李國(guó)順 王太坤

(濮陽(yáng)市國(guó)土資源局，河南 濮陽(yáng) 457000)

近幾年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，地表形態(tài)發(fā)生著劇烈變化，迫切需要實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的快速獲取與實(shí)時(shí)更新。無(wú)人機(jī)數(shù)字航攝系統(tǒng)是快速獲取地理信息的重要技術(shù)手段，是測(cè)制和更新國(guó)家地形圖及地理信息數(shù)據(jù)的重要資料源，在應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取和小區(qū)域低空測(cè)繪方面有著廣闊的應(yīng)用前景，起著不可替代的作用。

1 無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)概述

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)是以無(wú)人駕駛飛行器為飛行平臺(tái)，負(fù)載數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝錄機(jī)等數(shù)字遙感設(shè)備進(jìn)行拍攝和記錄，通過(guò)遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行影像的同步傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地理信息的調(diào)查與監(jiān)測(cè)，具有自動(dòng)化、智能化、專(zhuān)用化快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的技術(shù)。

1.1 科學(xué)選擇無(wú)人機(jī)

目前，世界上30 余個(gè)國(guó)家和地區(qū)已研制出50 多種無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)型號(hào)超過(guò)300 余種。在我們國(guó)家已有多家單位成功研制出無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)及后期數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，如“Quick-Eye”、“華鷹”、“飛象”等。在具體實(shí)測(cè)中，應(yīng)根據(jù)不同的區(qū)域、不同的地貌和飛行高度選擇作業(yè)參數(shù)不同的飛行平臺(tái)，如“智能鳥(niǎo)”、“飛象”等產(chǎn)品適合在平原地帶的中小城鎮(zhèn)，可以完成飛行高度要求不高的林業(yè)和草場(chǎng)監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、污染源及擴(kuò)散態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)、土地利用監(jiān)測(cè)以及水利、電力等領(lǐng)域的測(cè)制任務(wù);在一些大城市尤其是險(xiǎn)峻的山區(qū)，由于城市構(gòu)建物較高，山區(qū)山勢(shì)陡峭、起伏懸殊，地形地貌復(fù)雜，需要飛行高度較高、空速較大的無(wú)人機(jī)。如由中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所研發(fā)面市的“QuickEye”無(wú)人機(jī)，機(jī)長(zhǎng)2.3 米，翼展3 米，機(jī)高0.5米，適用相機(jī)CanonEOS5D 以上，最大燃油量9L，最大起飛重量28kg，最大任務(wù)載荷8kg。其主要作業(yè)參數(shù)見(jiàn)下表:

表1 “QuickEye”無(wú)人機(jī)主要作業(yè)參數(shù)

該產(chǎn)品可通過(guò)在空中的俯臥、橫滾、偏航等技術(shù)完成礦山資源監(jiān)測(cè)、單體滑坡勘查、火山環(huán)境監(jiān)測(cè)等飛行任務(wù)。

1.2 合理設(shè)置傳感器和分辨率

傳感器作為航攝系統(tǒng)的核心部件，起著至關(guān)重要的作用。目前數(shù)碼相機(jī)的影像傳感部件有兩種:一種是廣泛使用的CCD(電荷藕合)元件;另一種是CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物導(dǎo)體)器件。從工作原理看，CCD 的優(yōu)勢(shì)在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，成本居高不下;CMOS 價(jià)格比CCD 便宜，但是CMOS 器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比CCD 來(lái)說(shuō)要低一些。因此，必須根據(jù)工作需求，科學(xué)設(shè)置傳感器和分辨率，確定航拍高度，獲取理想、滿(mǎn)意的成果圖。成圖比例尺、航高、分辨率三者關(guān)系如下圖:

成圖比例尺、航高、精度關(guān)系參數(shù)

關(guān)于精度，還應(yīng)對(duì)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，抽取一定比例的最終成果進(jìn)行平面精度、高程精度檢測(cè)，間距中誤差丈量統(tǒng)計(jì)以及圖面巡視檢查，看地形圖的數(shù)學(xué)精度、地理精度是否符合要求;圖面內(nèi)容清晰性、地物地貌取舍度是否符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求等。

