无人机航测系统可行性分析

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随着我国经济的快（kuài）速发展以及科技进步，自（zì）动控（kòng）制技术、GPS定位导航技术、航空遥感测绘技（jì）术以及无线电通信等技（jì）术的发展，无人机（jī）的使用（yòng）已从军事领域拓展到许多民用领域，如地形测绘、灾情监测（cè）、林业调查、农作物（wù）监（jiān）测等。其中利用无人机航空摄影测（cè）量能（néng）够 完成（chéng）工程建设规划及巡查（chá）任务（wù）。

1. 无人机摄影测量（liàng）技术概述

无人机(unmanned aerial vehicle)是一（yī）种由无线电遥（yáo）控设备（bèi）或自身程（chéng）序控制装置（zhì）操纵的无人驾驶（shǐ）飞（fēi）行器。近年来（lái）地（dì）理空间信（xìn）息技术取得（dé）了飞速（sù）的发展，尤其是（shì）灵活机动（dòng）、具有快速响应能力的轻小型航空，更（gèng）是在（zài）.近几年迅速成长，成为航空遥感（gǎn）领（lǐng）域一个引人注目的亮（liàng）点。

无人机航（háng）测技（jì）术体现了无人机与测绘的紧密结合同（tóng）时也（yě）提供了更 的测绘方式。经实验证（zhèng）明（míng），无（wú）人机（jī）航测技术完全可以达到1:1000国家航空摄影测量规范（fàn）的要求。

1.1无人机航测特点（diǎn）

 统（tǒng）由于航（háng）空（kōng）遥感（gǎn）平（píng）台及传感器的（de）限制，普通的航空摄（shè）影测（cè）量手段（duàn）在获取小面积、大比例尺数据方面存在成本高、性价比差等问题。具有低成本和机动灵（líng）活等诸多优点的低（dī）空（kōng）无人机（jī）遥感能在小区（qū）域（yù）内快速获取高质量遥（yáo）感影像，是国家航空遥感（gǎn）监（jiān）测体系（xì）的重（chóng）要（yào）补充，是航（háng）空遥感的未来发展（zhǎn）方向。在当（dāng）今卫星遥感和普（pǔ）通（tōng）航空（kōng）遥（yáo）感蓬勃发展的（de）形（xíng）势下，轻小型低空遥感是粗中细分（fèn）辨率互补的立体监测体系中不可缺少的重（chóng）要技术手段（duàn）。

低空无人机遥感系统，作为（wéi）卫星遥感与普通航空摄（shè）影不可（kě）缺少的补充，它有（yǒu）如（rú）下优点：

无人机可以超低空飞行，可（kě）在（zài）云（yún）下飞（fēi）行（háng）航摄，弥补了卫星（xīng）光学（xué）遥感和普（pǔ）通航空摄影经常（cháng）受云层（céng）遮挡获（huò）取不到（dào）影像的缺（quē）陷；

由于（yú）低空接近目标，因（yīn）此能以比卫星遥（yáo）感和普通航摄低得（dé）多（duō）的代（dài）价得（dé）到更高分辨率的影像；

能（néng）实现适应地形和地物的导（dǎo）航与摄像控制，从而得到多（duō）角度（dù）、多建筑面（miàn）的地面景物影像，用以支持构建城市三维（wéi）景观模型，而不局限于（yú）卫（wèi）星遥感与普通航摄的正射影（yǐng）像常规（guī）产品；

使（shǐ）用成本（běn）低，无人机体（tǐ）形小, 耗费低, 对（duì）操作员的（de）培养周期相对（duì）较短（duǎn）。系的保养和维（wéi）修简便, 同时不用（yòng）租赁起飞和停放场地，可以无需机场起降，因而灵活机动（dòng），适应性强，容易成为（wéi）用（yòng）户自主拥有的设（shè）备；

