劉永學

（江蘇省交通技師學院，江蘇鎮(zhèn)江，212000）

1 無人機遙感技術(shù)的優(yōu)點

1.1 易于獲取優(yōu)于高分辨率衛(wèi)星影像的圖像

采用高分辨率的數(shù)碼相機就可以進行影像數(shù)據(jù)的獲取，而且在影像數(shù)據(jù)或許環(huán)節(jié)中不需要專業(yè)的人員，通過簡單的操作就能完成所有影像的獲取。無人機遙感可獲取到超高分辨率數(shù)字影像和定位數(shù)據(jù)，可針對特殊監(jiān)測目標搭載全色波段、單波段、多波段等傳感器，也可以進行多角度攝影。

1.2 人力和硬件成本低

無人機飛行成本低，無人機遙感技術(shù)的成本非常低，整套設(shè)備就在10萬至100萬元左右。

1.3 靈活性高，安全性能好

無人機靈活性高，對起降地點沒有苛刻要求。無人機起飛和降落不需要專門的飛機跑道，可以在不同的環(huán)境下起飛，簡化了操作流程，并且可以在山地丘陵和城市地區(qū)完成飛行航拍工作，其飛行高度不需要得到空管部門的獲批，可以在任何時間地點完成影像資料的獲取。

1.4 受氣候條件影響小

無人機受外界環(huán)境影響小，只要不是在惡劣的雨雪天氣和大風天氣，無人機遙感技術(shù)都可以使用，可隨時進行二次測量。

2 無人機低空遙感技術(shù)的系統(tǒng)組成

無人機遙感系統(tǒng)主要包括飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 無人機遙感系統(tǒng)組成

2.1 飛行控制系統(tǒng)

無人機的運動完全依賴于控制系統(tǒng)。要獲得有效的遙感信息，就必須要求控制系統(tǒng)擁有高性能。為了滿足無人機遙感技術(shù)不斷復(fù)雜的要求，簡單的線性控制已不能滿足當前的應(yīng)用環(huán)境。一些基于非線性控制方法的控制系統(tǒng)逐漸成為相對較好的替代方法，它可以基本上解決經(jīng)典控制方法在多變量輸入輸出條件下的問題。研究表明，這些非線性控制方法解決了一定的問題，但也會有其他的不足。于是，一些專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法出現(xiàn)了，進一步改進了非線性控制方法。深度學習等人工智能算法的發(fā)展，為飛行控制提供了更有效的手段。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

各種類型的傳感系統(tǒng)已經(jīng)與無人機集成，以執(zhí)行不同類型的任務(wù)。最常用的傳感器包括高清相機、光探測和測距（LIDAR）、紅外相機和其他成像/測距系統(tǒng)。在本文中，我們將重點研究基于無人機的攝影測量系統(tǒng)和激光雷達系統(tǒng)。

基于無人機的攝影測量系統(tǒng)主要基于小型機載相機收集的圖像。它通常需要有測量位置的地面控制點(GCPs)，并可以借助已記錄的攝像機位置和方向?？梢酝ㄟ^直接或間接的地理參照來估計目標區(qū)域的3D點云。最常用的無人機地理定位解決方案之一是運動恢復(fù)結(jié)構(gòu)(SFM)。

可以將同一區(qū)域上的多個2D圖像進行組合，并在它們之間匹配點特征，這些圖像預(yù)計會有很大的重疊區(qū)域(～80%)。然后在相機幀中估計這些點的3D位置，用于形成3D模型或點云。然而，當使用小型商用無人機時，在世界坐標系(例如GPS坐標系)中，相機姿態(tài)(位置和方向)并不總是已知的。因此，用小型無人機用SFM創(chuàng)建的三維模型通常是無量綱的，不能直接作為地理參考。它需要更多的地面控制點來與世界坐標聯(lián)系起來。該模型的絕對精度取決于圖像處理質(zhì)量和地面控制點。

一些定制和商業(yè)現(xiàn)貨無人機能夠記錄飛行期間拍攝的每張圖像的相機位置和/或方向。在這種情況下，基于攝像頭的直接地理參考是可能的。它可以通過從單張圖像到已知表面的光線追蹤來實現(xiàn)。由于這種方法不需要地面控制，3D建模的精度主要由相機定時、方向和位置的精度決定。然而，不能攜帶高質(zhì)量導(dǎo)航傳感器的小型無人機不能用于直接地理定位。因此，直接地理定位尚未普遍用于低成本小型無人機。

