無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在測(cè)繪測(cè)量中的應(yīng)用

吳昌程

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司，南昌 330000）

1 引言

當(dāng)前，無人機(jī)遙感測(cè)繪已逐步從研究開發(fā)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，成為未來一段時(shí)期主要的測(cè)繪測(cè)量技術(shù)。因無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)具有快速、經(jīng)濟(jì)、機(jī)動(dòng)等優(yōu)良特點(diǎn)，可以在一定程度上彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感測(cè)繪數(shù)據(jù)獲取能力不足、回訪慢、現(xiàn)勢(shì)性差等缺陷，現(xiàn)已成為全球測(cè)繪測(cè)量領(lǐng)域爭相應(yīng)用的熱門技術(shù)。因此，探究無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在測(cè)量測(cè)繪中的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

2 無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)概述

無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)是現(xiàn)代化無人駕駛飛行器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)的集成，可以快速、自動(dòng)獲取國土、環(huán)境、資源等空間遙感信息，并智能處理遙感數(shù)據(jù)。無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)中的無人機(jī)本質(zhì)上是依托機(jī)載計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)（或無線電遙控設(shè)備）操控的不載人飛行器，具有使用成本低、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)[1]。而以無人機(jī)為空中平臺(tái)，可與遙感傳感器之間進(jìn)行信息交互，為一定精度的圖像繪制提供依據(jù)。

3 無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在測(cè)繪測(cè)量中的作用

3.1 提高確權(quán)測(cè)量效率

以往土地確權(quán)測(cè)量是借助地面工程實(shí)地踏勘或者載人飛機(jī)航測(cè)的方式，具有執(zhí)行不便、成本高昂、效率低等問題。而利用無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)可以降低土地確權(quán)測(cè)量的成本，提高土地確權(quán)測(cè)量精確度與自動(dòng)化程度。特別是在農(nóng)村集體土地登記確權(quán)發(fā)證時(shí)，借助無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)可以對(duì)農(nóng)村集體土地范圍內(nèi)大面積土地拍攝影像，獲得高精確度地表三維數(shù)據(jù)后，經(jīng)協(xié)同作業(yè)開展三維建模，完成大比例尺地形圖繪制，為農(nóng)村集體土地所有權(quán)確權(quán)登記工作的高效率開展提供支持[2]。

3.2 滿足城市規(guī)劃要求

城市基本地形圖是城市管理規(guī)劃的基礎(chǔ)，在城市建設(shè)、規(guī)劃、交通管理中發(fā)揮著日益突出的效用。在城市規(guī)劃對(duì)基礎(chǔ)地理信息資料覆蓋率、準(zhǔn)確性日益提高的背景下，利用無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)，可以適應(yīng)城市管理規(guī)劃測(cè)繪發(fā)展方向，快速、高效獲取高分辨率、高精度的影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行城市大比例尺地形圖航空測(cè)量，滿足城市規(guī)劃要求[3]。

3.3 提高堆體測(cè)量精度

堆體測(cè)繪測(cè)量范圍較為廣泛，涉及建筑工程土堆計(jì)量、礦山工程巖堆計(jì)量、港口碼頭散裝貨物估算等。傳統(tǒng)堆體測(cè)量技術(shù)主要依靠盤煤儀或全站儀、GPS 測(cè)量儀等儀器，雖然在一定程度上提高了堆體測(cè)量效率，但是仍然存在測(cè)量精度不足問題。而利用無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)，可以利用無人機(jī)拍攝工程堆體影片，在無人直升機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)內(nèi)輸出激光雷達(dá)測(cè)繪成果圖，滿足堆體高精度測(cè)量要求。

3.4 提高水利測(cè)量效率

水利測(cè)量是無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域。較之傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)、無人船監(jiān)測(cè)技術(shù)而言，無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)不需消耗大量人力物力，可以有效縮短水利測(cè)量周期，為水利測(cè)量自動(dòng)化、現(xiàn)代化、信息化的實(shí)現(xiàn)提供支持。特別是多旋翼無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，可以搭載盛水容器、抽水裝置，精準(zhǔn)匹配位置信息點(diǎn)取水，滿足水域動(dòng)態(tài)高效測(cè)量要求。