1.3 影像處理軟件

可采用中國(guó)測(cè)繪科學(xué)院的MAP-AT 軟件或者武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的DPGrid 低空航測(cè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件處理無(wú)人機(jī)影像，或使用其他遙感影像處理軟件進(jìn)行后期處理，生成相應(yīng)的數(shù)字正射影像及所需產(chǎn)品。但因數(shù)碼相機(jī)不是攝影測(cè)量的專(zhuān)業(yè)相機(jī)，拍攝到的數(shù)字圖像存在光學(xué)畸變誤差，像點(diǎn)坐標(biāo)需要進(jìn)行畸變差改正，自用像對(duì)中的同名點(diǎn)生成DEM(數(shù)字地面模型)，由DEM 可制作正射影像圖(DOM)，在制作過(guò)程中還需加入像控點(diǎn)，才能生成所需的正射影像圖。

1.4 地面控制系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)軟件在無(wú)人機(jī)飛行前進(jìn)行航線規(guī)劃，在飛行過(guò)程中要顯示飛行區(qū)域的航跡、電子地圖以及飛行參數(shù)和飛機(jī)的姿態(tài)參數(shù)。飛行過(guò)程中，所有飛行參數(shù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)下傳，操作者可在地面計(jì)算機(jī)上監(jiān)視飛行狀態(tài)，并根據(jù)航跡規(guī)劃和路徑調(diào)整來(lái)控制各種任務(wù)的執(zhí)行。

1.5 我國(guó)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)新華社統(tǒng)計(jì)，目前各地測(cè)繪地理信息部門(mén)已裝備無(wú)人飛機(jī)80 余架，初步建立起一個(gè)60 余支、遍布全國(guó)的無(wú)人飛機(jī)航攝系統(tǒng)低空遙感影像獲取服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，舉辦無(wú)人飛機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)培訓(xùn)班880 余人次，累計(jì)飛行超過(guò)900 架次，飛行950 余小時(shí)，獲取影像數(shù)據(jù)45 萬(wàn)余張。在青海玉樹(shù)地震、貴州關(guān)嶺特大型滑坡、云南怒江滑坡和泥石流災(zāi)害、云南盈江地震等重大自然災(zāi)害事件的應(yīng)急救災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。

2 無(wú)人機(jī)低空遙感的優(yōu)點(diǎn)

無(wú)人機(jī)是通過(guò)無(wú)線電遙控設(shè)備或機(jī)載計(jì)算機(jī)程控系統(tǒng)進(jìn)行操控的不載人飛行器，目前已成為世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)課題，逐步從研究開(kāi)發(fā)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，成為未來(lái)的主要航空遙感技術(shù)之一。

2.1 應(yīng)用簡(jiǎn)便靈活，易于操作。能通過(guò)地面運(yùn)輸能夠快速到達(dá)監(jiān)測(cè)區(qū)域，具有快速的機(jī)動(dòng)響應(yīng)能力;升空準(zhǔn)備時(shí)間短，起飛比較方便，受場(chǎng)地限制較小;不需機(jī)場(chǎng)，在操場(chǎng)、公路或其它較開(kāi)闊的地面均可起降;操作簡(jiǎn)單，機(jī)載高精度遙感設(shè)備可以在短時(shí)間內(nèi)快速獲取遙感影像數(shù)據(jù)，具有較高的快捷響應(yīng)能力。

2.2 遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能優(yōu)異。無(wú)人機(jī)航線控制精度高，飛行姿態(tài)平穩(wěn)，飛行操作自動(dòng)化、智能化程度高，便于掌握和培訓(xùn)。利用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)航攝影像清晰、分辨率高、沒(méi)有絕對(duì)漏洞，除個(gè)別像對(duì)需手工加點(diǎn)外，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)空三解算，精度達(dá)到1:1000 航測(cè)成圖要求。

2.3 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用成本低廉。無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)形體小，耗費(fèi)少，運(yùn)營(yíng)成本較低，對(duì)操作員的培養(yǎng)周期短，系統(tǒng)的保養(yǎng)和維護(hù)簡(jiǎn)便，同時(shí)不用租賃起飛和停放場(chǎng)地。

2.4 效率高，成果清晰準(zhǔn)確。與傳統(tǒng)全野外測(cè)量相比，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)可大大減少野外工作量，提高成圖效率。同時(shí)，利用真彩色正射影像數(shù)據(jù)，在土地規(guī)劃中設(shè)計(jì)人員可更清楚直觀的查看耕地狀況，利用DEM 數(shù)據(jù)，可方便的進(jìn)行坡度和土石方量的計(jì)算;在完成土地開(kāi)發(fā)后，可利用無(wú)人機(jī)再次航飛，通過(guò)疊加對(duì)比，能準(zhǔn)確地分析工程施工與設(shè)計(jì)的一致性及最終成效，有利于成果驗(yàn)收。

3 無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)利用飛行速度低、成像分辨率高，易于操作的特點(diǎn)，在國(guó)土資源、水利水電等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著巨大的作用。

