无（wú）人机航（háng）测系统可行性分析

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随着我国经济的（de）快速发展以及科技（jì）进步，自动控制技术、GPS定位（wèi）导航技术、航（háng）空遥感（gǎn）测绘技（jì）术以及无线电通信（xìn）等技术的（de）发展，无（wú）人机（jī）的使用已从军事领域拓展到许多民用领域，如（rú）地形测绘、灾（zāi）情监测（cè）、林（lín）业（yè）调（diào）查、农作物监测等。其中利用无人机（jī）航空摄影（yǐng）测量能够 完成工程建设规（guī）划及巡查任（rèn）务。

1. 无人（rén）机摄影测量技术概述（shù）

无人机(unmanned aerial vehicle)是一种由无线（xiàn）电遥控设备或自身（shēn）程序控制装（zhuāng）置（zhì）操纵的（de）无人（rén）驾驶飞行器。近年（nián）来地理空间信息技（jì）术取得（dé）了飞速的发展（zhǎn），尤其（qí）是灵活机动、具有快速响应能力（lì）的轻（qīng）小型航空（kōng），更（gèng）是在.近几年（nián）迅（xùn）速成长，成为（wéi）航空（kōng）遥感领域一个引人（rén）注目的亮点。

无人机航测技术体现了无人机与测绘的紧密结合同时（shí）也（yě）提供了更（gèng） 的（de）测绘方（fāng）式。经实验证（zhèng）明（míng），无人机（jī）航测技术（shù）完全可以达到1:1000国家航空摄影测量规范的要求。

1.1无人（rén）机（jī）航测（cè）特点

 统由于航空遥（yáo）感平台及传感（gǎn）器的限制，普（pǔ）通（tōng）的航空摄影测量手（shǒu）段在（zài）获取小（xiǎo）面积、大比（bǐ）例（lì）尺（chǐ）数据方（fāng）面存在成本高、性价比差等问题。具有低成本和机动灵（líng）活等诸多优点的低空无人机遥感能在小区域内快（kuài）速（sù）获取（qǔ）高质量遥（yáo）感影像，是国家航（háng）空遥感（gǎn）监测（cè）体系的重要补充，是航空遥感的未来（lái）发展方向。在当今卫星（xīng）遥感（gǎn）和普通航空遥感蓬（péng）勃发展的形势下，轻小型低（dī）空遥感是粗中细分辨率互补（bǔ）的立体监测体（tǐ）系（xì）中不（bú）可（kě）缺少的重要技术（shù）手段。

低空无人机遥（yáo）感（gǎn）系统（tǒng），作为卫星遥（yáo）感与普通（tōng）航空摄（shè）影不（bú）可缺少的补充（chōng），它（tā）有如下（xià）优点：

无人机可以超低空（kōng）飞行（háng），可在（zài）云下飞行航摄，弥补了卫（wèi）星光学遥（yáo）感和普通航空摄影经常受云层遮（zhē）挡（dǎng）获取不到（dào）影像的缺陷（xiàn）；

由（yóu）于低空接近目标，因此能以比卫星遥感（gǎn）和普通航（háng）摄低得多（duō）的代（dài）价得到更高分辨率（lǜ）的（de）影（yǐng）像；

能实现适应地形和地物的导航与摄像控制，从而得到多角度、多（duō）建筑面的地（dì）面景物影像，用以支持构建城市三维（wéi）景观模型，而不（bú）局限于卫星（xīng）遥感（gǎn）与普通航摄的正射影像常（cháng）规产品；

使用（yòng）成（chéng）本低，无人机（jī）体形小, 耗费低, 对操（cāo）作员的培养周期（qī）相对较短。系的保养和维修简便, 同时不用（yòng）租（zū）赁起飞和停放场地，可以无需机场起降（jiàng），因而灵活机动，适应性强，容易成为用户自主（zhǔ）拥（yōng）有的设备；

