無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)可行性分析

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隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科技進(jìn)步，自動(dòng)控制技術(shù)、GPS定位導(dǎo)航技術(shù)、航空遙感測(cè)繪技術(shù)以及無(wú)線電通信等技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的使用已從軍事領(lǐng)域拓展到許多民用領(lǐng)域，如地形測(cè)繪、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、林業(yè)調(diào)查、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)等。其中利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量能夠 完成工程建設(shè)規(guī)劃及巡查任務(wù)。

1. 無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle)是一種由無(wú)線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無(wú)人駕駛飛行器。近年來(lái)地理空間信息技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，尤其是靈活機(jī)動(dòng)、具有快速響應(yīng)能力的輕小型航空，更是在.近幾年迅速成長(zhǎng)，成為航空遙感領(lǐng)域一個(gè)引人注目的亮點(diǎn)。

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)體現(xiàn)了無(wú)人機(jī)與測(cè)繪的緊密結(jié)合同時(shí)也提供了更 的測(cè)繪方式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)完全可以達(dá)到1:1000國(guó)家航空攝影測(cè)量規(guī)范的要求。

1.1無(wú)人機(jī)航測(cè)特點(diǎn)

 統(tǒng)由于航空遙感平臺(tái)及傳感器的限制，普通的航空攝影測(cè)量手段在獲取小面積、大比例尺數(shù)據(jù)方面存在成本高、性價(jià)比差等問(wèn)題。具有低成本和機(jī)動(dòng)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)的低空無(wú)人機(jī)遙感能在小區(qū)域內(nèi)快速獲取高質(zhì)量遙感影像，是國(guó)家航空遙感監(jiān)測(cè)體系的重要補(bǔ)充，是航空遙感的未來(lái)發(fā)展方向。在當(dāng)今衛(wèi)星遙感和普通航空遙感蓬勃發(fā)展的形勢(shì)下，輕小型低空遙感是粗中細(xì)分辨率互補(bǔ)的立體監(jiān)測(cè)體系中不可缺少的重要技術(shù)手段。

低空無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)，作為衛(wèi)星遙感與普通航空攝影不可缺少的補(bǔ)充，它有如下優(yōu)點(diǎn)：

無(wú)人機(jī)可以超低空飛行，可在云下飛行航攝，彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷；

由于低空接近目標(biāo)，因此能以比衛(wèi)星遙感和普通航攝低得多的代價(jià)得到更高分辨率的影像；

能實(shí)現(xiàn)適應(yīng)地形和地物的導(dǎo)航與攝像控制，從而得到多角度、多建筑面的地面景物影像，用以支持構(gòu)建城市三維景觀模型，而不局限于衛(wèi)星遙感與普通航攝的正射影像常規(guī)產(chǎn)品；

使用成本低，無(wú)人機(jī)體形小, 耗費(fèi)低, 對(duì)操作員的培養(yǎng)周期相對(duì)較短。系的保養(yǎng)和維修簡(jiǎn)便, 同時(shí)不用租賃起飛和停放場(chǎng)地，可以無(wú)需機(jī)場(chǎng)起降，因而靈活機(jī)動(dòng)，適應(yīng)性強(qiáng)，容易成為用戶自主擁有的設(shè)備；

回避了飛行員人身 的風(fēng)險(xiǎn)；

比起野外實(shí)測(cè)而言，無(wú)人機(jī)航測(cè)方法具有周期短、效率高、成本低等特點(diǎn)。

對(duì)于面積較小的大比例尺地形測(cè)量任務(wù)(10-100平方公里)，受天氣和空域管理的限制較多，成本高；而采用全野外數(shù)據(jù)采集方法成圖，作業(yè)量大，成本也高。

而將無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)進(jìn)行工程化、實(shí)用化開(kāi)發(fā)，則可以利用它機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，在陰天、輕霧天也能獲取合格的彩色影像，從而將大量的野外工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，既能 勞動(dòng)強(qiáng)度，又能提高作業(yè)的技術(shù)水平和精度。

