无人机（jī）航测（cè）系统可行性分析

               西安（ān）宇（yǔ）航（háng）者创（chuàng）新科技有限公司

随着（zhe）我国经济（jì）的快速发展（zhǎn）以（yǐ）及科技进（jìn）步，自动（dòng）控制技术、GPS定位导航（háng）技术、航空遥感测绘技术以及无线电通信（xìn）等技术的发展，无（wú）人机的使用已从（cóng）军事领域拓展到许多民（mín）用领（lǐng）域，如地形（xíng）测绘、灾（zāi）情监测、林业调查、农（nóng）作物监测等。其中利用无人机航空摄影测量能够 完（wán）成工程建设规划及巡查任务。

1. 无人机摄影测量技（jì）术概述

无人（rén）机(unmanned aerial vehicle)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装（zhuāng）置（zhì）操纵的无人驾驶飞行器。近年（nián）来（lái）地（dì）理空间信息技（jì）术取得了飞（fēi）速的发（fā）展，尤其是灵（líng）活（huó）机动（dòng）、具有快速响（xiǎng）应能力的轻小型航空，更是在.近几年迅速成长，成为航（háng）空遥感（gǎn）领域一个引人注目的（de）亮（liàng）点。

无人机（jī）航测技术体现了无人机与测绘的（de）紧密结合同时（shí）也提供了更 的测绘方式。经实验证明，无人机航（háng）测技（jì）术完（wán）全可以达到1:1000国家航空摄（shè）影测量（liàng）规范的要求。

1.1无人机（jī）航（háng）测（cè）特点

 统由（yóu）于航空遥感平台及（jí）传感（gǎn）器的限制，普通（tōng）的航空摄影测量（liàng）手段在获取（qǔ）小面积、大（dà）比例（lì）尺数据方面存在成本高（gāo）、性价（jià）比差（chà）等（děng）问题。具（jù）有（yǒu）低成本（běn）和机（jī）动灵活等诸（zhū）多优（yōu）点的低（dī）空无人（rén）机遥（yáo）感能在小区域内快（kuài）速获（huò）取高质量遥感影像，是国家航（háng）空遥感监测（cè）体系（xì）的重要补充，是航空遥感的（de）未来（lái）发展方向（xiàng）。在当（dāng）今卫（wèi）星遥（yáo）感和普通航空（kōng）遥感蓬勃发展的形势下，轻小型低空遥感是粗中（zhōng）细（xì）分辨（biàn）率（lǜ）互补的立体监（jiān）测（cè）体系中不可缺少的重要技术（shù）手段（duàn）。

低空无（wú）人机遥感系统，作（zuò）为（wéi）卫星遥感（gǎn）与普通（tōng）航空摄影不（bú）可缺少的补（bǔ）充，它有（yǒu）如下优点：

无人机可以（yǐ）超低空飞行，可在云下飞行航摄，弥补（bǔ）了卫星（xīng）光学遥感和普（pǔ）通（tōng）航（háng）空摄影经常受云层遮挡（dǎng）获取不到影像的缺陷（xiàn）；

由于低空接近目（mù）标，因此能以比卫星遥感和普通（tōng）航摄低（dī）得多的（de）代价得到更高分辨率（lǜ）的影像；

能实现适应地形（xíng）和（hé）地物的（de）导航与摄像控制，从而（ér）得到多角度、多（duō）建筑（zhù）面的地面景物影像，用以支持构建城（chéng）市三维景观（guān）模型，而不局（jú）限（xiàn）于（yú）卫星遥感（gǎn）与普通航摄的正射（shè）影像常规产（chǎn）品；

使（shǐ）用成本（běn）低，无人机体（tǐ）形小, 耗费低（dī）, 对（duì）操（cāo）作员的培（péi）养周期相对较短（duǎn）。系的保养和（hé）维修简便, 同时（shí）不用（yòng）租赁（lìn）起（qǐ）飞和（hé）停放场地，可以无需机场起降（jiàng），因而（ér）灵（líng）活机动，适应性强，容易成为用户自主拥（yōng）有的（de）设备；