4 無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在測(cè)繪測(cè)量中的應(yīng)用

4.1 土地確權(quán)測(cè)量

為解決土地確權(quán)測(cè)量中分辨率低、精度低、無法達(dá)到工作底圖標(biāo)準(zhǔn)等問題，可以利用無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)。常用測(cè)繪無人機(jī)需具備分辨率為5 cm 的全覆蓋航拍要求，提前選取地面控制點(diǎn)，完成正射糾正，為影像幾何精度提升提供依據(jù)。最終在遙感測(cè)繪軟件內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速檢查，確認(rèn)無誤后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，制作精度較高的1∶500（或1∶1 000、1∶2 000）的大比例尺正射影像圖[4]。

在無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用于土地確權(quán)測(cè)量前，應(yīng)查看天氣情況，避開霧霾、雨雪、大風(fēng)等不宜飛行的惡劣天氣。在適宜的天氣，攜帶計(jì)算機(jī)、無人機(jī)等設(shè)備趕赴土地確權(quán)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，選擇能見度佳、平坦、無高壓線且無高層建筑、無高山密林的場(chǎng)地，規(guī)劃無人機(jī)飛行航線、重疊度、高度與飛行架次。同時(shí)，測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速、風(fēng)向，為無人機(jī)逆風(fēng)起升下降提供依據(jù)。準(zhǔn)備完畢后，取出一體化設(shè)計(jì)的無人機(jī)平臺(tái)，安裝電池、電臺(tái)。確認(rèn)無人機(jī)相機(jī)拍照與GPS 定位功能正常，且無人機(jī)起升下降點(diǎn)選擇、航線規(guī)劃無誤后，在手動(dòng)模式下根據(jù)飛行控制系統(tǒng)指令操作各舵面，確定機(jī)頭、機(jī)身、尾翼可以按照指令操作，飛行航線可以正常上傳到飛行控制系統(tǒng)。隨后，解鎖隨單手舉起無人機(jī)迎風(fēng)拋出，逆風(fēng)起飛無人機(jī)，在飛行的同時(shí)進(jìn)行長5 km的監(jiān)控，記錄當(dāng)日起升與下降架次、航拍情況，主要檢測(cè)參數(shù)為飛行軌跡、航高、航速、地速、空速、電量以及電壓。

按照規(guī)劃航線起飛完畢后，降落到前期設(shè)定降落點(diǎn)，在降落到距離地面30 m 時(shí)進(jìn)行首次螺旋槳反轉(zhuǎn)減速，在降落到距離地面5 m 高度時(shí)進(jìn)行第二次螺旋槳發(fā)展減速，最終無人機(jī)機(jī)腹擦地降落。降落后，下載像片數(shù)據(jù)，檢查像片數(shù)據(jù)質(zhì)量，結(jié)合壓線率、姿態(tài)角判斷是否需要再次起飛。確認(rèn)無誤后，繼續(xù)進(jìn)入其他區(qū)域完成航拍任務(wù)，理論上一個(gè)起升下降點(diǎn)飛行控制范圍為300 km2。若需更換飛行區(qū)域，則進(jìn)行無人機(jī)體內(nèi)電子磁羅盤校準(zhǔn)[5]。校準(zhǔn)后，以軸向?yàn)槊闇?zhǔn)目標(biāo)，將無人機(jī)機(jī)頭指向北方，繞俯仰軸旋轉(zhuǎn)到水平，進(jìn)而將無人機(jī)旋轉(zhuǎn)90°，最終繞橫滾軸旋轉(zhuǎn)到水平。全部航拍任務(wù)完成后，利用遙感軟件進(jìn)行影片處理，包括空中三角加密測(cè)量、微分糾正、勻光勻色處理等，對(duì)圖形中水系、居民住房、土質(zhì)、道路等屬性信息進(jìn)行糾正，確保整個(gè)測(cè)區(qū)像片色調(diào)一致、顏色均勻后，繪制高精度、準(zhǔn)確定位、強(qiáng)解譯的大比例尺三維正射影像（或DEM、三維傾斜影像、三維地表模型）繪制，為土地確權(quán)工作開展提供依據(jù)。

