盧 俊

貴州省第一測繪院

1 引言

攝影測量和遙感技術開辟了人類對于世界的全新認知，同時也為人們提供了多角度、宏觀尺寸的認知支持。無人機航測系統(tǒng)的發(fā)展與普及對于整個測繪行業(yè)而言具備顯著的推動作用，其可以有效地解決測繪發(fā)展中的瓶頸問題，可以有效提升測繪與應急保障服務的綜合能力水平。伴隨著全球范圍內無人機航測系統(tǒng)的配備與推廣，無人機航測系統(tǒng)在提升測繪成果方面的優(yōu)勢非常顯著，其具備精細化作業(yè)、高效率反饋、靈活動機以及作業(yè)成本低等優(yōu)勢，在小區(qū)域以及飛行難度較高的區(qū)域具備較高的應用優(yōu)勢。對此，探討無人機航測系統(tǒng)在應急服務保障中的應用具備顯著實踐性價值。

2 無人機航測系統(tǒng)的特征

無人機因其具備快速地反應能力，及在獲取區(qū)域高分辨率影像方面的明顯優(yōu)勢，是傳統(tǒng)航空攝影測量的有力補充手段。其可以快速地實現(xiàn)對某個地區(qū)的監(jiān)測調查功能，無人機航空攝影本身的分辨率相對比較高，可以實現(xiàn)對某一個地區(qū)或遭受災害的區(qū)域以人為方式實現(xiàn)航拍控制，可以為災情反饋、救援指導、災情評估以及災后重建等提供多方面的技術支持。

無人機航測系統(tǒng)自身的優(yōu)勢主要在于：（1）機動靈活，反應快。無人機航測系統(tǒng)本身的運輸便捷，對起飛降落場地的限制很小，同時升空前的準備時間非常短，基本不會遭受天氣因素的影響，作業(yè)的方式靈活多變，可以為時間緊迫的動態(tài)化監(jiān)測以及地質災害的災害調查等工作提供可靠的支持，可以在短時間內實現(xiàn)遙感監(jiān)測結果的反饋；（2）操作便捷性。無人機航測系統(tǒng)可以根據(jù)預定的飛行航線實現(xiàn)自主性的飛行，航線本身的精度控制水平較高，飛行過程中的姿態(tài)相對穩(wěn)定，飛行的高度在50m～4000m左右，速度在7km/h～160km/h左右，因為飛行穩(wěn)定，所以可以適用于不同類型的遙感監(jiān)測任務；（3）高分辨率圖像獲取能力。無人機航測系統(tǒng)的高精度數(shù)碼成像設備帶有面積高覆蓋、垂直或傾斜進行拍攝成像的功能，飛行高度相對比較低，其可以實現(xiàn)大比例尺的高分辨率攝影，可以在局部信息方面表現(xiàn)出非常突出的影像攝像優(yōu)勢，尤其是在一些大比例尺的遙感項目中具備較高的應用價值；（4）成本低，安全性好。無人機航測系統(tǒng)的運營成本相對比較低，維護難度比較簡單，飛行操作人員的培訓時間比較短，不需要申請空域便可以進行航測（國家標準為1km 及以上管制），所以整體運營成本比較低。由于沒有飛行員，能夠解決有危險、地形復雜、不能通行等人工探測無法到達的區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取問題，如通過無人機獲取困難山區(qū)、地質災害后航空影像數(shù)據(jù)，可以避免人員傷亡的風險。

3 無人機航測系統(tǒng)的發(fā)展歷程

應急服務保障工作中采用無人機航測系統(tǒng)具備較高的優(yōu)勢，在技術的發(fā)展歷程方面，無人機航測系統(tǒng)主要經(jīng)歷了全數(shù)字攝影測量、傾斜攝影及機載激光雷達航測等三個不同階段和應用模式，不同階段的發(fā)展都是在技術層面上的一種跨越，應用方向也得到了更大的拓展。