SFM不需要先驗的相機位置和朝向，也不需要完整的相機標定模型。事實上，它們也可以作為SFM結(jié)果的一部分進行估計。然而，如果有這些項目的先驗估計，可以將其納入SFM軟件，以進一步提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量。SFM的核心算法通?；谑讲?，即使用多幅圖像進行三角剖分的過程。三角定位是SFM和直接地理定位系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。雖然有幾個專門的三角剖分軟件解決方案，但它通常是當今SFM商業(yè)軟件解決方案的一部分。

在一些更大尺寸的無人機上，照相機系統(tǒng)可以與直接測距傳感器結(jié)合，例如無人機LIDAR系統(tǒng)。LIDAR根據(jù)激光束的返回來感知到3D世界中一點的距離。由于光束將以LIDAR機身框架中指定的已知方向發(fā)送，因此可以直接在LIDAR機身框架中測量這一點的位置。激光雷達對自然光條件不太敏感，可能在禁止相機操作的操作條件下(如弱光)提供測量。機載LIDAR直接在傳感器坐標中測量點云，而不是在世界坐標中。通過了解LIDAR的精確位置和方向，將點云轉(zhuǎn)換為世界坐標系。目前可用的機載LIDAR傳感器仍然比一般相機更昂貴、更耗電、更重。機載或無人機LIDAR系統(tǒng)通常包括三種類型的傳感器：測距傳感器(2D掃描LIDAR、3D掃描LIDAR或3D成像儀)；定位傳感器，如全球定位系統(tǒng)(GPS)或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機；以及測量加速度和旋轉(zhuǎn)的慣性傳感器。這三個傳感器被集成到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和3D建模過程中，GNSS和慣性傳感器通常耦合在一起，以提供LIDAR的精確和平滑的姿態(tài)(位置和方向)和速度。GPS/GNSS同時負責其他傳感器的精確時間標記和同步是一種很好的做法。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

受無人機載荷的限制，應(yīng)盡可能減少數(shù)據(jù)存儲設(shè)備等設(shè)備。由于遙感信息中的數(shù)據(jù)量較大，需要有較高的數(shù)據(jù)傳輸速度和抗干擾性能，以保證數(shù)據(jù)的完整性。也就是說，無人機遙感必須選擇多條高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，才能實時、不間斷地傳輸數(shù)據(jù)，還要考慮數(shù)據(jù)的預(yù)處理和存儲，確保數(shù)據(jù)有效、完整。

2.4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

目前，無人機的遙感圖像處理主要是在獲取圖像后的地面系統(tǒng)中進行。由于無人機攜帶傳感器的范圍較廣，不同傳感器獲取的數(shù)據(jù)也不盡相同，目的也不盡相同。雖然單條圖像信息獲取有用數(shù)據(jù)，但圖像信息中的數(shù)據(jù)量大，相關(guān)性差。要解決這個問題，目前有研究探索將單個視覺傳感器與無人機姿態(tài)控制傳感器結(jié)合，獲取包含無人機實時姿態(tài)信息的圖像數(shù)據(jù)，這樣可以降低進一步處理圖像的難度。

3 無人機遙感系統(tǒng)用在高清地圖領(lǐng)域中的主要操作流程

無人機遙感通常空域申請便利，升空準備時間短，受氣象、起降場地限制較小，對區(qū)域地質(zhì)條件要求較低，其操作流程如圖2所示。規(guī)劃科學合理的工作流程，是確保無人機低空遙感調(diào)查任務(wù)成功的重要條件。

圖2 無人機遙感系統(tǒng)操作流程

3.1 任務(wù)分析

無人機遙感系統(tǒng)在接收到相關(guān)任務(wù)以后，需要先分析任務(wù)的實際情況，在核實好任務(wù)與目標以后，就要借助飛行平臺和遙感設(shè)備，核實相關(guān)工作的具體時間。對地面資料進行收集，結(jié)合野外勘探的方式，整合所有的數(shù)據(jù)。根據(jù)獲取的任務(wù)要求進行分析，圈定調(diào)查區(qū)域，了解任務(wù)區(qū)域的基本地理信息、天氣及航空管制情況，制定無人機飛行方案，確定無人機的起降點、航線、飛行高度和飛行架次等。

3.2 選擇起飛場地

到達飛行區(qū)域后，開展飛行準備工作，為無人機的順利起降及安全作業(yè)提供必要保障。在調(diào)查區(qū)域確定以后，選擇合適的無人機飛行平臺，在開辟的平地或者公路上進行無人機的起飛，保障設(shè)備和人員出于安全的情況下進行飛行工作，確保無人機順利的起飛與降落。針對飛行存在一定的不可預(yù)見性和安全隱患，在無人機試飛作業(yè)開展環(huán)節(jié)中，應(yīng)該合理地選擇起飛和降落場地，對起飛和降落場地進行勘察工作。無人機起飛和降落場地的要求不高，但是要著重考慮安全問題，有效地防止各類意外事故的發(fā)生。