回避（bì）了飞（fēi）行员人身 的风险；

比起野外（wài）实测而言，无（wú）人机航（háng）测方法具有周期短、效（xiào）率高、成本低等特点。

对于面积较小的大比（bǐ）例尺（chǐ）地形（xíng）测量任务(10-100平方公里)，受天（tiān）气和空域管理的限制较多，成本高；而采用全野外（wài）数据采（cǎi）集方法成图，作业量大，成本也高。

而将（jiāng）无人机遥感系统进行工程化、实用化开发，则（zé）可以利（lì）用它机动、快速、经济等优势，在（zài）阴（yīn）天、轻雾天也（yě）能（néng）获（huò）取（qǔ）合格的彩色影像，从而将大量的野外工（gōng）作转入（rù）内业，既能 劳动（dòng）强度，又（yòu）能（néng）提高（gāo）作业的技术水（shuǐ）平和（hé）精度。

1.2国内无人机发（fā）展现状

国内无人（rén）机近几年来发展比较快（kuài），而（ér）除军事用途外，由于无人（rén）机成本相对较低、无（wú）人员伤亡风险、生存能力强、机动（dòng）性能好（hǎo）、使（shǐ）用（yòng）方便等（děng）的优势，使得无人机在航空拍照、地质测（cè）量、高压输电线路巡视、油田（tián）管路检（jiǎn）查、高速（sù）公路（lù）管（guǎn）理、森林防火巡查、毒气勘察、缉毒和应急（jí）救援、救（jiù）护等（děng）民用领域应用前景极为广阔。正是因为看到未来无人（rén）机的（de）民用市场潜力巨大（dà），除一些科研院所外，民营企业也开始介入无人机市场。目前（qián）粗略估计 约（yuē）有170多家（jiā）单位在生产无人机（jī）。

2.无（wú）人机系（xì）统介绍

无（wú）人（rén）机系统结合了无人机技术和摄影测量技（jì）术，是较传统方式更为灵（líng）活的航测平台。无人（rén）机系统可快（kuài）速（sù）为用户获取采用（yòng）传（chuán）统方式需要较长项目周期和高昂费用才能（néng）获取的（de）正（zhèng）射影像图（tú）（DOM）和数字地（dì）表（biǎo）模型（DSM），可应用在各个（gè）领域，包括灾害应急制图、水文地质、基础测绘（huì）、国土规划、地理（lǐ）国情监测、矿山、公路、铁路、水利电力等带状地物测图等（děng）等。

旋翼无人（rén）机

2.1无（wú）人机系统组成

无人机系（xì）统（tǒng）都（dōu）是由硬件与软件（jiàn）组（zǔ）成。

2.1.1硬件

配有电子控制装置的无人飞机（jī）

发射架或旋翼

备用机身

地面控制（zhì）器或手机APP

无线通讯模块（kuài）(2.4 GHz)

数码相机（已标定）

电池充电（diàn）器

高性能锂电池或燃（rán）油

备用件

2.1.2软件

系统软件（jiàn）包括外（wài）业（yè）控（kòng）制（zhì）软件与数据后处理软件。

（1）外业操（cāo）作控制软件（jiàn）

通过该软件可实现飞（fēi）行（háng）任务设计、飞行规划（huá）、飞行操作与（yǔ）控制、飞行成（chéng）果质量检查（chá）与分析。

              图（tú）2无人机系统飞（fēi）行任务设计

图3无人（rén）机（jī）系统飞行规划

（2） 数据后处理软件，包（bāo）括Global Mapper，Pix4Dmapper等                                           

该软（ruǎn）件提（tí）供简易、直观的数据处理流程，用（yòng）于原始数据的（de）处理，提取各种成（chéng）果数据，如正射（shè）影像、数字（zì）高程模型（xíng）（DEM）、KML格式（shì）数（shù）据、3D模型数据（jù）以及点云（yún）数据等。

