朱松ZHU Song；元鵬鵬YUAN Peng-peng

（①深圳大學(xué)自然資源部大灣區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測重點實驗室，深圳 518060；②深圳市智源空間創(chuàng)新科技有限公司，深圳 518057）

0 引言

無人機航攝遙感監(jiān)測技術(shù)可快速獲取生動直觀、現(xiàn)勢性強的高清地表影像和遙感數(shù)據(jù)，通過后期加工處理，可生成數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)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(shù)據(jù)產(chǎn)品，為解決城市發(fā)展過程中面臨的違法建筑查巡、海岸帶測繪、城市滑坡監(jiān)測、災(zāi)害災(zāi)情評估等難題提供有效工具和全新的技術(shù)手段。隨著無人機在續(xù)航時間、荷載、高精度定位定姿方面的技術(shù)突破，傳統(tǒng)消費級無人機將日益成為“全能選手”，其應(yīng)用場景必將從傳統(tǒng)航拍娛樂擴展到包括勘探測繪、環(huán)境保護、反恐維穩(wěn)、交通巡邏、應(yīng)急求援等諸多專業(yè)化領(lǐng)域。

1 低空無人機遙感技術(shù)

低空無人機遙感測繪技術(shù)和系統(tǒng)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(shù)據(jù)的融合處理等關(guān)鍵技術(shù)問題。

1.1 多傳感器集成時空同步關(guān)鍵技術(shù)

低空無人機遙感測繪技術(shù)和系統(tǒng)需要將成像傳感器、三維激光掃描設(shè)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(guān)鍵在于協(xié)調(diào)控制各個不同分辨率的傳感器，在統(tǒng)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(shù)據(jù)獲取的高頻率大數(shù)據(jù)量對同步控制提出更高的要求，直接關(guān)系到激光掃描能否在無人機高速移動過程中實現(xiàn)高精度的測量?？紤]到系統(tǒng)各傳感器按照各自的采樣間隔進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)聯(lián)系起來，首先需要統(tǒng)一時間尺度，然后將系統(tǒng)傳感器采集的數(shù)據(jù)建立在同一時間坐標軸上，以實現(xiàn)任意數(shù)據(jù)的集成處理。空間同步則是關(guān)系到多傳感器數(shù)據(jù)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(shù)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(chǔ)上利用多傳感器一致性協(xié)調(diào)控制同步技術(shù)。

1.2 無人機影像自動處理及變化檢測關(guān)鍵技術(shù)

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(xué)為基礎(chǔ)，通過無人機影像全自動構(gòu)建城市三維紋理模型。在此基礎(chǔ)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(jié)果產(chǎn)生干擾。通過將數(shù)字表面模型和數(shù)字正射影像圖進行融合，形成帶紋理的三維模型，然后構(gòu)建金字塔層次模型進行分頁調(diào)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(shù)據(jù)。

1.3 多源遙感數(shù)據(jù)融合處理關(guān)鍵技術(shù)

無人機遙感平臺獲取的數(shù)據(jù)具有多源、多尺度特性，需要解決多源遙感數(shù)據(jù)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(xué)影像與光譜影像的配準融合等，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)基于多源遙感數(shù)據(jù)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(jié)合同步的地面測量數(shù)據(jù)，同時獲取高精度、定量化的生化組分定量參數(shù)，輔以機載Lidar 數(shù)據(jù)獲取精確的生物參數(shù)、空間分布特征等數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)高精度、立體化監(jiān)測。

2 河流廊道生態(tài)線監(jiān)測應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

深圳境內(nèi)某河流干流全長40 余公里，但是由于流域城鎮(zhèn)無序蔓延，城市市政配套設(shè)施建設(shè)沒跟上城鎮(zhèn)建設(shè)速度，污水垃圾污物等不能及時處理，帶來了極為嚴重的環(huán)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(chǎn)生城市空氣污染。其次，由于流域內(nèi)不兼容的用地過分靠近，污染嚴重的工業(yè)區(qū)與居住區(qū)、商業(yè)區(qū)交錯混雜，工業(yè)包圍居住，使得居住區(qū)受噪音和空氣污染影響嚴重。城鎮(zhèn)建設(shè)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?yōu)榻ㄔO(shè)用地，工業(yè)用地沿河流分布，對水體污染嚴重。最后，由于城鎮(zhèn)過快蔓延侵占流域內(nèi)部的生態(tài)敏感區(qū)和生態(tài)廊道導(dǎo)致城市中自然資源迅速減少，生態(tài)系統(tǒng)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(shè)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(tài)控制線實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題并及時采取有效措施，加強河道兩岸生態(tài)綠地保護和建設(shè)，減少面源污染，防治水體富營養(yǎng)化，有效維持濱水生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，確保區(qū)域的用水安全，充分發(fā)揮河流流域的生態(tài)功能。