回避（bì）了飞行员人身 的风险；

比起野外（wài）实测而言，无人机航测方法具有周期短、效率高、成本低等特点。

对于面积较小的大（dà）比（bǐ）例尺地形测量任务(10-100平方公里)，受天气（qì）和空域管理的（de）限制较多，成本高；而采用（yòng）全野外数据采（cǎi）集（jí）方（fāng）法成图，作业量大，成本也高。

而将无人机遥感系统进（jìn）行工程化（huà）、实用化开（kāi）发，则可以利用（yòng）它机动、快速、经济等优势，在（zài）阴天、轻雾天也能获取合格的彩色影像，从而将大（dà）量的野外工作转（zhuǎn）入内业，既能 劳动强度，又（yòu）能提（tí）高作业的技（jì）术（shù）水平和（hé）精度（dù）。

1.2国内无人（rén）机发展现状

国（guó）内无人机（jī）近几年来发展比（bǐ）较快，而（ér）除军（jun1）事用途外，由于无人机成本相对较低（dī）、无人员伤亡（wáng）风险（xiǎn）、生存能（néng）力（lì）强、机动性（xìng）能（néng）好、使用方便等的优势，使得无人机在航空（kōng）拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路检查、高（gāo）速公路管理、森（sēn）林防火巡查、毒气（qì）勘察、缉毒和应（yīng）急救援、救护等（děng）民用领域应（yīng）用（yòng）前景极为（wéi）广阔。正是（shì）因为看到未来无人（rén）机的民用市场潜力巨大，除（chú）一些科研院所外，民（mín）营企业也开始介（jiè）入无人机（jī）市场（chǎng）。目前粗略估计 约有170多家（jiā）单位在生产无人（rén）机。

2.无人机系（xì）统（tǒng）介绍

无人机系统结合了无人（rén）机技术和摄影测量技（jì）术，是较传（chuán）统方式（shì）更（gèng）为灵活（huó）的（de）航测平台。无人机系统可快速为用户获取采用传统方式需要较长项目周期和高昂费用才能获取的正射影（yǐng）像图（tú）（DOM）和数字地表模型（DSM），可应用在各个领域（yù），包括灾害应急制图、水文地（dì）质、基础测绘（huì）、国（guó）土规划、地理国（guó）情监测、矿山、公路（lù）、铁路、水（shuǐ）利电力等带状地物（wù）测图等等（děng）。

旋翼无（wú）人机

2.1无人机系（xì）统（tǒng）组成（chéng）

无人机系统都是由（yóu）硬件与软件组成。

2.1.1硬件

配有电子控制装置的无人飞机

发（fā）射架或旋翼

备（bèi）用机身（shēn）

地面控制器或手（shǒu）机APP

无线通讯（xùn）模块(2.4 GHz)

数码相机（jī）（已（yǐ）标（biāo）定）

电池（chí）充电器

高性能锂电池或燃（rán）油

备用件

2.1.2软件

系统软件包括外业控制软件（jiàn）与数据后处理（lǐ）软（ruǎn）件。

（1）外业操作控制软件

通过该软件可实现飞行任务设（shè）计、飞行规划（huá）、飞行操作与控制、飞行成果质量检查（chá）与分（fèn）析。

              图2无人机系统飞行任务设计

图3无人机系统飞行规划

（2） 数据（jù）后处理软件，包括Global Mapper，Pix4Dmapper等                                           

该软件（jiàn）提供（gòng）简易、直观的数据处理流程，用于原始数据的处理（lǐ），提取各种成果数据，如正射影像、数字高（gāo）程模型（DEM）、KML格式数据、3D模型数（shù）据以及点云数据等。