      图4  无人（rén）机（jī）后处理软（ruǎn）件（jiàn）Pix4Dmapper数据导入处理                

     图5  无人机系统（tǒng）后处理软（ruǎn）件Pix4Dmapper——生成正射影像

图6  无人机系（xì）统后处理软件Pix4Dmapper——生（shēng）成数字表面模型（DSM）

2.2  无人机系统（tǒng）的特点与优（yōu）势

作为全新一代（dài）的无（wú）人机（jī）航（háng）空摄（shè）影测量测量系统，具有以下（xià）特点与（yǔ）优势：

1. 云下（xià）自主飞行，作业航高在75~750m。

2. 操（cāo）作简单（dān）、方便快捷、快（kuài）速

3. 自动化数字（zì）图像处理

4. 中（zhōng）小区域测（cè）图，地面采（cǎi）样间隔（gé）（GSD）达到2.4cm

5. 高频率、多时（shí）相扫描拍（pāi）摄覆盖整（zhěng）个测区，全自动地采（cǎi）集（jí）高分辨率原始数字（zì）图像，并且（qiě）每条航（háng）带（dài）上的数字图（tú）像（xiàng）都具有GPS位置与飞行姿态（tài）信息。

6. 随时获取目标区域图像

7. 作（zuò）业 、无污染

8. 高端（duān）黑盒电子产品(内在)+可更换的外（wài）形

9. 充分满（mǎn）足各种环（huán）境（jìng）所需

10. 测（cè）绘级别产品

2.3 无人机系统的（de）工作原理

无人（rén）机系（xì）统（tǒng）是（shì）以无人（rén）驾驶飞行（háng）器为（wéi）飞行平台，搭载数码相机进行（háng）图像采（cǎi）集（jí），以获取高分辨率遥（yáo）感数据为应用目标，通过3S技术在（zài）系统中（zhōng）的集成（chéng）应用，达到（dào）实时对地观测能力和遥感数据快速处理（lǐ）。飞行（háng）前先通过地面控（kòng）制平台电（diàn）脑或手机APP来制定飞行作业计划，如测区范围、起飞降落位置、飞行航高（gāo）、影像重叠率（lǜ）及风（fēng）向等参数的确定。系统中的飞行任务设计软件根据上述参数可自动设计出飞行（háng）航线以及起飞降（jiàng）落的位置，然后利用（yòng）无线通讯模块将（jiāng）飞行计（jì）划上传至自备的电子控制装置（zhì）中，然后通过无线通讯模块与电子控制装置协同操纵飞行平台来（lái）完成图像数据采集（jí）。

2.4 无人（rén）机系统的作业流（liú）程

无人（rén）机系统（tǒng）目（mù）前已（yǐ）经在很多工程中（zhōng）应用，作业的基本内容包括：系（xì）统组件连（lián）接与（yǔ）安装、飞行任务设计、外（wài）业数据采集（图像（xiàng）数据（jù）与飞行（háng）轨迹（jì）数（shù）据获取）、内业数据处理（图（tú）像数据解算处理，成果（guǒ）数据提取）等内容。

二．无（wú）人机航（háng）测系统的应用（yòng）

目前，无人机已成功（gōng）应用多个行业，主要应（yīng）用有：

水利、电力等能源与环境

基础设施与工程监测

基础测绘、土（tǔ）地管理与规划

植被监测（结合可见光、近（jìn）红外图（tú）像应用于精细（xì）农（nóng）业与森林保护）

灾情监（jiān）测、应急（jí）快速（sù）响应测图

露天矿山（shān）测绘

3D建（jiàn）模与可（kě）视化

资产管理

水文、地质、考古研究等

图7  无人机系统应用行业分布图

无人机航空摄影测量系统具有高灵活、快响应、低成（chéng）本、实（shí）时等特点（diǎn）与优势，与（yǔ）卫星（xīng）遥感与传统航空摄（shè）影测量相比，尤其在低（dī）空获取高分辨率（lǜ）数字图（tú）像，输电线路规划、电厂（变电站）址地形（xíng）图（tú）像获取，发电厂料堆体（tǐ）积（jī）计算、灾害（hài）应急（jí）响应等方面，无人机（jī）系统具有不可替代的作用（yòng）。

