無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)急服務(wù)保障中的應(yīng)用與前景

盧 俊

貴州省第一測(cè)繪院

1 引言

攝影測(cè)量和遙感技術(shù)開辟了人類對(duì)于世界的全新認(rèn)知，同時(shí)也為人們提供了多角度、宏觀尺寸的認(rèn)知支持。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展與普及對(duì)于整個(gè)測(cè)繪行業(yè)而言具備顯著的推動(dòng)作用，其可以有效地解決測(cè)繪發(fā)展中的瓶頸問題，可以有效提升測(cè)繪與應(yīng)急保障服務(wù)的綜合能力水平。伴隨著全球范圍內(nèi)無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的配備與推廣，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在提升測(cè)繪成果方面的優(yōu)勢(shì)非常顯著，其具備精細(xì)化作業(yè)、高效率反饋、靈活動(dòng)機(jī)以及作業(yè)成本低等優(yōu)勢(shì)，在小區(qū)域以及飛行難度較高的區(qū)域具備較高的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。對(duì)此，探討無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)急服務(wù)保障中的應(yīng)用具備顯著實(shí)踐性價(jià)值。

2 無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的特征

無人機(jī)因其具備快速地反應(yīng)能力，及在獲取區(qū)域高分辨率影像方面的明顯優(yōu)勢(shì)，是傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量的有力補(bǔ)充手段。其可以快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)地區(qū)的監(jiān)測(cè)調(diào)查功能，無人機(jī)航空攝影本身的分辨率相對(duì)比較高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一個(gè)地區(qū)或遭受災(zāi)害的區(qū)域以人為方式實(shí)現(xiàn)航拍控制，可以為災(zāi)情反饋、救援指導(dǎo)、災(zāi)情評(píng)估以及災(zāi)后重建等提供多方面的技術(shù)支持。

無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)自身的優(yōu)勢(shì)主要在于：（1）機(jī)動(dòng)靈活，反應(yīng)快。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)本身的運(yùn)輸便捷，對(duì)起飛降落場(chǎng)地的限制很小，同時(shí)升空前的準(zhǔn)備時(shí)間非常短，基本不會(huì)遭受天氣因素的影響，作業(yè)的方式靈活多變，可以為時(shí)間緊迫的動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)以及地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)害調(diào)查等工作提供可靠的支持，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果的反饋；（2）操作便捷性。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)定的飛行航線實(shí)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(duì)穩(wěn)定，飛行的高度在50m～4000m左右，速度在7km/h～160km/h左右，因?yàn)轱w行穩(wěn)定，所以可以適用于不同類型的遙感監(jiān)測(cè)任務(wù)；（3）高分辨率圖像獲取能力。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的高精度數(shù)碼成像設(shè)備帶有面積高覆蓋、垂直或傾斜進(jìn)行拍攝成像的功能，飛行高度相對(duì)比較低，其可以實(shí)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(shì)，尤其是在一些大比例尺的遙感項(xiàng)目中具備較高的應(yīng)用價(jià)值；（4）成本低，安全性好。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)比較低，維護(hù)難度比較簡(jiǎn)單，飛行操作人員的培訓(xùn)時(shí)間比較短，不需要申請(qǐng)空域便可以進(jìn)行航測(cè)（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為1km 及以上管制），所以整體運(yùn)營(yíng)成本比較低。由于沒有飛行員，能夠解決有危險(xiǎn)、地形復(fù)雜、不能通行等人工探測(cè)無法到達(dá)的區(qū)域的數(shù)據(jù)獲取問題，如通過無人機(jī)獲取困難山區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害后航空影像數(shù)據(jù)，可以避免人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。

3 無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展歷程

應(yīng)急服務(wù)保障工作中采用無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)具備較高的優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)的發(fā)展歷程方面，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要經(jīng)歷了全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、傾斜攝影及機(jī)載激光雷達(dá)航測(cè)等三個(gè)不同階段和應(yīng)用模式，不同階段的發(fā)展都是在技術(shù)層面上的一種跨越，應(yīng)用方向也得到了更大的拓展。