      图（tú）4  无人机（jī）后处（chù）理（lǐ）软件（jiàn）Pix4Dmapper数据导入处理                

     图5  无人机系统（tǒng）后处理软件Pix4Dmapper——生成（chéng）正射影像

图（tú）6  无人（rén）机系统后处理软件Pix4Dmapper——生成（chéng）数字表面（miàn）模型（DSM）

2.2  无（wú）人机系统的特点与优势

作为全（quán）新一代（dài）的无人机航空摄影测（cè）量测量系统，具有以下特点与优势：

1. 云下（xià）自主飞行，作业航高在75~750m。

2. 操（cāo）作简单、方便快捷、快速

3. 自动（dòng）化数（shù）字图（tú）像（xiàng）处理

4. 中小区（qū）域测（cè）图，地面采样（yàng）间隔（GSD）达到2.4cm

5. 高频（pín）率、多（duō）时相扫（sǎo）描（miáo）拍摄覆盖整个测区，全（quán）自动地采集高分辨率原始数字（zì）图像，并且每条航带上的数字（zì）图像都具（jù）有GPS位（wèi）置与飞行（háng）姿（zī）态信息。

6. 随时获取目标区域（yù）图像

7. 作业 、无污染

8. 高端黑（hēi）盒（hé）电（diàn）子产品(内在)+可更换（huàn）的外形

9. 充（chōng）分满足各种（zhǒng）环境所（suǒ）需

10. 测绘级别产品

2.3 无人机系统的工作原理

无人机系统是以无人驾驶飞行器（qì）为飞行平台，搭载数码相机进行（háng）图像采集，以获取高分辨率遥感数（shù）据为应用（yòng）目标，通过3S技术（shù）在（zài）系统中（zhōng）的集成应用，达（dá）到实时对地观测能力和遥感数（shù）据快速处（chù）理。飞行前先通过地面控制平台电脑或手（shǒu）机APP来制定（dìng）飞行作（zuò）业计划（huá），如测区（qū）范（fàn）围、起飞降落位（wèi）置、飞行航高（gāo）、影像重叠率及（jí）风向等参数的确定。系统中的飞行任务设计软件（jiàn）根据上（shàng）述参数可自动设计出飞行航线以及起飞降落的（de）位置，然后利用无线通讯模块将（jiāng）飞行（háng）计划（huá）上（shàng）传至自备的（de）电子控制装置（zhì）中，然（rán）后通过无线通讯模块与（yǔ）电子控（kòng）制装置协同操（cāo）纵飞行平台来（lái）完（wán）成图像数据（jù）采集（jí）。

2.4 无人机系统的作业流程

无人（rén）机系（xì）统目前已（yǐ）经在（zài）很多工程（chéng）中应用，作业的基本内容（róng）包（bāo）括：系统组件连接（jiē）与（yǔ）安装（zhuāng）、飞行任（rèn）务设（shè）计（jì）、外业数据采集（图（tú）像数据与飞行轨迹（jì）数据获取）、内（nèi）业数（shù）据处理（图像数（shù）据解（jiě）算处理，成果（guǒ）数据提取）等内容。

二．无人机航测系统的应（yīng）用

目前，无（wú）人机已成功应（yīng）用多个行业，主要应用有：

水利（lì）、电力等能源与环境

基（jī）础（chǔ）设施与工程监测

基础测绘、土地管理与规划

植被（bèi）监测（结合可见（jiàn）光、近红外图像应用于精（jīng）细农业与森林保护）

灾情监测、应（yīng）急快速（sù）响应测图（tú）

露（lù）天矿山测绘

3D建模与可（kě）视化（huà）

资产管理

水（shuǐ）文、地质、考古研究等

图7  无人机（jī）系统应用行（háng）业分布图

无人机航空摄影（yǐng）测量系统具有高灵活、快响应、低成本、实（shí）时等（děng）特（tè）点与优势，与卫（wèi）星（xīng）遥（yáo）感与传统航空摄影测（cè）量相比，尤（yóu）其在低空获取高（gāo）分（fèn）辨率数字（zì）图像，输电线路规划、电厂（变电站）址地形图像获（huò）取，发（fā）电厂料堆体（tǐ）积计算、灾害应急响应等（děng）方（fāng）面，无人机系统具有不可替代的（de）作用。