3.1 無人機全數(shù)字攝影測量技術

無人機全數(shù)字攝影測量技術，是通過無人機飛行平臺搭載數(shù)碼相機和POS 系統(tǒng)，從而獲取地表影像和位置信息的技術。POS系統(tǒng)是一種GPS和INS的組合系統(tǒng)，其中GPS能提供精確的三維坐標信息，INS是一種導航系統(tǒng)，可以測量出攝影機的位置、速度、航向以及姿態(tài)，從而獲得角元素值。利用POS系統(tǒng)同時記錄的航攝儀三維坐標和姿態(tài)參數(shù)，經(jīng)過后期處理計算出每張航片的外方位元素，并加入少量的外業(yè)控制點坐標進行空中三角測量。POS輔助空三技術在現(xiàn)階段數(shù)字航空攝影測量中已經(jīng)得到廣泛應用，與傳統(tǒng)的空三加密方法相比，它在一定程度上簡化作業(yè)步驟，并能大大減少外業(yè)控制點的數(shù)量，提高了生產效率，節(jié)約了生產成本。全數(shù)字攝影測量技術因其可以快速生產3D（DOM、DSM、DLG）產品及數(shù)字三維模型的應用最為廣泛，普及程度也比較高，其成果對于自然資源行業(yè)的不同領域中都有明顯的支持作用。

3.2 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術顛覆了以往正攝航空攝影只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，通過從一個垂直、四個傾斜、五個不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，還可通過先進的定位、融合、建模等技術，生成真實的三維城市模型及真正射影像，能得到符合人眼視覺的真實直觀世界。由于傾斜影像為用戶提供了更精確的地理信息、更豐富的影像信息，更直觀真實的視覺體驗，可廣泛應用于應急指揮、國土安全、城市管理、房產稅收等行業(yè)。

3.3 無人機激光雷達測量技術

無人機搭載激光雷達測量系統(tǒng)是一種主動航空遙感裝置，是實現(xiàn)地面三維坐標和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實現(xiàn)地物三維實時、變化、真實形態(tài)特性再現(xiàn)的一種國際領先的測繪高新技術，與傳統(tǒng)航測技術相比具有成果的整體精度與精細程度更高、可全天時全天候獲取數(shù)據(jù)、生產效率高能快速直接獲得DSM/DEM 等成果等優(yōu)勢。激光雷達技術最主要的數(shù)據(jù)產品是高密度、高精度的激光點云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直接反映點位的三維坐標。通過自動或人工交互處理，把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目標上的點云進行分類、濾波或去除，然后構建不規(guī)則二角網(wǎng)TIN，就可以快速提取DEM。由于激光點密度大，數(shù)目多，使得生產高精度、高分辨率的DEM 也成為可能，因此它是解決快速進行DEM 數(shù)據(jù)采集的最有效方法，其產品精度甚至可以滿足多行業(yè)對高程的需求。機載激光雷達優(yōu)化技術提取的地面三維坐標，滿足高精度影像微分糾正的需要，結合同時搭載數(shù)碼相機獲取的航空影像，使得數(shù)字正攝影像圖（DOM）的生產變得相當容易，在應急保障服務中能夠快速地得到地面三維信息和影像信息。

4 應急響應中的無人機航測數(shù)據(jù)處理流程

在應急響應的應用中，影像數(shù)據(jù)的快速、高效處理至關重要，尤其是在災情未知的情況下，進入災區(qū)進行野外控制點測量既費時又存在安全隱患，因此，利用POS數(shù)據(jù)輔助空中三角測量的方式，簡化作業(yè)步驟，減弱空中三角測量對地面實測控制點的依賴，直接通過POS 數(shù)據(jù)中的GPS 信息對相對定向匹配得到的自由網(wǎng)進行絕對定向，從而得到空三加密和正射影像等成果。