2.2 系統(tǒng)平臺構(gòu)架

無人機平臺遙感系統(tǒng)由地面部分、空中部分和數(shù)據(jù)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(tǒng)、航線規(guī)劃子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收實現(xiàn)顯示子系統(tǒng)，主要用于規(guī)劃飛行路徑、無人機通信、數(shù)據(jù)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(tǒng)以及遙感和中控子系統(tǒng)，一方面接收地面部分的指令信息，控制無人機按照預(yù)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(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理部分完成多源觀測數(shù)據(jù)的配準融合及數(shù)據(jù)處理。

系統(tǒng)以智能飛行平臺為基礎(chǔ)，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(chǔ)上，實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(gòu)成如圖1。

圖1 系統(tǒng)組成與構(gòu)架

在無人機遙感領(lǐng)域，成像設(shè)備的發(fā)展代表著無人機遙感技術(shù)發(fā)展的趨勢。目前搭載于無人機的成像傳感設(shè)備數(shù)以百計，包括可見光、近紅外、熱紅外、微波以及激光測量系統(tǒng)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?shù)膫鞲衅鹘M合，平衡任務(wù)需求和無人機載荷是無人機遙感優(yōu)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(yīng)用成果

通過無人機航拍監(jiān)測，一期在河流廊道區(qū)域內(nèi)選取全景點2 個，二期9 個，共11 個全景點，無人機航拍設(shè)備如圖2 示。經(jīng)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(shè)備圖

通過對無人機航拍監(jiān)測獲得的河流廊道兩期期土地利用分類結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域大部分地類未發(fā)生變化，只有少部分區(qū)域發(fā)生地類改變。通過兩期地類面積結(jié)果對比，可知該區(qū)域內(nèi)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(yè)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(qū)域內(nèi)，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(yè)廠房減少面積和其他建筑物減少面積。而河流廊道區(qū)域內(nèi)的生態(tài)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(tài)控制線兩期之間生態(tài)要素并沒有發(fā)生較大變動，生態(tài)控制線內(nèi)管理效果比較顯著。

表1 河流廊道變化區(qū)域面積統(tǒng)計表

圖3 顯示該區(qū)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(shù)對河流廊道進行監(jiān)測，我們發(fā)現(xiàn)，河流廊道期間共發(fā)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(tài)控制線的持續(xù)監(jiān)控將對保障深圳市生態(tài)安全、防止城市建設(shè)用地?zé)o序蔓延以及促進經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。

圖3 河流廊道典型變化區(qū)域監(jiān)測實例

3 發(fā)展

3.1 無人機多傳感器系統(tǒng)集成

利用飛控、傳感器、遙測遙控、通訊、及慣導(dǎo)/差分定位等技術(shù)實現(xiàn)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(lián)系的紐帶，將各傳感器數(shù)據(jù)在時間上對齊，實現(xiàn)各傳感器數(shù)據(jù)的同步，基于多傳感器集成平臺獲取多源數(shù)據(jù)，并根據(jù)傳感器定標、姿態(tài)參數(shù)、及氣象數(shù)據(jù)等，對數(shù)據(jù)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(tài)定位定姿），突破無人機小型化一體化集成和智能處理等關(guān)鍵技術(shù)，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(wù)于資源調(diào)查與環(huán)境監(jiān)測、交通安全與監(jiān)控、高精度高分辨率測繪、電力巡線、應(yīng)急指揮等領(lǐng)域。

3.3 基于多/高光譜傳感器的海岸帶濕地生態(tài)監(jiān)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(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)，通過研制系列化產(chǎn)品，可為資源環(huán)境、森林植被、海洋、水利遙感監(jiān)測提供高光譜遙感影像獲取平臺。利用無人機生態(tài)監(jiān)測的原理、技術(shù)和方法，可以開展生態(tài)監(jiān)測指標提取、動態(tài)變化檢測和健康評估分析工作，實現(xiàn)基于無人機的多/高光譜傳感器海岸帶濕地生態(tài)監(jiān)測應(yīng)用示范研究。

4 結(jié)語

業(yè)內(nèi)普遍認為，未來5 至10 年將是無人機行業(yè)應(yīng)用的黃金時代，僅國內(nèi)市場需求將高達1000 億元以上，開展無人機專業(yè)應(yīng)用研究在勘探測繪、環(huán)境保護等方面潛力巨大。開展新型傳感器集成及專業(yè)化應(yīng)用研發(fā)，實現(xiàn)核心技術(shù)突破，有利于解決面向行業(yè)應(yīng)用的實踐方案，并促進多傳感器集成的無人機遙感技術(shù)外推廣銷售，驗證總課題提出的無人機“創(chuàng)新鏈+產(chǎn)業(yè)鏈”生態(tài)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(chǎn)業(yè)優(yōu)勢、把握市場先機、搶占無人機產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的制高點。