1.2國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)近幾年來(lái)發(fā)展比較快，而除軍事用途外，由于無(wú)人機(jī)成本相對(duì)較低、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、生存能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性能好、使用方便等的優(yōu)勢(shì)，使得無(wú)人機(jī)在航空拍照、地質(zhì)測(cè)量、高壓輸電線路巡視、油田管路檢查、高速公路管理、森林防火巡查、毒氣勘察、緝毒和應(yīng)急救援、救護(hù)等民用領(lǐng)域應(yīng)用前景極為廣闊。正是因?yàn)榭吹轿磥?lái)無(wú)人機(jī)的民用市場(chǎng)潛力巨大，除一些科研院所外，民營(yíng)企業(yè)也開(kāi)始介入無(wú)人機(jī)市場(chǎng)。目前粗略估計(jì) 約有170多家單位在生產(chǎn)無(wú)人機(jī)。

2.無(wú)人機(jī)系統(tǒng)介紹

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)結(jié)合了無(wú)人機(jī)技術(shù)和攝影測(cè)量技術(shù)，是較傳統(tǒng)方式更為靈活的航測(cè)平臺(tái)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)可快速為用戶獲取采用傳統(tǒng)方式需要較長(zhǎng)項(xiàng)目周期和高昂費(fèi)用才能獲取的正射影像圖（DOM）和數(shù)字地表模型（DSM），可應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，包括災(zāi)害應(yīng)急制圖、水文地質(zhì)、基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)土規(guī)劃、地理國(guó)情監(jiān)測(cè)、礦山、公路、鐵路、水利電力等帶狀地物測(cè)圖等等。

旋翼無(wú)人機(jī)

2.1無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)都是由硬件與軟件組成。

2.1.1硬件

配有電子控制裝置的無(wú)人飛機(jī)

發(fā)射架或旋翼

備用機(jī)身

地面控制器或手機(jī)APP

無(wú)線通訊模塊(2.4 GHz)

數(shù)碼相機(jī)（已標(biāo)定）

電池充電器

高性能鋰電池或燃油

備用件

2.1.2軟件

系統(tǒng)軟件包括外業(yè)控制軟件與數(shù)據(jù)后處理軟件。

（1）外業(yè)操作控制軟件

通過(guò)該軟件可實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)設(shè)計(jì)、飛行規(guī)劃、飛行操作與控制、飛行成果質(zhì)量檢查與分析。

              圖2無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行任務(wù)設(shè)計(jì)

圖3無(wú)人機(jī)系統(tǒng)飛行規(guī)劃

（2） 數(shù)據(jù)后處理軟件，包括Global Mapper，Pix4Dmapper等                                           

該軟件提供簡(jiǎn)易、直觀的數(shù)據(jù)處理流程，用于原始數(shù)據(jù)的處理，提取各種成果數(shù)據(jù)，如正射影像、數(shù)字高程模型（DEM）、KML格式數(shù)據(jù)、3D模型數(shù)據(jù)以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)等。

      圖4  無(wú)人機(jī)后處理軟件Pix4Dmapper數(shù)據(jù)導(dǎo)入處理                

     圖5  無(wú)人機(jī)系統(tǒng)后處理軟件Pix4Dmapper——生成正射影像

圖6  無(wú)人機(jī)系統(tǒng)后處理軟件Pix4Dmapper——生成數(shù)字表面模型（DSM）

2.2  無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

作為全新一代的無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量測(cè)量系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：

1. 云下自主飛行，作業(yè)航高在75~750m。

2. 操作簡(jiǎn)單、方便快捷、快速

3. 自動(dòng)化數(shù)字圖像處理

4. 中小區(qū)域測(cè)圖，地面采樣間隔（GSD）達(dá)到2.4cm

5. 高頻率、多時(shí)相掃描拍攝覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)，全自動(dòng)地采集高分辨率原始數(shù)字圖像，并且每條航帶上的數(shù)字圖像都具有GPS位置與飛行姿態(tài)信息。

6. 隨時(shí)獲取目標(biāo)區(qū)域圖像

7. 作業(yè) 、無(wú)污染

8. 高端黑盒電子產(chǎn)品(內(nèi)在)+可更換的外形

9. 充分滿足各種環(huán)境所需

10. 測(cè)繪級(jí)別產(chǎn)品

2.3 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的工作原理

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是以無(wú)人駕駛飛行器為飛行平臺(tái)，搭載數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行圖像采集，以獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo)，通過(guò)3S技術(shù)在系統(tǒng)中的集成應(yīng)用，達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)地觀測(cè)能力和遙感數(shù)據(jù)快速處理。飛行前先通過(guò)地面控制平臺(tái)電腦或手機(jī)APP來(lái)制定飛行作業(yè)計(jì)劃，如測(cè)區(qū)范圍、起飛降落位置、飛行航高、影像重疊率及風(fēng)向等參數(shù)的確定。系統(tǒng)中的飛行任務(wù)設(shè)計(jì)軟件根據(jù)上述參數(shù)可自動(dòng)設(shè)計(jì)出飛行航線以及起飛降落的位置，然后利用無(wú)線通訊模塊將飛行計(jì)劃上傳至自備的電子控制裝置中，然后通過(guò)無(wú)線通訊模塊與電子控制裝置協(xié)同操縱飛行平臺(tái)來(lái)完成圖像數(shù)據(jù)采集。

