无人机在数字航空摄影测量与遥感应用方面的优势与展望

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摘要：无人机结构简单、机动灵活、使用成本低，适用于有人飞机不宜执行的任务。本文概述了无人机的优势，探讨了无人机在数字航空摄影测量与遥感应用方面的优势，并对其未来进行了展望。

关键词：无人机；航空摄影测量；展望

中图分类号：D993 文献标识码： A

一、无人机概况与优势

无人机航空摄影测量是以无人驾驶飞机作为空中平台，以机载高分辨率CCD数码相机、摄像机等获取影像或视频信息，用航空摄影测量工作站对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成地形图、数字高程模型、正射影像图等系列3D产品。是集成了高空拍摄、遥控、遥感、以及航空摄影测量的新型应用测绘技术。

近几年来，微型遥控无人机变成了无人驾驶飞行器家族新的成员，它成为航天遥感、航空遥感和地面遥感平台的重要补充。

卫星遥感平台受轨道的限制，每天过顶的时间固定，无法实现应急观测；航空遥感在恶劣的天气条件下，出于安全考虑，载人飞机往往无法升空作业，微波遥感等手段虽然不受云和天气的影响，但由于探测原理的差异，并不能替代可见光和红外遥感在实际应用中的地位。此外，传统航空航天遥感获取影像资料的成本也较高，不利于遥感在各应用领域更广泛的发展。

与前述两类遥感平台比较，低空遥感平台具有以下几个独特的优势：（1）小型无人机是在低空范围内对地面情况进行观测的一种平台，它的航拍高度主要出于一千米以下的范围内，能够获取大比例尺高精度影像，在局部信息获取方面有着巨大的优势。（2）安全性高。遥控航空摄影的的作业现场许多是载人飞行器无法到达的空域或危险地区。如高原、沙漠、沼泽、火山口等。即使无人机出现故障，也不会出现人员伤亡。无人机可完成各种突发事件的及时有效应对，在短时间内了解灾情，以便分析决策和采取对应的应对措施，可代替有人飞机进行现场侦查工作，降低了人员的危险性。（3）平台构建、维护以及作业的成本极低，与前两种遥感平台相比几可不计。（4）不必申请空域，国家对千米以下的空域不实行管制。（5）能够获取高重叠度的影像，增强了后续处理的可靠性。

二、无人机在数字航空摄影测量与遥感应用

无人机航摄技术是航测遥感领域的有效补充，可应用于国家基础地图测绘、数字城市建设、通信站点建设、国土资源调查、土地地籍管理、城市规划、突发事件实时监测、灾害预测与评估、城市交通、网线铺设、数字农业、测绘、环境治理、生态保护、森林管理、矿产开发等领域。

（一）突发事件及灾情监测

由于地质灾害具有突发性与不可预知性，分布呈小规模、数量多等特点，很难对其进行有效的监测预警。卫星遥感因其观测的周期性无法满足灾情监测的需求，而有人飞行器因存在地形复杂、气候恶劣等不可预知因素而具有人员装备安全危险，而无人机可快速飞抵灾区现场、获取灾情，根据拍摄的灾区现场航片情况，可以比较可观的获取现场的客观信息，实现数据的实时传输，在短时间内获取精准的灾区影像图，为灾情的救援计划的制定和展开救援重建提供客观信息。

（二）环境监测

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一，水土流失成为我国主要的环境问题。无人机可以在低空、低速的情况下定时、定点获取研究区域遥感影像，对研究区进行拍摄，航拍的照片真实、直观地反应了研究区域范围内建设期所造成的水土流失状况、强度及分布情况，能够帮助了解区域水土流失发展趋势、发生特点和现状等，以便做好区域水土保持工作规划，加快水土流失治理，为工程生态环境提供宏观的科学数据和决策依据，还可以进行大型水库和堤防工程的建设施工监测工作。