傳統(tǒng)空中三角測量及正射影像生產的基本流程包括資料分析、影像數(shù)據(jù)預處理、自動內定向、相對定向匹配、區(qū)域網(wǎng)平差等步驟，之后再利用空三加密定向成果及高精度匹配編輯獲取到的數(shù)字高程模型(DEM)，對航空影像進行數(shù)字微分糾正，再經(jīng)鑲嵌、剪切得到數(shù)字正射影像成果數(shù)據(jù)。而在應急響應中，為了快速完成空三加密得到正射影像，可利用POS數(shù)據(jù)輔助空三技術，簡化作業(yè)流程，提高生產效率，關鍵技術如下。

4.1 簡化影像預處理步驟

在全自動數(shù)字攝影測量系統(tǒng)中，畸變糾正和影像旋轉可在自動內定向時一步完成，簡化影像預處理的步驟。另外，導入POS 數(shù)據(jù)，可根據(jù)POS 數(shù)據(jù)劃分航帶、排列影像，減少常規(guī)空三加密中航線劃分、量測航帶間連接點等工作。

4.2 全自動匹配連接點

對于數(shù)字攝影測量，空三加密是通過計算機視覺，計算兩張相鄰影像的特征點，相鄰影像的同名像點根據(jù)算子（即算法原理）可計算出相同或相近的特征值，從而可以找到該同名像點，即完成連接點的匹配，將單張片子的影像通過這些連接點構成一個整體。圖像中的連接點是全自動選取的，以實現(xiàn)測區(qū)的最優(yōu)化。

4.3 POS輔助高精度絕對定向平差

POS 輔助空三相對于常規(guī)空三的最大優(yōu)勢是可以減少了外業(yè)控制點的數(shù)量，甚至在無控制的情況下進行空三加密，在絕對定向時使用少量控制點坐標和POS 數(shù)據(jù)共同進行平差計算，能夠有效提高區(qū)域網(wǎng)平差精度。POS 輔助空三在應急保障中，受災區(qū)域無法進行像片控制點測量的情況以及自然環(huán)境條件惡劣的特殊困難地區(qū)，如高海拔山區(qū)、沙漠戈壁、高密度林區(qū)、大面積水域等尤為適用。

4.4 高效、精準的DTM匹配和處理

在全自動數(shù)字攝影測量系統(tǒng)中依據(jù)地形和比例尺設置適當?shù)卦赬、Y步長，并選擇適當?shù)牡匦文Ｐ停詣佑嬎鉊SM點云。采用合適的濾波參數(shù)，對點云數(shù)據(jù)進行濾波處理，過濾掉高層建筑物和植物頂端的點。利用濾波后的DEM 點云構建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN。根據(jù)地形和比例尺設置DEM 單元格尺寸，通過TIN 內插生成固定尺寸的規(guī)則格網(wǎng)DEM。為達到更好地影像糾正效果，應對DEM做平滑濾波處理。

4.5 DOM糾正以及鑲嵌裁切

利用經(jīng)過平滑處理的DEM對影像進行單片正射糾正，再將單片正射影像進行鑲嵌。一般來說鑲嵌時軟件能自動識別并繞開人工地物，但仍有部分高架橋、高層房屋等未能避免，造成影像拼接錯位。檢查并修改拼接線，使影像接邊處過渡自然，無錯位、無拉花等。

5 無人機航測系統(tǒng)在應急服務保障中的應用

應用航空遙感技術作為支持，地質災害可以實現(xiàn)快速解析、勘查工作，這也是無人機航測系統(tǒng)的應用最終目標[4]。地質災害影像中的受災范圍及災害信息的提取可以在數(shù)字正射影像基礎上借助常規(guī)遙感分類、人機交互半自動提取的方式進行。地質災害在發(fā)生之后可以在第一時間不考慮圖像的來源，而借助無控制影像拼接技術的方式獲得大面積的災害后圖像，所以對于災害情況的宏觀表現(xiàn)功能非常明顯[5]。也可進行無像控空三加密，快速匹配生成DEM、正射影像、三維景觀圖等測繪產品，能夠迅速了解災情并獲取受災地區(qū)詳細的地面三維信息，得到受災區(qū)域更直觀的可視化效果，為救援隊伍提供精確、可靠的測量數(shù)據(jù)，從而為制定出及時有效地救援計劃、進行合理的人員調度提供依據(jù)，指導應急救災，提高應急測繪保障能力。