3.1 無人機(jī)全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)

無人機(jī)全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，是通過無人機(jī)飛行平臺(tái)搭載數(shù)碼相機(jī)和POS 系統(tǒng)，從而獲取地表影像和位置信息的技術(shù)。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(biāo)信息，INS是一種導(dǎo)航系統(tǒng)，可以測(cè)量出攝影機(jī)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(shí)記錄的航攝儀三維坐標(biāo)和姿態(tài)參數(shù)，經(jīng)過后期處理計(jì)算出每張航片的外方位元素，并加入少量的外業(yè)控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行空中三角測(cè)量。POS輔助空三技術(shù)在現(xiàn)階段數(shù)字航空攝影測(cè)量中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)的空三加密方法相比，它在一定程度上簡(jiǎn)化作業(yè)步驟，并能大大減少外業(yè)控制點(diǎn)的數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)因其可以快速生產(chǎn)3D（DOM、DSM、DLG）產(chǎn)品及數(shù)字三維模型的應(yīng)用最為廣泛，普及程度也比較高，其成果對(duì)于自然資源行業(yè)的不同領(lǐng)域中都有明顯的支持作用。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)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(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，通過從一個(gè)垂直、四個(gè)傾斜、五個(gè)不同的視角同步采集影像，獲取到豐富的建筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。它不僅能夠真實(shí)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(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，生成真實(shí)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(shí)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(shí)的視覺體驗(yàn)，可廣泛應(yīng)用于應(yīng)急指揮、國(guó)土安全、城市管理、房產(chǎn)稅收等行業(yè)。

3.3 無人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)

無人機(jī)搭載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)是一種主動(dòng)航空遙感裝置，是實(shí)現(xiàn)地面三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實(shí)現(xiàn)地物三維實(shí)時(shí)、變化、真實(shí)形態(tài)特性再現(xiàn)的一種國(guó)際領(lǐng)先的測(cè)繪高新技術(shù)，與傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)相比具有成果的整體精度與精細(xì)程度更高、可全天時(shí)全天候獲取數(shù)據(jù)、生產(chǎn)效率高能快速直接獲得DSM/DEM 等成果等優(yōu)勢(shì)。激光雷達(dá)技術(shù)最主要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是高密度、高精度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直接反映點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。通過自動(dòng)或人工交互處理，把人射到植被、房屋、建筑物等非地形目標(biāo)上的點(diǎn)云進(jìn)行分類、濾波或去除，然后構(gòu)建不規(guī)則二角網(wǎng)TIN，就可以快速提取DEM。由于激光點(diǎn)密度大，數(shù)目多，使得生產(chǎn)高精度、高分辨率的DEM 也成為可能，因此它是解決快速進(jìn)行DEM 數(shù)據(jù)采集的最有效方法，其產(chǎn)品精度甚至可以滿足多行業(yè)對(duì)高程的需求。機(jī)載激光雷達(dá)優(yōu)化技術(shù)提取的地面三維坐標(biāo)，滿足高精度影像微分糾正的需要，結(jié)合同時(shí)搭載數(shù)碼相機(jī)獲取的航空影像，使得數(shù)字正攝影像圖（DOM）的生產(chǎn)變得相當(dāng)容易，在應(yīng)急保障服務(wù)中能夠快速地得到地面三維信息和影像信息。

4 應(yīng)急響應(yīng)中的無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理流程

在應(yīng)急響應(yīng)的應(yīng)用中，影像數(shù)據(jù)的快速、高效處理至關(guān)重要，尤其是在災(zāi)情未知的情況下，進(jìn)入災(zāi)區(qū)進(jìn)行野外控制點(diǎn)測(cè)量既費(fèi)時(shí)又存在安全隱患，因此，利用POS數(shù)據(jù)輔助空中三角測(cè)量的方式，簡(jiǎn)化作業(yè)步驟，減弱空中三角測(cè)量對(duì)地面實(shí)測(cè)控制點(diǎn)的依賴，直接通過POS 數(shù)據(jù)中的GPS 信息對(duì)相對(duì)定向匹配得到的自由網(wǎng)進(jìn)行絕對(duì)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(cè)量及正射影像生產(chǎn)的基本流程包括資料分析、影像數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動(dòng)內(nèi)定向、相對(duì)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(duì)航空影像進(jìn)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(yīng)急響應(yīng)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(shù)，簡(jiǎn)化作業(yè)流程，提高生產(chǎn)效率，關(guān)鍵技術(shù)如下。