（三）辅助环评水保

以青藏工程为例，针对青藏交直流联网工程生态环境脆弱问题，借助无人机航摄技术，构建四维施工管理系统，系统可以定期监测。通过无人机航摄定期拍摄施工现场环境，在四维施工管理系统中，通过时序无人机影像数据的对比分析，确定施工单位破坏环境的范围和程度，持续跟踪施工现场布置、安全围栏架设、材料堆放方式、草垫铺设等环保水保措施执行情况，发现问题及时纠正，为工程竣工验收环评水保报告编写提供重要参考资料。施工时对塔基周围的草地保护，施工道路，水泥材料堆放，开挖生、熟土的堆放，施工安全保护措施，以及施工后的工地植被恢复、道路碾压等情况，通过无人机航摄数据一目了然，并且可以为总指挥部提供详细准确的统计数据。同时，针对施工单位的现场作业情况，无人机航摄数据也能为业主项目部考核施工单位提供详实的依据。

（三）城市规划测量

无人机城市规划测量系统主要用于地理数据的快速获取和处理。目前，国内已经投入使用的无人机航摄测量系统有以下几种：“华磨”、“飞象”、“QuickEye”等。根据我国测绘行业标准（CH/T3002-2010）的要求，无人机城市规划测量系统的组成一般包括以下几个部分：无人机飞行平台、飞机控制系统、影像获取设备、通讯设备及地面信息接收与处理设备。

1、为城市规划区域提供高分辨率的测绘产品

随着城市信息化建设的进一步深入，目前新规划以及实施改造的城区非常缺乏所在区域及影响范围内的现势性强的大比例尺、高分辨率、高精度格网的数字测绘产品。目前，已经发射的高分辨率卫星影像分辨率已经达到了约0.5m，尽管如此仍然难以满足1：500～1：2000这种大比例尺的成图要求。无人机低空摄影测量可为重点区域提供高分辨率航摄相片、正射影像D0m、高精度数字高程模型DEm、数字栅格图DRG和数字线划图DLG等测绘产品。

2、三维数字建模

利用无人机低空摄影测量可获取城市或重点区域多角度的高分辨率遥感影像，解决了普通航摄和地面摄影无法拍摄到的“死角”。利用航摄影像可生成DEM和DOM，从影像中提取建筑物纹理，从而进行三维建模。完成用于三维建模的建筑物纹理采集，省去地面拍照人工采集建筑物纹理这一传统工序，实现全摄影测量方式三维建模。

三、微型无人机展望

（一）微型高精度导航控制和通信

在很多情况下，微型无人机承担的飞行任务要进入建筑物内，而屏蔽效应使得许多在常规飞机上可有效使用的导航控制设备和方案将失去作用，需要研究适用不同环境的微型仿生传感器技术才能满足微型无人机的应用需求。由于微型无人机的各个系统的尺寸和大小直接影响到它的总体尺寸和飞行能力，并且各个系统之间互相影响又互相制约，这些系统的微型化和集成化越高，微型无人机发展余地越大。研究将基于当前的仿生学理论，进行微型传感器、微型惯性测量系统、微型定位系统、微型信息采集和通信系统的微小型化，并进行系统整体的微小型化和集成化。

（二）飞行控制

怎样控制微型无人机的飞行是另一个难点。首先要有一个飞行控制系统来稳定微型无人机，至少增加其自然的稳定性。这样在面临湍流或突发的阵风时可以保持其航线，并可执行操作人员的机动命令。若微型机需要对目标成像的话，还需要稳定瞄准线。为使微型无人机自主飞行，要采用重量轻、功率低的GPS接收机，低漂移量的微型陀螺仪和加速度计，也可以利用地理信息系统提供地形图导航。GPS可以大大提高微型机的能力，但目前它在功率、天线尺寸、重量及处理能力等方面均存在不少问题，需要加以解决。而且，系统还要不受电磁波及无线电频率的干扰，要求通信电子元件的质量/功率效率极高。

（三）微型无人机结构、电池与功能元件一体化

由于微型无人机严格限制了本身重量和尺寸，为了充分利用有限的重量和空间，一个很好的方法是将微型无人机结构、电池与功能元件一体化设计，具体研究内容包括：（1）结构、电池与功能元件一体化原理与工艺技术；（2）结构、电池与功能元件一体化的力学性能分析与测试；（3）结构与天线一体化原理、工艺、力学性能分析和有限元建模方法。

参考文献

[1]彭丹青，王刚.无人机航空摄影测量技术在电力工程中的高程精度研究[C].第八届京港澳测绘技术交流会，2013.

[2]魏涌，毕凯.低空无人机航摄系统在正射影像制作中的应用[J].铁道勘察，2014年2期.