回（huí）避了飞行员人身 的风（fēng）险；

比起野外实测而言，无（wú）人机（jī）航（háng）测方法具有周期短、效率高、成本低（dī）等特点。

对（duì）于面（miàn）积较小的大比例（lì）尺地形（xíng）测（cè）量任务(10-100平方（fāng）公里（lǐ）)，受（shòu）天气和空域（yù）管理的限制较多，成本高；而采用（yòng）全野外数据（jù）采集方法成图（tú），作（zuò）业（yè）量大，成（chéng）本也高。

而（ér）将（jiāng）无人机遥感系统进（jìn）行工程化、实用化开（kāi）发（fā），则（zé）可（kě）以利用（yòng）它机动（dòng）、快速、经济等（děng）优势，在阴天、轻雾天也能获取合格（gé）的彩色影（yǐng）像，从而将大量的野外工作转入内（nèi）业，既能 劳（láo）动强度，又能提高作（zuò）业（yè）的（de）技术水（shuǐ）平和精度。

1.2国（guó）内无（wú）人机发展现状

国内无人机近几年来（lái）发展比（bǐ）较快（kuài），而除军（jun1）事（shì）用途外，由于无人机成本相对较（jiào）低、无人员伤（shāng）亡风险、生存能力强（qiáng）、机动性能好、使用方便等的优势，使得无人（rén）机在航空拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路（lù）检查、高速公（gōng）路管理、森林防火巡查、毒（dú）气勘察、缉（jī）毒（dú）和应急救（jiù）援、救（jiù）护等民用领域应（yīng）用前景极为广阔。正是因（yīn）为看（kàn）到未（wèi）来无人（rén）机的民（mín）用市场（chǎng）潜力（lì）巨大（dà），除一（yī）些科研院（yuàn）所外（wài），民（mín）营企（qǐ）业也开始（shǐ）介入无人机市场。目前粗略估计 约有170多（duō）家单位在（zài）生（shēng）产无人机。

2.无人（rén）机系（xì）统介绍

无人机系统结合了（le）无人机技术和摄影测量（liàng）技术（shù），是较（jiào）传统方式更为灵活（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（jiào）长（zhǎng）项（xiàng）目（mù）周期和高（gāo）昂费用才能获取（qǔ）的正射影像图（DOM）和数字（zì）地（dì）表模型（DSM），可应用在各个领域，包括（kuò）灾害应急制图、水文（wén）地质（zhì）、基（jī）础测绘、国土规划、地理国（guó）情（qíng）监测（cè）、矿山、公（gōng）路、铁路、水（shuǐ）利电（diàn）力等带（dài）状地物测图等等。

旋翼无人机

2.1无人（rén）机（jī）系（xì）统组成

无人机系统都是由硬件（jiàn）与软件组成。

2.1.1硬件

配有电子（zǐ）控制装置的无人飞机

发射架（jià）或旋翼

备用机身

地面（miàn）控制（zhì）器或手机APP

无线（xiàn）通讯模块(2.4 GHz)

数（shù）码相机（已标定）

电池（chí）充电器

高（gāo）性能（néng）锂电（diàn）池或燃油

备用（yòng）件

2.1.2软（ruǎn）件

系（xì）统软件包（bāo）括（kuò）外业（yè）控制软（ruǎn）件与数据后（hòu）处理软件。

（1）外业操作控制软件（jiàn）

通过该软件（jiàn）可实（shí）现飞行任（rèn）务设计（jì）、飞（fēi）行规划（huá）、飞行操作与（yǔ）控制、飞（fēi）行成果质量检查与分析（xī）。

              图2无人机系统飞行任务设计

图（tú）3无（wú）人机系统飞行规划

（2） 数据后（hòu）处理（lǐ）软件，包括Global Mapper，Pix4Dmapper等                                           

该（gāi）软件提供简易（yì）、直观的数据处理流程，用于原始数据的处理，提取各种（zhǒng）成果数据，如正射影像、数（shù）字高程（chéng）模型（DEM）、KML格（gé）式数据、3D模型数据以及点云数（shù）据等。