 近几年来无人机（jī）航测技术在国内开（kāi）始（shǐ）热门起来，由于该技（jì）术比起（qǐ）传统测（cè）绘（huì）技术来，有着极其优（yōu）越的特性，可获取（qǔ）无（wú）以伦比（bǐ）的多层次（cì）成果和成（chéng）万倍生（shēng）产效（xiào）率（lǜ）的（de）提升；并且经（jīng）过十多年来的飞速发展，该技术已经相当成熟，不仅仅（jǐn）是实验室而（ér）是（shì）已经走向了实（shí）用（yòng），各大测（cè）绘（huì）厂商瞄准了其光（guāng）明的（de）前（qián）景而纷纷投入（rù）巨资参（cān）与研发使其进入了批量（liàng）生产、产业化应用的阶段（duàn）。

随着经济的发（fā）展，无（wú）人机航测系统从上（shàng）个世纪末就开始引进中国，首（shǒu）先是引起了科学研究（jiū）单位的注意，随着这几年（nián）的航（háng）测（cè）技术和（hé）影响成果的不断应用，人（rén）们开（kāi）始认识到该技（jì）术的**性（xìng）和（hé）广阔的应（yīng）用前景。这些运用无（wú）人机航测技术的先行（háng）者都把（bǎ）这个技术比做15年来（lái）与GPS（ 卫星定位）测量技术一样（yàng）的（de）划时代的测绘技术，认为（wéi）它像15年前出现在国内的GPS技术一样将极大的促进（jìn）测绘行（háng）业的发展。

无（wú）人机航测技术将（jiāng）给测绘（huì）工作带（dài）来深刻（kè）的变（biàn）化（huà）。

首先从外业数据采集上（shàng），无人机航测技术（shù）是无接（jiē）触测量技术（shù），这使得（dé）它直接（jiē）突破了（le）传统（tǒng）光（guāng）学（xué）全站仪（yí）和GPS技（jì）术的限制。使用（yòng）者（zhě）无需离开仪器即（jí）可（kě）采集数据，以往难（nán）于到达目标物的工程项（xiàng）目得以方便的完成。如：地形测量（liàng）上（shàng）的（de）高悬的陡崖、隔河流的边（biān）坡监测（cè）、危险的滑坡地段，有毒区域的测量、危险的高（gāo）压电力设（shè）施等等（děng）。这些项（xiàng）目在（zài）以（yǐ）往是很（hěn）难或者无法完成的高技术（shù）高“含金（jīn）量”的项目，有了（le）无（wú）人机航（háng）测系（xì）统， 系数（shù）大大提（tí）高。

当然，该技术（shù）用在较（jiào）为普（pǔ）通的（de）项目上也很有意义，因为它面式扫描测量、需要跑棱镜或者安放GPS接（jiē）受机的工作（zuò）变（biàn）成“无接触、无（wú）跑动”的工作，减少了工（gōng）作量，减（jiǎn）少了人力，减少了人为误（wù）差（chà），降低了（le）劳动（dòng）强度，还提高（gāo）了（le）效率。

另外，无人机航测（cè）系统的（de）数据采集速（sù）度（dù）是常规仪器的（de）数万倍，极大地提（tí）高（gāo）了外业工作（zuò）的（de）效率。比如测绘一个平方公（gōng）里（lǐ）的1:2000地形（xíng）图全站（zhàn）仪人工（gōng）跑棱镜测图（tú），几乎是一台全站仪2个（gè）人苦干两天（tiān）的工作，即使是（shì）用（yòng）1+1 RTK技（jì）术也需要2天，而使（shǐ）用无人机加一个人仅需要不到30分钟。其效（xiào）率是不言而喻（yù）的，效益也是非常（cháng）明显的。