 近几（jǐ）年来无人（rén）机航测技术在国内开始热（rè）门起来，由于该（gāi）技术比起传统（tǒng）测绘技术来，有着极其优越的特性，可获取无以伦比的多层次成果和成万（wàn）倍（bèi）生（shēng）产效率（lǜ）的（de）提升（shēng）；并且（qiě）经过十多年来的（de）飞速发展，该技术已（yǐ）经相当成熟，不（bú）仅（jǐn）仅（jǐn）是实验室而是已经走向了（le）实用，各大测绘厂商（shāng）瞄准（zhǔn）了（le）其光明的前景而纷纷投入巨（jù）资参与研发使（shǐ）其进入（rù）了批量（liàng）生产、产业（yè）化应用（yòng）的阶段。

随着经济的（de）发展，无人机航测（cè）系统从（cóng）上个世纪末（mò）就开（kāi）始引进中国（guó），首先（xiān）是引（yǐn）起了科（kē）学（xué）研究单位的注意（yì），随（suí）着这（zhè）几年的（de）航测技（jì）术和（hé）影响成果（guǒ）的（de）不（bú）断应用，人们开始（shǐ）认识到该技术的**性和广阔的应用前景。这些运用无人机航（háng）测技术的（de）先行者都把这个技术比做15年来（lái）与GPS（ 卫星（xīng）定位）测量技术一样的（de）划（huá）时代（dài）的测绘技术，认（rèn）为它像（xiàng）15年前出现在国内（nèi）的GPS技术（shù）一样将极大的促进测绘行（háng）业（yè）的（de）发展。

无人（rén）机航测技术将给测绘工作带来深刻的（de）变（biàn）化（huà）。

首先从外（wài）业数据采（cǎi）集上，无人机航（háng）测技术（shù）是无接触测量技术（shù），这使得（dé）它直接（jiē）突破了传统光学全站仪和GPS技（jì）术（shù）的限（xiàn）制（zhì）。使用者（zhě）无需离开仪（yí）器即可采集数据（jù），以往难（nán）于到达目标（biāo）物（wù）的工（gōng）程项目得（dé）以方便的完成。如：地形测量上的高悬的陡（dǒu）崖、隔河流的边坡监测（cè）、危（wēi）险的滑坡地段，有毒区（qū）域的测（cè）量、危险的高压电（diàn）力设施等（děng）等。这些项目在以往是很难（nán）或者无法完成的（de）高技术高“含金（jīn）量（liàng）”的（de）项目，有了无人机航（háng）测系统， 系数大大提高。

当然（rán），该技术用在较（jiào）为普通的项目（mù）上也（yě）很有意义，因为（wéi）它（tā）面式扫描测量、需要跑棱镜或者安放GPS接受机的工作变（biàn）成“无接触、无跑动”的工作，减少了（le）工（gōng）作量，减少（shǎo）了（le）人（rén）力，减（jiǎn）少了人（rén）为误差，降低了劳动强度，还（hái）提高了效率。

另外（wài），无人机航测（cè）系统的数据采集速度是常规仪器的数（shù）万（wàn）倍（bèi），极大地提高了外业（yè）工（gōng）作的效率。比如测绘一个平方公（gōng）里的（de）1:2000地形图全站仪人工跑棱（léng）镜测（cè）图，几（jǐ）乎是一（yī）台全站仪2个人苦干两天的工作，即使是用1+1 RTK技术也需（xū）要（yào）2天，而使用无人机加（jiā）一（yī）个人仅需要不（bú）到（dào）30分钟（zhōng）。其效（xiào）率是不言而（ér）喻（yù）的，效益也是非（fēi）常明显（xiǎn）的。