2.4 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的作業(yè)流程

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)目前已經(jīng)在很多工程中應(yīng)用，作業(yè)的基本內(nèi)容包括：系統(tǒng)組件連接與安裝、飛行任務(wù)設(shè)計(jì)、外業(yè)數(shù)據(jù)采集（圖像數(shù)據(jù)與飛行軌跡數(shù)據(jù)獲?。?、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理（圖像數(shù)據(jù)解算處理，成果數(shù)據(jù)提取）等內(nèi)容。

二．無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，無(wú)人機(jī)已成功應(yīng)用多個(gè)行業(yè)，主要應(yīng)用有：

水利、電力等能源與環(huán)境

基礎(chǔ)設(shè)施與工程監(jiān)測(cè)

基礎(chǔ)測(cè)繪、土地管理與規(guī)劃

植被監(jiān)測(cè)（結(jié)合可見(jiàn)光、近紅外圖像應(yīng)用于精細(xì)農(nóng)業(yè)與森林保護(hù)）

災(zāi)情監(jiān)測(cè)、應(yīng)急快速響應(yīng)測(cè)圖

露天礦山測(cè)繪

3D建模與可視化

資產(chǎn)管理

水文、地質(zhì)、考古研究等

圖7  無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用行業(yè)分布圖

無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量系統(tǒng)具有高靈活、快響應(yīng)、低成本、實(shí)時(shí)等特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，與衛(wèi)星遙感與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量相比，尤其在低空獲取高分辨率數(shù)字圖像，輸電線路規(guī)劃、電廠（變電站）址地形圖像獲取，發(fā)電廠料堆體積計(jì)算、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)等方面，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有不可替代的作用。

 近幾年來(lái)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)開(kāi)始熱門起來(lái)，由于該技術(shù)比起傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)來(lái)，有著極其優(yōu)越的特性，可獲取無(wú)以倫比的多層次成果和成萬(wàn)倍生產(chǎn)效率的提升；并且經(jīng)過(guò)十多年來(lái)的飛速發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，不僅僅是實(shí)驗(yàn)室而是已經(jīng)走向了實(shí)用，各大測(cè)繪廠商瞄準(zhǔn)了其光明的前景而紛紛投入巨資參與研發(fā)使其進(jìn)入了批量生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的階段。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)從上個(gè)世紀(jì)末就開(kāi)始引進(jìn)中國(guó)，首先是引起了科學(xué)研究單位的注意，隨著這幾年的航測(cè)技術(shù)和影響成果的不斷應(yīng)用，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到該技術(shù)的**性和廣闊的應(yīng)用前景。這些運(yùn)用無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的先行者都把這個(gè)技術(shù)比做15年來(lái)與GPS（ 衛(wèi)星定位）測(cè)量技術(shù)一樣的劃時(shí)代的測(cè)繪技術(shù)，認(rèn)為它像15年前出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的GPS技術(shù)一樣將極大的促進(jìn)測(cè)繪行業(yè)的發(fā)展。

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)將給測(cè)繪工作帶來(lái)深刻的變化。

首先從外業(yè)數(shù)據(jù)采集上，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)是無(wú)接觸測(cè)量技術(shù)，這使得它直接突破了傳統(tǒng)光學(xué)全站儀和GPS技術(shù)的限制。使用者無(wú)需離開(kāi)儀器即可采集數(shù)據(jù)，以往難于到達(dá)目標(biāo)物的工程項(xiàng)目得以方便的完成。如：地形測(cè)量上的高懸的陡崖、隔河流的邊坡監(jiān)測(cè)、危險(xiǎn)的滑坡地段，有毒區(qū)域的測(cè)量、危險(xiǎn)的高壓電力設(shè)施等等。這些項(xiàng)目在以往是很難或者無(wú)法完成的高技術(shù)高“含金量”的項(xiàng)目，有了無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)， 系數(shù)大大提高。