4.2 城市規(guī)劃測(cè)繪

根據(jù)無人機(jī)遙感技術(shù)快速、準(zhǔn)確、影像分辨率高、成本低、時(shí)效性強(qiáng)的優(yōu)良特點(diǎn)，可以將其應(yīng)用于城市綠地測(cè)繪中。在城市綠地測(cè)繪前，需提前準(zhǔn)備最大起飛質(zhì)量為3 kg、機(jī)長0.9 m、機(jī)翼展開1.5 m 的電動(dòng)型測(cè)繪無人機(jī)，飛行高度為500 m，巡航速度為80 km/h，發(fā)射方式為自動(dòng)彈射起飛，配備地面遙控系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)（焦距長125 mm，電荷耦合器件尺寸為4.75 μm，空間分辨率為0.11 m）與導(dǎo)航儀。

在無人機(jī)平臺(tái)設(shè)置完畢后，設(shè)計(jì)航高一定的若干條航線，每一條航線長度均相同，航向重疊度、旁向重疊度分別為80%、60%，單張影片（紅、綠、藍(lán)3 個(gè)波段）覆蓋面積為0.2 km2。在不考慮大氣因素影響的情況下，利用PixelGrid-UAV 無人機(jī)航空影像處理軟件，進(jìn)行影像畸變差糾正、空中三角工程創(chuàng)建、構(gòu)建測(cè)區(qū)自由網(wǎng)、空中三角平差解算，最終輸出DEM 或者DOM 影像。因無人機(jī)遙感影像為無人機(jī)飛行過程相機(jī)拍攝的單幅影像，無法直接應(yīng)用于城市規(guī)劃測(cè)繪，需要對(duì)影像進(jìn)行正射校正后拼接成圖。正射校正期間，根據(jù)無人機(jī)飛行姿態(tài)穩(wěn)定度不佳的特點(diǎn)，先去除姿態(tài)角超標(biāo)、重疊度不佳、成像效果不佳以及俯仰角、側(cè)滾角超出3°的影像。進(jìn)而針對(duì)非量測(cè)型普通數(shù)碼相機(jī)像主點(diǎn)偏移與鏡頭畸變導(dǎo)致的邊緣畸變問題，輸入相機(jī)參數(shù)文件，完成畸變差校正[6]。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際影片重疊方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)后，根據(jù)無人機(jī)飛行階段俯仰、側(cè)滾、航偏等姿態(tài)變化，利用全球定位系統(tǒng)（或慣性測(cè)量裝置）提供的相機(jī)成像時(shí)刻角元素、外方位線、航攝儀姿態(tài)參數(shù)，開展位置姿態(tài)系統(tǒng)輔助下的空中三角測(cè)量。經(jīng)空中三角連接點(diǎn)處理自由網(wǎng)平差后，確定每一種無人機(jī)影像的加密點(diǎn)坐標(biāo)、外方位元素，結(jié)合像元高程值，生成三維點(diǎn)云DEM。最終對(duì)三維點(diǎn)云DEM進(jìn)行數(shù)字微分糾正處理，拼合原始無人機(jī)單張影像，獲得正射影像DOM。

4.3 堆體測(cè)量

根據(jù)堆體測(cè)量要求，可以選擇以無人機(jī)為飛行平臺(tái)、以全自動(dòng)攝影測(cè)量工作站為處理平臺(tái)，集成計(jì)算機(jī)飛行控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)與GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航、RS 遙感、GIS 地理信息系統(tǒng)的無人機(jī)低空遙感技術(shù)。堆體測(cè)量所用無人機(jī)為輕型固定翼無人機(jī)，機(jī)翼展開2.7 m，巡航速度90 km/h，有效荷載5 kg，有效續(xù)航時(shí)間2 h。在無人機(jī)航空攝影后，提取信息，生成數(shù)字正射影像，確定工程堆體真實(shí)情況，為工程進(jìn)度跟蹤與現(xiàn)狀調(diào)查提供依據(jù)。根據(jù)工程區(qū)規(guī)劃情況以及不同時(shí)期堆體影像，逐一核查工程區(qū)域內(nèi)開展情況。而利用數(shù)字表面模型，可以分析工程堆體高度變化，把控工程各環(huán)節(jié)進(jìn)度，為工程管理提供依據(jù)。