      图4  无（wú）人（rén）机（jī）后（hòu）处理（lǐ）软件Pix4Dmapper数据导入处理                

     图5  无人（rén）机系（xì）统后处理软件Pix4Dmapper——生（shēng）成正射影像

图6  无人机系统后处理软件（jiàn）Pix4Dmapper——生成数字表面模型（DSM）

2.2  无人（rén）机系统（tǒng）的特点与优势

作为全新一代的无人机航空摄影（yǐng）测（cè）量测量（liàng）系统，具有以下特点（diǎn）与优势：

1. 云下（xià）自主飞（fēi）行，作业航高（gāo）在75~750m。

2. 操作简单、方便快捷、快速

3. 自动化（huà）数字图像处理（lǐ）

4. 中小区域测图（tú），地面采样间隔（GSD）达到2.4cm

5. 高频率、多时（shí）相扫描拍摄覆（fù）盖整个（gè）测（cè）区（qū），全自动地采集高分辨率原始数字图像，并且每条航带（dài）上的（de）数字图（tú）像都具（jù）有GPS位置与飞行姿态信息（xī）。

6. 随时获取目标区域图像

7. 作业 、无污染

8. 高端（duān）黑盒电（diàn）子产品(内在)+可更换的（de）外形

9. 充分满足各种环境（jìng）所需

10. 测绘级别产品

2.3 无人机系（xì）统的工作原理

无人（rén）机（jī）系（xì）统是以无（wú）人（rén）驾驶飞行器为飞行（háng）平台，搭载数码相机进行图像采（cǎi）集（jí），以获取高分辨率遥感（gǎn）数（shù）据为应（yīng）用目标（biāo），通过3S技术在（zài）系统中的集成应用，达到实时对（duì）地观测能力和遥感数据快（kuài）速处理。飞行前先通过地面控制平台电脑（nǎo）或（huò）手机APP来制定（dìng）飞行作业（yè）计划，如测区（qū）范围、起飞（fēi）降落（luò）位置、飞行（háng）航（háng）高、影像（xiàng）重（chóng）叠率及风向等参数的（de）确定。系（xì）统中的飞行（háng）任务设计软件根（gēn）据上（shàng）述参数可自动设计出飞行航线以（yǐ）及起飞降落的位置（zhì），然后利用无线（xiàn）通讯模块（kuài）将（jiāng）飞行计划上传至自（zì）备的电子控制装（zhuāng）置中，然后通过无线通讯（xùn）模块与电子（zǐ）控（kòng）制装置协同操纵飞行平（píng）台来完成图像（xiàng）数（shù）据采集（jí）。

2.4 无人机系统的作（zuò）业流（liú）程

无（wú）人机系统目前（qián）已（yǐ）经在很多工（gōng）程中应用（yòng），作（zuò）业（yè）的（de）基本内（nèi）容包括：系统组件连接与安装、飞（fēi）行（háng）任务设计、外业数据（jù）采集（图（tú）像数据与（yǔ）飞行轨迹数据获取（qǔ））、内业数据处理（lǐ）（图像数据解（jiě）算处理，成（chéng）果数据（jù）提取）等内容（róng）。

二．无人（rén）机航测系统的应用

目前，无人机已成功应用（yòng）多（duō）个行业，主要应用有：

水利、电（diàn）力等能源与环（huán）境

基础（chǔ）设施与工程监测

基础测绘、土地管（guǎn）理与规划

植（zhí）被监测（cè）（结合（hé）可见光（guāng）、近红外图像应用于精细农业与森林（lín）保护）

灾情（qíng）监（jiān）测（cè）、应急快速响应测图

露天矿山测绘

3D建（jiàn）模（mó）与可视（shì）化

资产管理

水（shuǐ）文、地质、考古研（yán）究等

图7  无（wú）人机（jī）系统（tǒng）应用行（háng）业分布图（tú）

无人机航（háng）空摄影测量（liàng）系统具有高灵（líng）活、快（kuài）响应、低成本、实时（shí）等特点与优（yōu）势（shì），与卫星遥感与传统（tǒng）航空摄影测（cè）量相比，尤其（qí）在低空获取高分辨率数字图像，输电线路规划、电厂（变（biàn）电站）址地形图像获取，发电厂料堆体积计（jì）算（suàn）、灾害（hài）应急响应等方面，无人机系统具有不可替代的作用。