4.1 簡(jiǎn)化影像預(yù)處理步驟

在全自動(dòng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)中，畸變糾正和影像旋轉(zhuǎn)可在自動(dòng)內(nèi)定向時(shí)一步完成，簡(jiǎn)化影像預(yù)處理的步驟。另外，導(dǎo)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(cè)航帶間連接點(diǎn)等工作。

4.2 全自動(dòng)匹配連接點(diǎn)

對(duì)于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量，空三加密是通過計(jì)算機(jī)視覺，計(jì)算兩張相鄰影像的特征點(diǎn)，相鄰影像的同名像點(diǎn)根據(jù)算子（即算法原理）可計(jì)算出相同或相近的特征值，從而可以找到該同名像點(diǎn)，即完成連接點(diǎn)的匹配，將單張片子的影像通過這些連接點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)整體。圖像中的連接點(diǎn)是全自動(dòng)選取的，以實(shí)現(xiàn)測(cè)區(qū)的最優(yōu)化。

4.3 POS輔助高精度絕對(duì)定向平差

POS 輔助空三相對(duì)于常規(guī)空三的最大優(yōu)勢(shì)是可以減少了外業(yè)控制點(diǎn)的數(shù)量，甚至在無控制的情況下進(jìn)行空三加密，在絕對(duì)定向時(shí)使用少量控制點(diǎn)坐標(biāo)和POS 數(shù)據(jù)共同進(jìn)行平差計(jì)算，能夠有效提高區(qū)域網(wǎng)平差精度。POS 輔助空三在應(yīng)急保障中，受災(zāi)區(qū)域無法進(jìn)行像片控制點(diǎn)測(cè)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(zhǔn)的DTM匹配和處理

在全自動(dòng)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)中依據(jù)地形和比例尺設(shè)置適當(dāng)?shù)卦赬、Y步長(zhǎng)，并選擇適當(dāng)?shù)牡匦文Ｐ停詣?dòng)計(jì)算DSM點(diǎn)云。采用合適的濾波參數(shù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，過濾掉高層建筑物和植物頂端的點(diǎn)。利用濾波后的DEM 點(diǎn)云構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN。根據(jù)地形和比例尺設(shè)置DEM 單元格尺寸，通過TIN 內(nèi)插生成固定尺寸的規(guī)則格網(wǎng)DEM。為達(dá)到更好地影像糾正效果，應(yīng)對(duì)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(duì)影像進(jìn)行單片正射糾正，再將單片正射影像進(jìn)行鑲嵌。一般來說鑲嵌時(shí)軟件能自動(dòng)識(shí)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(cuò)位。檢查并修改拼接線，使影像接邊處過渡自然，無錯(cuò)位、無拉花等。

5 無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)急服務(wù)保障中的應(yīng)用

應(yīng)用航空遙感技術(shù)作為支持，地質(zhì)災(zāi)害可以實(shí)現(xiàn)快速解析、勘查工作，這也是無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用最終目標(biāo)[4]。地質(zhì)災(zāi)害影像中的受災(zāi)范圍及災(zāi)害信息的提取可以在數(shù)字正射影像基礎(chǔ)上借助常規(guī)遙感分類、人機(jī)交互半自動(dòng)提取的方式進(jìn)行。地質(zhì)災(zāi)害在發(fā)生之后可以在第一時(shí)間不考慮圖像的來源，而借助無控制影像拼接技術(shù)的方式獲得大面積的災(zāi)害后圖像，所以對(duì)于災(zāi)害情況的宏觀表現(xiàn)功能非常明顯[5]。也可進(jìn)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(cè)繪產(chǎn)品，能夠迅速了解災(zāi)情并獲取受災(zāi)地區(qū)詳細(xì)的地面三維信息，得到受災(zāi)區(qū)域更直觀的可視化效果，為救援隊(duì)伍提供精確、可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而為制定出及時(shí)有效地救援計(jì)劃、進(jìn)行合理的人員調(diào)度提供依據(jù)，指導(dǎo)應(yīng)急救災(zāi)，提高應(yīng)急測(cè)繪保障能力。

