點坐標進行對比，看是否有明顯偏離航線的照片，對不合格的影像做好記錄，進行補飛或重飛。

4 影像處理

本文運用PixelGrid軟件對無人機獲取的圖像進行快速處理，以獲得較準確的高分辨率全覆蓋影像。首先進行影像畸變差改正，利用POS數(shù)據(jù)進行自動空三，在空三加密完成后提取影像中的特征點、特征線生成DEM；再利用生成的DEM數(shù)據(jù)進行數(shù)字微分糾正得到測區(qū)單幅正射影像；最后運用幾何方法定位拼接線，并進行圖像拼接，得到攝區(qū)全景影像（圖3）。

圖3 影像處理流程圖

5 無人機遙感系統(tǒng)在樟木應急中的應用

2015-04-25 14：11在尼泊爾發(fā)生8.1級地震，震中為博克拉。受地震影響，西藏樟木口岸附近震感強烈，引起部分房屋坍塌及道路損壞，同時由于地理位置原因，救災工作難度很大。由于天氣原因，衛(wèi)星遙感系統(tǒng)難以實時獲取災區(qū)影像，西藏自治區(qū)測繪局攜帶兩 架無人機進入災區(qū)，為相關(guān)救災部門快速提供災區(qū)影像圖，為抗震救災工作提供依據(jù)。此次航拍的相對航高為750 m，絕對航高為3 000 m，像元大小為6.4 um，焦距為24 mm，像幅大小為5 616 像元×3 744像元，影像分辨率為0.2 m，攝影基線長為280 m，航線間隔為700 m， 圖4為災區(qū)某地無人機航拍后制作的影像圖。

圖4 攝區(qū)全景圖

6 無人機其他應用

1）森林防火。林業(yè)是全國生態(tài)建設(shè)主體，在保持經(jīng)濟和社會發(fā)展中有著不可或缺的作用，如何運用高新技術(shù)對森林資源進行監(jiān)測，是一項迫在眉睫的重要課題。無人機通過配備彩色CCD任務載荷和紅外探測任務載荷對地面火災進行實時觀察，并將數(shù)據(jù)傳回地面，消防人員可在任何地方實時接收動態(tài)圖像和數(shù)據(jù)，了解火災情況，有效地組織人員進行撲救。

2）地質(zhì)災害勘察。我國地形地質(zhì)構(gòu)造復雜，是地質(zhì)災害較為嚴重的國家之一。隨著人們對地質(zhì)環(huán)境的強烈改造，使得地質(zhì)災害加劇，尤其是滑坡、泥石流、地面坍塌等。無人機遙感系統(tǒng)通過獲取影像數(shù)據(jù)，快速制作DEM和DOM等，為災情評估提供數(shù)據(jù)源，為政府決策提供依據(jù)，從而進行有效的搶險抗災救援。

3）堰塞湖災害評估。堰塞湖是在一定的地質(zhì)和地貌條件下，由于河谷岸坡在動力地質(zhì)作用下迅速產(chǎn)生崩塌、滑坡、泥石流以及冰川、融雪活動所產(chǎn)生的堆積物或火山噴發(fā)物等形成的自然堤壩橫向阻塞山谷、河谷或河床，導致上游段壅水而形成的湖泊。無人機遙感系統(tǒng)通過搭載的傳感器獲取高分辨率影像，建立三維動態(tài)影像；再根據(jù)堰塞湖體的回水位置確定其高程，結(jié)合地形圖數(shù)據(jù)，計算壩體位置水深；然后通過壩體前后的有水和無水位置，確定壩體高度，從而計算出堰塞湖的體積。堰塞湖的流域面積可通過地形圖量算，再配合水文和氣象資料，計算有關(guān)匯流及水位上漲信息。

7 結(jié) 語

無人機航測作為航空攝影測量的新型手段，能夠通過機載數(shù)碼相機快速獲取影像，但受自身條件限制，飛行穩(wěn)定性較差，導航精度不夠。PixelGrid軟件能進行影像快速處理和快速生成正射影像，但其只適用于旋偏角小、重疊度穩(wěn)定的航線解算，對于旋偏角大、航線不穩(wěn)定、重疊度小的影像解算較為困難。特別在高原應急時，由于受氣流、天氣影響及無人機的自身限制，還需進一步尋求更好的數(shù)據(jù)解算方法，提高應急響應能力。

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表4 不同衛(wèi)星系統(tǒng)測量結(jié)果與已知成果較差統(tǒng)計表/cm

3 結(jié) 語

從測試結(jié)果不難看出，區(qū)域北斗地基增強系統(tǒng)動態(tài)服務的內(nèi)、外符合精度均滿足《衛(wèi)星定位規(guī)范》的要求，單獨BDS指標略遜于單獨GPS和BDS+GPS組合，但完全滿足要求，BDS+GPS的優(yōu)異表現(xiàn)，體現(xiàn)了多系統(tǒng)多模融合技術(shù)的先進性。

隨著BDS的不斷發(fā)展和成熟，它將成為一個由35 顆衛(wèi)星、地面站和各類用戶終端構(gòu)成的大型航天系統(tǒng)，從以衛(wèi)星為核心向以系統(tǒng)為核心，從面向行業(yè)用戶向面向大眾用戶轉(zhuǎn)型，開啟我國航天事業(yè)的新征程，并將為維護我國國家安全、推動經(jīng)濟社會科技文化全面發(fā)展提供重要保障。

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第一作者簡介：謝玉兵，高級工程師，長期從事大地測量GNSS應用等工作。

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：B

：1672-4623（2016）11-0027-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.010

張潘，碩士，主要研究方向為攝影測量與遙感。

2015-06-01。

項目來源：西藏樟木口岸地震應急。