傳統(tǒng)航空攝影因飛行調度較高，必然會遭受地面天氣與云層的影響。而無人機航測系統(tǒng)的應用在云層的下方，在多云、多霧的天氣環(huán)境下也可以實現(xiàn)攝影拍攝。目前來看，無人機航測系統(tǒng)的應用主要在于下面幾種：（1）災害事件和災情監(jiān)測。因為天氣影響比較小，所以可以在森林火災、冰雪災害、地震、洪澇、核電站相關險情等多方面的應用，尤其在地震災害中，因地震的影響，導致無線電與微波通訊系統(tǒng)遭受干擾，此時電磁波的形成會對飛行儀表形成比較突出的影響，再加上天氣環(huán)境以及地形地貌的特殊性，導致有人駕駛飛行器很難準確地獲取地面的信息。想要及時獲得航天遙感數(shù)據(jù)信息，就必須借助無人機航測系統(tǒng)進行攝像，并且借助無人機航測系統(tǒng)不會涉及人員傷亡的風險；（2）高時效性的資源監(jiān)測任務。傳統(tǒng)的資源監(jiān)測任務主要是獲得資源的位置與數(shù)量，目前資源監(jiān)測已經(jīng)從資源的動態(tài)化監(jiān)測方面得到了明顯的改變，無人機本身具備高時效性的特征，其可以第一時間獲得資源的變化情況，并在后續(xù)的長期監(jiān)測中持續(xù)便捷的獲取變化數(shù)據(jù)；（3）數(shù)字城市建設。無人機航測系統(tǒng)的應用屬于數(shù)字城市建設的關鍵性環(huán)節(jié)[6]。雖然衛(wèi)星遙感與有人駕駛飛行器這一種普通航空遙感技術已經(jīng)比較成熟，但是并不能達到“想要就有”的服務要求。對此，便可以借助無人機航測系統(tǒng)，借助低空飛行與拍攝技術方式，采用合適的相機并調整飛行參數(shù)，盡可能減少無人機拍攝時的像幅、基高比等問題，從而達到高分辨率的攝影，可以更好地滿足數(shù)字城市的建設需求；（4）國土資源監(jiān)測。目前國土資源監(jiān)測屬于無人機航測系統(tǒng)的重要應用途徑，其主要是對土地資源、建筑資源等方面的信息變化記錄，借助實時且快速地方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集。針對重點的地區(qū)與熱點地區(qū)可以借助滾動式的循環(huán)監(jiān)測技術方式，可以對違規(guī)違法的用地行為、濫用耕地、非法開采礦山以及生態(tài)環(huán)境破壞等多種行為做到及時性的發(fā)現(xiàn)并快速制止。無人機航測系統(tǒng)在接到任務之后可以在短時間內出發(fā)，即使是再惡劣的環(huán)境與條件都可以在30min 內便可以達到現(xiàn)場，監(jiān)測的實時性較高，可以更好地為監(jiān)察部門開展違法行為監(jiān)察工作提供技術性的支持，這也是無人機航測系統(tǒng)所具備的突出優(yōu)勢之一。

6 總結

綜上所述，無人機航測系統(tǒng)的應用可以為應急服務保障工作提供可靠的支持，可以確保整體工作效率、準確性以及成本效益等保持最佳化水平。相對于傳統(tǒng)的攝影技術而言，無人機航測系統(tǒng)具備許多傳統(tǒng)技術不具備的技術優(yōu)勢，其可以實現(xiàn)對幾乎所有環(huán)境、所有地區(qū)的攝影，使用方式便捷，結果精確度較高，攝影與數(shù)據(jù)處理的效率高，可以有效應用于應急服務保障工作，整體推廣價值較高。