 近几年来无人机航测技（jì）术在国内开始热门（mén）起来，由于该技术比起传统测绘（huì）技术（shù）来，有着（zhe）极其优越的特性，可获取无（wú）以伦比的多层次成果和（hé）成万倍生产效率的提升；并（bìng）且经过十多年来的（de）飞速（sù）发展，该技术已经相当成熟，不仅仅（jǐn）是（shì）实验（yàn）室而是（shì）已（yǐ）经走向了实用，各大测绘厂商瞄准了其光（guāng）明的（de）前（qián）景（jǐng）而纷纷投入巨资（zī）参（cān）与研发使其进入了批量生产、产（chǎn）业化应（yīng）用的阶段。

随着经济的（de）发展，无人机航测系统从（cóng）上个世纪末就开（kāi）始引进中国，首先是（shì）引起了科学研究单位（wèi）的注意，随着这几年的航测技术和（hé）影响成果的不断应用，人们（men）开始认识到（dào）该技术的**性和广阔的应用前（qián）景。这些运用（yòng）无人机航测技术的（de）先行者都（dōu）把这个技术（shù）比做15年来与GPS（ 卫（wèi）星定（dìng）位）测量技（jì）术一样（yàng）的划时（shí）代（dài）的（de）测绘技术，认为（wéi）它（tā）像15年前出现在国内（nèi）的GPS技术一样将极大的促进（jìn）测绘行业的发展。

无（wú）人机航测技术将给（gěi）测绘工作带来深刻的（de）变化。

首先从外业数据采集（jí）上（shàng），无人机（jī）航测（cè）技术是无接触测量（liàng）技术，这使得它直接突破了传统光学全站仪和GPS技（jì）术的限（xiàn）制（zhì）。使用者无需离开仪（yí）器即可采集数据，以往难于到达目（mù）标物（wù）的工程项目得以方（fāng）便（biàn）的完成。如（rú）：地形测量上的高悬的陡崖（yá）、隔（gé）河流的边（biān）坡监测、危（wēi）险的滑坡地段，有毒区（qū）域的测量、危险的高压（yā）电（diàn）力设施等等（děng）。这（zhè）些项目在（zài）以往是（shì）很难或者无法完成（chéng）的高技术（shù）高“含金量”的项目，有了无人机航测系统， 系数（shù）大大提高。

当然，该技（jì）术（shù）用在较为（wéi）普通的项（xiàng）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接受机的工作（zuò）变成“无接触（chù）、无跑动”的工作（zuò），减少了工作量，减少了人力，减少了人（rén）为误差，降（jiàng）低了劳动强度（dù），还提高了效率。

另外，无人机航（háng）测系统的数据采集速度是（shì）常规仪（yí）器的数万倍，极大地提高（gāo）了（le）外业工作的效率（lǜ）。比如（rú）测绘（huì）一（yī）个平方公里（lǐ）的1:2000地形图全站仪人（rén）工跑棱（léng）镜测（cè）图（tú），几乎是一台全站仪2个人（rén）苦干两天（tiān）的工作，即使是用1+1 RTK技术也需要2天（tiān），而（ér）使用无（wú）人机（jī）加一（yī）个人仅（jǐn）需（xū）要不到（dào）30分钟（zhōng）。其（qí）效率是不（bú）言而（ér）喻的（de），效益也是（shì）非常明显（xiǎn）的。