需要注意的是，在工程面積一定的情況下，無人機(jī)低空遙感航測(cè)期間飛行航線需要滿足航向重疊、旁向重疊分別為80%、50%的標(biāo)準(zhǔn)，地面分辨率則需達(dá)到0.1 m，實(shí)際飛行相對(duì)高度在350 m 左右。像控點(diǎn)則依據(jù)旁向逐航帶、航向7 條±1條基線間隔的方針布置，布點(diǎn)后利用JSCORS 測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行多次測(cè)量，獲得平面坐標(biāo)、高程坐標(biāo)后計(jì)算平均值。進(jìn)而根據(jù)外業(yè)像控點(diǎn)成果分布，開展加密分區(qū)，完成區(qū)域網(wǎng)的空中三角測(cè)量。解算空中三角后，依據(jù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量原理，處理不同時(shí)期的影像，獲得不同時(shí)期的數(shù)字表面模型DSM。在立體像對(duì)下，根據(jù)數(shù)字?jǐn)z像測(cè)量中共線方程求解DSM 影像上點(diǎn)三維坐標(biāo)，構(gòu)建數(shù)字高程模型DEM。根據(jù)工程地面模型參數(shù)，從原始非正射投影數(shù)字圖像內(nèi)構(gòu)建正射影像DOM。在獲得DOM 影像后，以同一區(qū)域按坐標(biāo)同步顯示各階段影像成果為對(duì)象，進(jìn)行多幅影像的多窗口并列對(duì)比，分析工程堆體變化?；蛘呒虞d相同區(qū)域不同時(shí)相的數(shù)字正射影像，疊加對(duì)比適量數(shù)據(jù)，并設(shè)置矢量數(shù)據(jù)透明度，展示工程堆體對(duì)比圖，為工程進(jìn)度判定提供依據(jù)。

4.4 水利測(cè)量

在水利測(cè)量領(lǐng)域，無人機(jī)遙感測(cè)繪主要是借助高空間分辨率、高效率、高精度優(yōu)勢(shì)，對(duì)水利建設(shè)區(qū)和直接影響區(qū)進(jìn)行攝像，獲取測(cè)定范圍內(nèi)的DEM 數(shù)據(jù)或地形圖。為確保外業(yè)像片控制點(diǎn)測(cè)量精度，技術(shù)人員可以提前進(jìn)入水利建設(shè)區(qū)域，了解不同區(qū)域水利問題。同時(shí)，在衛(wèi)星遙感技術(shù)輔助下，明確區(qū)域水土流失、富營養(yǎng)化、水資源水量等信息，為無人機(jī)遙感外業(yè)攝像參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)。進(jìn)而根據(jù)水利工程地形起伏小、交通條件便捷的特點(diǎn)，按4～5 條基線間隔布設(shè)外業(yè)像控點(diǎn)，旁向像控點(diǎn)則按2～3 條基線布設(shè)，點(diǎn)位處于旁向重疊中線周邊或者明顯地物轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

5 結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)遙感測(cè)繪是一種高精度、低成本、操作便捷的測(cè)繪測(cè)量技術(shù)，可以在測(cè)繪測(cè)量中發(fā)揮良好的效果。因此，測(cè)繪技術(shù)人員應(yīng)正確認(rèn)識(shí)無人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)在測(cè)繪測(cè)量中的價(jià)值，根據(jù)測(cè)繪測(cè)量要求，利用無人飛行器對(duì)地面拍攝像片。進(jìn)而利用遙感測(cè)量工具，將像片處理為立體模型，滿足地物空間關(guān)系的量測(cè)要求。