可能有（yǒu）人会说航测的内业工作量巨大，因为航片的数据需要人工拼接，处（chù）理成图，费时费力。其实（shí）这已经是过去了，现有软件已经（jīng）很好地实现（xiàn）图幅（fú）的自（zì）动（dòng）拼接和匹配，数据的（de）自动化处理（lǐ）成都（dōu）也很好，而（ér）且数据精（jīng）度（dù）可靠、整体一致性好（hǎo）。

在（zài）航测后（hòu）处理软（ruǎn）件里，数据可（kě）以任（rèn）意的裁剪、取样（yàng）。如选择不同的区域作不同的处理，可以任意按需抽（chōu）取一部（bù）分数（shù）据或者去掉一（yī）部分数据。如，可以自定将地形上特（tè）征地物（wù）进行提取（qǔ）。

当然，航（háng）测（cè）数（shù）据处理更多的是利用自动（dòng）、批量处理工（gōng）具进行的，如批量生成断面线、任意纵横剖面线、等（děng）高线生成与标注、线状地物的提取和体积或填挖的计算等等；只需要选择好操作区域，填入几个要求数据如等高（gāo）距（jù）、断面间（jiān）距、填挖平衡点（diǎn）等，程（chéng）序即可按照要（yào）求数据（jù）自动计算给出结果，这一（yī）个过程远（yuǎn）远快于传统手段！

航测数据经过处理后将快速（sù）的提（tí）供（gòng）高质（zhì）量的视觉效果鲜（xiān）明的二（èr）维、三维（wéi）成果，比以往的数据表格要（yào）更为丰富更为直观。

所以，无人机航测技术将从外（wài）业、内业和成果方面深刻而积极（jí）的改变（biàn）测绘（huì）工（gōng）作。

无人机航测技术不仅（jǐn）仅将（jiāng）大（dà）大（dà）提（tí）升（shēng）测绘水（shuǐ）平，还将极大的扩展测绘技术的应用（yòng）面（miàn），带来更多业务提供（gòng）更多（duō）的测绘产品（pǐn）。这是因为该技术是虚拟现实技（jì）术的必要手段，为真3D GIS地理信息系（xì）统（tǒng）、为矿产（chǎn）业的开（kāi）采模拟（nǐ）、为企业的模拟培训、数（shù）字化管理和为（wéi）军队的模拟训练（liàn）等等提供必需的基础数（shù）据成果。

与现（xiàn）代化的传统测（cè）绘工具全站仪和GPS RTK接（jiē）收机不（bú）同，这些仪器仅能单点采集数据，仅（jǐn）能用于测绘上测点或者点（diǎn）放样、控（kòng）制（zhì）测量等，无人机航测技术以其技术（shù）特色超越了测绘（huì）行（háng）业的限制。在这个（gè）数字化地球、数字（zì）化城（chéng）市概（gài）念（niàn）深（shēn）入人心的时代，这个“视觉经济（jì）”时代，无人机航测技术必将（jiāng）在国（guó）民经济的建设中（zhōng）发挥重要的作（zuò）用（yòng）。

目前（qián），无人机（jī）航测技术已经在发达国家测绘单（dān）位中逐（zhú）渐大范围采用。在（zài）中国，经济（jì）的（de）飞速发展（zhǎn），庞大（dà）的基础设施建设规模，使得（dé）各（gè）行业对无人机有（yǒu）着强（qiáng）劲的需求（qiú），再加（jiā）上门槛（经济、技术）的降低，拥有无人机的单位越来（lái）越多，整体呈（chéng）快速（sù）上升趋（qū）势。

无人机航测系统已经相当成熟（shú），体积小巧携带方（fāng）便；有着简单（dān）明了的（de）内外业（yè）流程；不一样的是采集方法更（gèng）简单，设定完参数（shù）就等自动（dòng）飞行（háng）采集数据（jù）；因此，一般测（cè）量员即可操作，没（méi）有（yǒu）什么高（gāo）技能要求（qiú）。内业的（de）操（cāo）作同样是（shì）自动化程度高（gāo），一般的内业数据处（chù）理人员即可掌握。