可能有（yǒu）人会（huì）说航测的内业工作量巨大，因（yīn）为（wéi）航（háng）片的数据需要（yào）人工拼接，处理成图，费时（shí）费力。其（qí）实（shí）这已经是过去了，现（xiàn）有（yǒu）软件已经很好地实现图幅的（de）自动拼（pīn）接和匹配，数据的自动化处理成都也很（hěn）好，而且数据（jù）精度可靠、整体一（yī）致性好。

在航测后处理软件里，数据可以（yǐ）任意（yì）的裁剪、取（qǔ）样。如选择不同（tóng）的（de）区（qū）域作（zuò）不同的处理，可（kě）以任意按需抽取一部分数据或（huò）者去掉一部分数据。如，可以自定将地形上特征（zhēng）地（dì）物（wù）进行提取。

当（dāng）然，航（háng）测（cè）数据处理更多的是利（lì）用（yòng）自动、批量处理工具进（jìn）行的，如批量（liàng）生成断面线、任意纵横剖面（miàn）线、等高线生成与标注（zhù）、线状地物的提取和体（tǐ）积或填挖的计算等等；只（zhī）需要选（xuǎn）择好操作区域，填入几个要求（qiú）数据如等高距、断面间（jiān）距、填挖（wā）平衡点等，程序即可按照（zhào）要求数据自动（dòng）计算给（gěi）出结果，这一个过程远远快于传统手段！

航（háng）测数据经过处理后将快（kuài）速的提供高质量的（de）视（shì）觉效果鲜（xiān）明的二维、三维（wéi）成果，比以往的数据表格要更为丰富（fù）更为直观。

所（suǒ）以，无人机航测技术（shù）将从外业、内业（yè）和成果（guǒ）方面深刻而积极的改变测绘（huì）工作。

无人（rén）机航测技术不（bú）仅仅将大大（dà）提升测绘水（shuǐ）平，还将极大的（de）扩展（zhǎn）测绘技术的（de）应用面，带来更（gèng）多业务（wù）提供（gòng）更（gèng）多的测绘（huì）产品。这是因为该技术是虚拟现（xiàn）实技术的必（bì）要手段，为真3D GIS地理信息系统、为矿（kuàng）产业的开采模拟、为企业的模拟培训、数字化管理和为（wéi）军（jun1）队的模拟训练等等提供必需的基础数据成果。

与（yǔ）现代化的传统测绘工具全（quán）站仪和GPS RTK接收机不（bú）同，这些仪器仅能单点采（cǎi）集数据（jù），仅能用于测绘上（shàng）测（cè）点或者点放样、控制测量等，无人机航（háng）测（cè）技术（shù）以其（qí）技术特色超越了测绘行业的限（xiàn）制。在这个数字化地球、数字化城市概念深入人（rén）心（xīn）的时代，这个“视觉经（jīng）济”时代，无人机航测技术必将（jiāng）在国民（mín）经济的建设中发（fā）挥重要（yào）的作用。

目前，无人机（jī）航测技（jì）术已经在（zài）发（fā）达（dá）国家测绘单位中逐渐大范围采用。在中国，经济的飞速发展（zhǎn），庞大的（de）基础设施（shī）建设规（guī）模，使得各行业对（duì）无人机有着强（qiáng）劲的（de）需（xū）求，再加上门槛（经济、技术）的降低，拥有无人（rén）机的单位越来越（yuè）多，整（zhěng）体呈（chéng）快速上升趋势。

无人机航测系统已经（jīng）相当成熟，体积小巧携带方便；有着（zhe）简单明了的内外业（yè）流程（chéng）；不一（yī）样的（de）是采集方法更简单，设定完参数就等自动飞行采（cǎi）集数据；因此，一般测量员（yuán）即可（kě）操作（zuò），没有（yǒu）什么（me）高技能要求（qiú）。内业的操作同样是自（zì）动化程度高，一（yī）般的内（nèi）业数据处理人员即可掌握。