傳統(tǒng)航空攝影因飛行調(diào)度較高，必然會(huì)遭受地面天氣與云層的影響。而無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用在云層的下方，在多云、多霧的天氣環(huán)境下也可以實(shí)現(xiàn)攝影拍攝。目前來看，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用主要在于下面幾種：（1）災(zāi)害事件和災(zāi)情監(jiān)測(cè)。因?yàn)樘鞖庥绊懕容^小，所以可以在森林火災(zāi)、冰雪災(zāi)害、地震、洪澇、核電站相關(guān)險(xiǎn)情等多方面的應(yīng)用，尤其在地震災(zāi)害中，因地震的影響，導(dǎo)致無線電與微波通訊系統(tǒng)遭受干擾，此時(shí)電磁波的形成會(huì)對(duì)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(dǎo)致有人駕駛飛行器很難準(zhǔn)確地獲取地面的信息。想要及時(shí)獲得航天遙感數(shù)據(jù)信息，就必須借助無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行攝像，并且借助無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)不會(huì)涉及人員傷亡的風(fēng)險(xiǎn)；（2）高時(shí)效性的資源監(jiān)測(cè)任務(wù)。傳統(tǒng)的資源監(jiān)測(cè)任務(wù)主要是獲得資源的位置與數(shù)量，目前資源監(jiān)測(cè)已經(jīng)從資源的動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)方面得到了明顯的改變，無人機(jī)本身具備高時(shí)效性的特征，其可以第一時(shí)間獲得資源的變化情況，并在后續(xù)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中持續(xù)便捷的獲取變化數(shù)據(jù)；（3）數(shù)字城市建設(shè)。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用屬于數(shù)字城市建設(shè)的關(guān)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(shù)已經(jīng)比較成熟，但是并不能達(dá)到“想要就有”的服務(wù)要求。對(duì)此，便可以借助無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)，借助低空飛行與拍攝技術(shù)方式，采用合適的相機(jī)并調(diào)整飛行參數(shù)，盡可能減少無人機(jī)拍攝時(shí)的像幅、基高比等問題，從而達(dá)到高分辨率的攝影，可以更好地滿足數(shù)字城市的建設(shè)需求；（4）國(guó)土資源監(jiān)測(cè)。目前國(guó)土資源監(jiān)測(cè)屬于無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的重要應(yīng)用途徑，其主要是對(duì)土地資源、建筑資源等方面的信息變化記錄，借助實(shí)時(shí)且快速地方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集。針對(duì)重點(diǎn)的地區(qū)與熱點(diǎn)地區(qū)可以借助滾動(dòng)式的循環(huán)監(jiān)測(cè)技術(shù)方式，可以對(duì)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(shí)性的發(fā)現(xiàn)并快速制止。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在接到任務(wù)之后可以在短時(shí)間內(nèi)出發(fā)，即使是再惡劣的環(huán)境與條件都可以在30min 內(nèi)便可以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)，監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)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(shù)性的支持，這也是無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)所具備的突出優(yōu)勢(shì)之一。

6 總結(jié)

綜上所述，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用可以為應(yīng)急服務(wù)保障工作提供可靠的支持，可以確保整體工作效率、準(zhǔn)確性以及成本效益等保持最佳化水平。相對(duì)于傳統(tǒng)的攝影技術(shù)而言，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)具備許多傳統(tǒng)技術(shù)不具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)幾乎所有環(huán)境、所有地區(qū)的攝影，使用方式便捷，結(jié)果精確度較高，攝影與數(shù)據(jù)處理的效率高，可以有效應(yīng)用于應(yīng)急服務(wù)保障工作，整體推廣價(jià)值較高。