當(dāng)然，該技術(shù)用在較為普通的項(xiàng)目上也很有意義，因?yàn)樗媸綊呙铚y(cè)量、需要跑棱鏡或者安放GPS接受機(jī)的工作變成“無(wú)接觸、無(wú)跑動(dòng)”的工作，減少了工作量，減少了人力，減少了人為誤差，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，還提高了效率。

另外，無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速度是常規(guī)儀器的數(shù)萬(wàn)倍，極大地提高了外業(yè)工作的效率。比如測(cè)繪一個(gè)平方公里的1:2000地形圖全站儀人工跑棱鏡測(cè)圖，幾乎是一臺(tái)全站儀2個(gè)人苦干兩天的工作，即使是用1+1 RTK技術(shù)也需要2天，而使用無(wú)人機(jī)加一個(gè)人僅需要不到30分鐘。其效率是不言而喻的，效益也是非常明顯的。

可能有人會(huì)說(shuō)航測(cè)的內(nèi)業(yè)工作量巨大，因?yàn)楹狡臄?shù)據(jù)需要人工拼接，處理成圖，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。其實(shí)這已經(jīng)是過(guò)去了，現(xiàn)有軟件已經(jīng)很好地實(shí)現(xiàn)圖幅的自動(dòng)拼接和匹配，數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理成都也很好，而且數(shù)據(jù)精度可靠、整體一致性好。

在航測(cè)后處理軟件里，數(shù)據(jù)可以任意的裁剪、取樣。如選擇不同的區(qū)域作不同的處理，可以任意按需抽取一部分?jǐn)?shù)據(jù)或者去掉一部分?jǐn)?shù)據(jù)。如，可以自定將地形上特征地物進(jìn)行提取。

當(dāng)然，航測(cè)數(shù)據(jù)處理更多的是利用自動(dòng)、批量處理工具進(jìn)行的，如批量生成斷面線、任意縱橫剖面線、等高線生成與標(biāo)注、線狀地物的提取和體積或填挖的計(jì)算等等；只需要選擇好操作區(qū)域，填入幾個(gè)要求數(shù)據(jù)如等高距、斷面間距、填挖平衡點(diǎn)等，程序即可按照要求數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算給出結(jié)果，這一個(gè)過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)手段！

航測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后將快速的提供高質(zhì)量的視覺(jué)效果鮮明的二維、三維成果，比以往的數(shù)據(jù)表格要更為豐富更為直觀。

所以，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)將從外業(yè)、內(nèi)業(yè)和成果方面深刻而積極的改變測(cè)繪工作。

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)不僅僅將大大提升測(cè)繪水平，還將極大的擴(kuò)展測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用面，帶來(lái)更多業(yè)務(wù)提供更多的測(cè)繪產(chǎn)品。這是因?yàn)樵摷夹g(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的必要手段，為真3D GIS地理信息系統(tǒng)、為礦產(chǎn)業(yè)的開(kāi)采模擬、為企業(yè)的模擬培訓(xùn)、數(shù)字化管理和為軍隊(duì)的模擬訓(xùn)練等等提供必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)成果。

與現(xiàn)代化的傳統(tǒng)測(cè)繪工具全站儀和GPS RTK接收機(jī)不同，這些儀器僅能單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，僅能用于測(cè)繪上測(cè)點(diǎn)或者點(diǎn)放樣、控制測(cè)量等，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)以其技術(shù)特色超越了測(cè)繪行業(yè)的限制。在這個(gè)數(shù)字化地球、數(shù)字化城市概念深入人心的時(shí)代，這個(gè)“視覺(jué)經(jīng)濟(jì)”時(shí)代，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)必將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。

目前，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家測(cè)繪單位中逐漸大范圍采用。在中國(guó)，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，龐大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模，使得各行業(yè)對(duì)無(wú)人機(jī)有著強(qiáng)勁的需求，再加上門檻（經(jīng)濟(jì)、技術(shù)）的降低，擁有無(wú)人機(jī)的單位越來(lái)越多，整體呈快速上升趨勢(shì)。

無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟，體積小巧攜帶方便；有著簡(jiǎn)單明了的內(nèi)外業(yè)流程；不一樣的是采集方法更簡(jiǎn)單，設(shè)定完參數(shù)就等自動(dòng)飛行采集數(shù)據(jù)；因此，一般測(cè)量員即可操作，沒(méi)有什么高技能要求。內(nèi)業(yè)的操作同樣是自動(dòng)化程度高，一般的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理人員即可掌握。