可能有人（rén）会说（shuō）航测的内业工作量巨大（dà），因为航片的数据需（xū）要人工拼接，处理（lǐ）成图（tú），费时费力。其实这已经是过去了，现有软件已经很好地（dì）实现（xiàn）图幅的自动拼接和匹配（pèi），数据的自动化处理成都也很好，而且数据精度可靠、整体（tǐ）一致（zhì）性好。

在航测后处理（lǐ）软件里，数据可以任意的裁剪（jiǎn）、取样（yàng）。如选择不同的区域作不（bú）同的处理，可（kě）以任意按（àn）需（xū）抽取一部（bù）分数据或（huò）者去掉一部分数据。如，可以（yǐ）自定将地形上特（tè）征地物进行提取。

当然，航测数据处理更（gèng）多的（de）是利用（yòng）自动、批量处（chù）理工具进行的，如批量生成断（duàn）面线、任意纵横剖（pōu）面线、等高线生成与标注、线状地物的提取和体（tǐ）积或（huò）填（tián）挖的计算等等；只需要选择好（hǎo）操（cāo）作区域，填入几个要求数据如等高距、断面间距、填挖平衡（héng）点等，程序（xù）即可按照（zhào）要求数据自动计算给出结果，这一个过程远远快（kuài）于传统手段！

航测（cè）数据经过处理后将快速的提供高质（zhì）量（liàng）的（de）视觉效果鲜明的二维、三维（wéi）成果，比（bǐ）以往（wǎng）的数据（jù）表格要更为丰富更为直观（guān）。

所（suǒ）以，无人机航测技术将从外业、内业和（hé）成果方面深刻（kè）而积极的（de）改变测绘工（gōng）作。

无人机航测技术不仅（jǐn）仅将大大（dà）提升测绘水（shuǐ）平（píng），还将极大的扩（kuò）展测绘技术的应用面，带来（lái）更多业务提（tí）供更多的测绘产品。这是因为该技术是虚拟现实技术的（de）必要手段，为真3D GIS地理信息系（xì）统（tǒng）、为矿产业的开采模（mó）拟、为企业的模拟培训、数字化管理和为军队（duì）的（de）模（mó）拟训（xùn）练等等提供必（bì）需的基础数据成（chéng）果。

与（yǔ）现代化的传统测绘工（gōng）具（jù）全站仪和GPS RTK接收机不同，这些仪器仅（jǐn）能单点采集数（shù）据，仅能用于测绘上测点（diǎn）或（huò）者（zhě）点（diǎn）放样（yàng）、控（kòng）制测量等，无人机（jī）航测技术以其技术特色（sè）超越了测绘（huì）行业的限制（zhì）。在（zài）这个数字化（huà）地球、数（shù）字化城（chéng）市概念深入（rù）人心的时代，这个“视觉经济（jì）”时（shí）代，无人机航测技术必（bì）将在国民经济的建设中发挥重要的作用。

目前，无人机航测技术（shù）已经在发达（dá）国家测绘（huì）单位中逐渐大范围采用（yòng）。在中国，经济的飞速（sù）发展，庞大的基础设施建设规（guī）模（mó），使得各行（háng）业对无人机（jī）有着强劲的需求，再加（jiā）上（shàng）门（mén）槛（经济、技术）的降低（dī），拥有无人机的单位越（yuè）来越多，整体呈快速上升（shēng）趋势。

无（wú）人机航测系（xì）统已经相当（dāng）成熟，体（tǐ）积小巧携带方（fāng）便；有着（zhe）简单（dān）明了的内外业（yè）流程；不一样的是采集方（fāng）法更简单（dān），设定完参数（shù）就等自动飞行采集数据；因此，一般（bān）测量（liàng）员即可操作，没（méi）有什么（me）高技能要求。内业的操作同样是自动化程度高（gāo），一般（bān）的内业数（shù）据处理人员即（jí）可掌握（wò）。