3.1 國(guó)土資源執(zhí)法監(jiān)測(cè)應(yīng)用。通過(guò)無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)成果，發(fā)現(xiàn)和查處被監(jiān)測(cè)區(qū)域國(guó)土資源違法行為，建立國(guó)土資源動(dòng)態(tài)巡查監(jiān)管科技機(jī)制，做到對(duì)違法違規(guī)用地、濫占耕地、破壞生態(tài)環(huán)境等現(xiàn)象早發(fā)現(xiàn)、早制止、早查處。實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備高機(jī)動(dòng)性、便捷性、低使用成本等特點(diǎn)，在土地利用、礦產(chǎn)資源及開(kāi)發(fā)重點(diǎn)和熱點(diǎn)地區(qū)的重復(fù)監(jiān)測(cè)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3.2 自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)應(yīng)用。我國(guó)是自然災(zāi)害頻發(fā)的地方，災(zāi)害類(lèi)型繁多、地類(lèi)復(fù)雜，可利用低空遙感作災(zāi)害前的防范、預(yù)警;災(zāi)害中的調(diào)查、分析;災(zāi)害后的評(píng)估、救援。如在汶川大地震抗震救災(zāi)中，首次將低空遙感數(shù)據(jù)快速獲取、遙感數(shù)據(jù)并行處理、遙感快速測(cè)圖等技術(shù)相集成，快速獲取四川災(zāi)區(qū)3.5萬(wàn)余幅高分辨率航空影像，為國(guó)家加強(qiáng)救災(zāi)應(yīng)急能力提供了先進(jìn)、快捷、可靠的技術(shù)支撐。

3.3 國(guó)土測(cè)繪應(yīng)用。無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還能用于大比例尺土地利用圖測(cè)制、地形圖修測(cè)和補(bǔ)漏數(shù)據(jù)的獲取。實(shí)驗(yàn)證明，利用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)航攝影像清晰、分辨率高，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)空三解算，精度達(dá)到1:2000 比例尺航測(cè)成圖要求。

3.4 水利水電應(yīng)用?；跓o(wú)人機(jī)數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型，不僅能為大型水利工程(橋梁、堤壩、水庫(kù)、閘門(mén)等)提供選址服務(wù)，還能檢測(cè)施工進(jìn)程。水電工程環(huán)境大都十分險(xiǎn)峻，難以人工測(cè)制，利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)測(cè)制水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)和施工中必不可少的大比例尺地形圖，既安全、經(jīng)濟(jì)，又準(zhǔn)確、可靠。

3.5 小城鎮(zhèn)規(guī)劃應(yīng)用。目前我國(guó)仍有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的的小城鎮(zhèn)規(guī)劃缺乏高精度空間信息源。特別是許多小城鎮(zhèn)地處邊遠(yuǎn)地區(qū)、面積小、分布散，采用常規(guī)航空攝影耗費(fèi)高、采用人工測(cè)量困難多、采用超輕型飛機(jī)姿態(tài)難控制，而無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可為1:2000，1:5000，1:10000 規(guī)劃制圖提供經(jīng)濟(jì)快速的數(shù)據(jù)源。

4 結(jié)論

利用低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)獲取地面遙感影像，對(duì)天氣依賴(lài)小、起降無(wú)須專(zhuān)用機(jī)場(chǎng)、成本低和成像質(zhì)量高，非常實(shí)用于較小區(qū)域的大比例成圖。但由于無(wú)人機(jī)航測(cè)目前還處于發(fā)展探索階段，其技術(shù)規(guī)范中的相關(guān)技術(shù)要求還有待于不斷完善，因此作業(yè)程序大都沿用了航空攝影測(cè)量的基本方法和技術(shù)指標(biāo)。

［1］劉浩偉，王紀(jì)東.低空攝影測(cè)量系統(tǒng)及其DOM 制作關(guān)鍵技術(shù).第十七屆中國(guó)遙感大會(huì)摘要集［C］，2010，09.

［2］任立忠，劉倩.無(wú)人機(jī)地面站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).航空精密制造技術(shù)，2008，36(2):2-5.

［3］何敬，李永樹(shù)，徐京華等.無(wú)人機(jī)影像制作大比例尺地形圖實(shí)驗(yàn)分析.測(cè)繪通報(bào)，2009，(8):24-27.

［4］李兵.無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量技術(shù)的探索與應(yīng)用研究［J］.北京測(cè)繪，2008(1).

［5］牛永力.GPS 在航空攝影測(cè)量中的應(yīng)用［J］.河南科技，2012年11期