3.3 檢查機載飛行控制系統(tǒng)

無人機飛行環(huán)節(jié)中，遙感設(shè)備裝置在其中，每個起飛和落地環(huán)節(jié)中都應(yīng)該對無人機的各個部件進行緊密的檢查和排查工作，確保機在儀器設(shè)備處于正常運行的情況，才能提升無人機遙感作業(yè)的成功率。

3.4 設(shè)計飛行方案

合理的起飛方案可以有效地減少無人機起飛的次數(shù)和時間，在對區(qū)域的位置和信息了解的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合飛行效率；在目標區(qū)域全面覆蓋的基礎(chǔ)上，有效地減少航路，從而全面地進行影像資料的獲取。航跡規(guī)劃軟件設(shè)計應(yīng)覆蓋整個研究區(qū)域的飛行軌跡，在航跡設(shè)計階段之前，操作員獲取了研究區(qū)域的估計坐標。在設(shè)計飛行路線之前，有一些工作參數(shù)需要明確。這些參數(shù)是建議的飛行高度、覆蓋研究區(qū)域、飛行任務(wù)期間將使用的相機焦距、所需的比例尺等。在飛行任務(wù)中，這些參數(shù)會影響圖像采集結(jié)果。在獲取某一高度的圖像之前，需要考慮圖像的像素大小，以便使用固定焦距來確定一幅圖像的大小。

航跡規(guī)劃軟件要求用戶輸入路徑點坐標，飛行設(shè)計是根據(jù)飛行任務(wù)中需要覆蓋的飛行高度和覆蓋區(qū)域進行的。隨后，導(dǎo)航文件通過無線調(diào)制解調(diào)器發(fā)送到飛行控制板。航跡規(guī)劃軟件可以監(jiān)控無人機在執(zhí)行飛行任務(wù)時的狀態(tài)、無人機高度、無人機姿態(tài)、電池狀態(tài)和無人機速度。在飛行任務(wù)中，無線調(diào)制解調(diào)器作為無人機與地面站監(jiān)控器之間通信的橋梁。操作員可以從地面站計算機監(jiān)視無人機活動，并為任何情況做好準備。發(fā)射和著陸操作由操作員手動控制，以防止無人機上的任何損壞，特別是在著陸操作期間。

3.5 數(shù)據(jù)處理

利用航空圖像處理的軟件（如Photomod攝影測量軟件）對無人機原始圖像進行處理。所有獲取的圖像都需要經(jīng)過所有的攝影測量操作，如內(nèi)部定位、外部定位、空中三角測量和束調(diào)整。內(nèi)部定位需要相機參數(shù)，而這些參數(shù)是從相機標定結(jié)果中獲得的。這些參數(shù)是焦距、x和y的主距離、鏡頭徑向畸變、鏡頭切向畸變和親和度。像素大小是內(nèi)部方位的重要輸入之一。這是因為像素大小可以決定圖像在地面上的地面覆蓋面積。外部朝向涉及圖像之間連接點和地面控制點的建立。結(jié)合點可以手動生成，也可以自動生成。手動編輯需要用戶集中注意力，以便在兩張圖像之間或在一個模型中定位點。用戶還可以使用自動聯(lián)系點生成，在模型中建立聯(lián)系點。自動聯(lián)系點生成使用圖像匹配相關(guān)算法來識別兩張圖像中相同的特征。但是，用戶需要在運行自動聯(lián)系點操作后，選擇好的聯(lián)系點，去除不好的聯(lián)系點。這一步需要控制最終結(jié)果的準確性。捆綁點負責定向，將所有圖像捆綁在條帶中，并將所有圖像安排得與飛行任務(wù)中相似。利用地面控制點將圖像投影到局部坐標中，采用實時動態(tài)全球定位系統(tǒng)(RTK-GPS)建立地面控制點。對外定位后進行空中三角測量，利用均方根方程分析空中三角測量的精度。攝影測量過程后產(chǎn)生的產(chǎn)品主要有兩種：數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像圖。

4 結(jié)語

隨著各種技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機的功能越來越強大，本文針對無人機遙感系統(tǒng)的子系統(tǒng)進行了分析。無人機遙感技術(shù)成為高清地圖繪制應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，可以提升地圖繪制的精確性和效率。隨著人工智能的不斷成熟，人工智能在無人機飛行控制和數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用將產(chǎn)生重大成果，進一步提高無人機遙感技術(shù)的效率和精度。因此在地圖繪制中，應(yīng)該充分結(jié)合無人機遙感技術(shù)，在確保地圖繪制精確性同時，提升作業(yè)效率。