無(wú)人飛行器低空遙感技術(shù)及其在大比例尺測(cè)繪中的應(yīng)用

1、無(wú)人飛行器低空遙感技術(shù)及其在大比例尺測(cè)繪中的應(yīng)用金云根（江西省地礦測(cè)繪院 江西 南昌 330030）摘要：無(wú)人飛行器低空遙感系統(tǒng)是一種高機(jī)動(dòng)性的小型化、專用化遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以無(wú)人駕駛飛行器為飛行平臺(tái)，以高分辨率數(shù)字遙感設(shè)備為機(jī)載傳感器，以獲取低空高分辨率遙感數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo)，可用于國(guó)土資源調(diào)查中突發(fā)性應(yīng)急監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)、遙感采樣定標(biāo)等數(shù)據(jù)的快速獲取和處理關(guān)鍵詞：無(wú)人飛行器 遙感 低空 無(wú)人飛行器低空遙感，是綜合利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙控程控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS 差分定位技術(shù)的遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動(dòng)化、智能化、專用化快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處

2、理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)。無(wú)人飛行器低空遙感系統(tǒng)由于具有機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已逐步從研究開發(fā)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，將成為未來(lái)的主要航空遙感技術(shù)之一。1 無(wú)人飛行器低空遙感系統(tǒng)組成1.1無(wú)人駕駛飛行器    無(wú)人駕駛飛行器是通過(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，無(wú)人駕駛飛行器可分為固定翼型無(wú)人機(jī)、無(wú)人駕駛直升機(jī)和無(wú)人駕駛飛艇等種類。固定翼型無(wú)人機(jī)通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)和機(jī)翼的滑行實(shí)現(xiàn)起降和飛行，遙控飛行和程控飛行均容易實(shí)現(xiàn)，抗風(fēng)能力強(qiáng)，是類型最多、應(yīng)用最廣泛的無(wú)人駕駛飛行器。起飛方式有滑行、彈射、車載、火箭助推和飛機(jī)投放等；降落方式有

3、滑行、傘降和撞網(wǎng)等。其發(fā)展趨勢(shì)是微型化和長(zhǎng)航時(shí)，目前微型化的無(wú)人機(jī)只有手掌大小，長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的體積一般比較大，續(xù)航時(shí)間在10小時(shí)以上，能同時(shí)搭載多種遙感傳感器。無(wú)人駕駛直升機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是能夠定點(diǎn)起飛、降落，對(duì)起降場(chǎng)地的條件要求不高，其飛行也是通過(guò)無(wú)線電遙控或通過(guò)機(jī)載計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)程控。但無(wú)人駕駛直升機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，操控難度也較大，因此種類不多，實(shí)際應(yīng)用也比較少。飛艇是通過(guò)艇囊中填充的氦氣或氫氣所產(chǎn)生的浮力以及發(fā)動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行。它的出現(xiàn)和應(yīng)用比飛機(jī)還要早，隨著飛機(jī)的逐漸完善化和實(shí)用化，飛艇被飛機(jī)取代。但是無(wú)人駕駛飛艇獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使人們從未放棄對(duì)它的開發(fā)和應(yīng)用，大型飛艇可以搭載

4、1000公斤以上的載荷飛到20000米的高空，留空時(shí)間可以達(dá)一個(gè)月以上；小型飛艇可以實(shí)現(xiàn)低空、低速飛行，作為一種獨(dú)特的飛行平臺(tái)能夠獲取高分辨率遙感影像，同時(shí)，無(wú)人駕駛飛艇系統(tǒng)操控比較容易，安全性好，可以使用運(yùn)動(dòng)場(chǎng)或城市廣場(chǎng)等作為起降場(chǎng)地，特別適合在建筑物密集的城市地區(qū)和地形復(fù)雜地區(qū)應(yīng)用，如城市地形圖的修測(cè)、補(bǔ)測(cè)，數(shù)字城市建立時(shí)的建筑物精細(xì)紋理的采集、城市交通監(jiān)測(cè)、通訊中繼等領(lǐng)域。1.2遙感傳感器遙感傳感器是根據(jù)不同類型的遙感任務(wù)，搭載使用相應(yīng)的機(jī)載遙感設(shè)備，主要有高分辨率CCD數(shù)碼相機(jī)、輕型光學(xué)相機(jī)、多光譜成像儀、紅外掃描儀，激光掃描儀、磁測(cè)儀、合成孔徑雷達(dá)等。使用的遙感傳感器應(yīng)具備數(shù)字化、體

5、積小、重量輕、精度高、存儲(chǔ)量大、性能優(yōu)異等特點(diǎn)。1.3 遙感數(shù)據(jù)的后處理技術(shù)目前的無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)多使用小型數(shù)字相機(jī)（或掃描儀）作為機(jī)載遙感設(shè)備，與傳統(tǒng)的航片相比，存在像幅較小、影像數(shù)量多等問(wèn)題，針對(duì)其遙感影像的特點(diǎn)以及相機(jī)定標(biāo)參數(shù)、拍攝（或掃描）時(shí)的姿態(tài)數(shù)據(jù)和有關(guān)幾何模型對(duì)圖像進(jìn)行幾何和輻射校正，采用相應(yīng)的軟件進(jìn)行交互式的處理。同時(shí)還有影像自動(dòng)識(shí)別和快速拼接軟件，實(shí)現(xiàn)影像質(zhì)量、飛行質(zhì)量的快速檢查和數(shù)據(jù)的快速處理，以滿足整套系統(tǒng)實(shí)時(shí)、快速的技術(shù)要求。進(jìn)一步的建摸、分析及量測(cè)使用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站JX4C、VirtuoZo或其它的遙感圖像處理軟件。2 技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)2.1使用普通面陣數(shù)碼相機(jī)

6、進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)采集無(wú)人駕駛飛行器遙感系統(tǒng)以獲取高分辨率遙感數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo)，通過(guò)3S技術(shù)在系統(tǒng)中的集成應(yīng)用，達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)地觀測(cè)能力和遙感數(shù)據(jù)快速處理能力。目前無(wú)人駕駛飛行器搭載的主要遙感傳感器為面陣CCD數(shù)字相機(jī)，而市場(chǎng)上的小型專業(yè)級(jí)數(shù)字相機(jī)還不能達(dá)到量測(cè)相機(jī)的要求，為使獲取的遙感影像能夠滿足大比例尺測(cè)圖的精度，一般根據(jù)相機(jī)的幾何成像模型，作相關(guān)的檢校工作，得到相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)，必要時(shí)可以采用特殊的檢測(cè)手段，測(cè)定每個(gè)像元的畸變量。與傳統(tǒng)的航片相比，小型數(shù)字相機(jī)獲取的遙感數(shù)據(jù)存在像幅較小、影像數(shù)量多等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已成功研制多相機(jī)組合寬角攝影系統(tǒng)。2.2逐步實(shí)現(xiàn)低空遙感與后處理一體化作業(yè)隨著技術(shù)發(fā)展，數(shù)字相

7、機(jī)重量會(huì)更輕，無(wú)人飛行器控制技術(shù)會(huì)更先進(jìn)，無(wú)人飛行器將會(huì)有更大的發(fā)展。加上無(wú)人飛行器具有由于價(jià)格低廉、體積小、重量輕，受限制小，運(yùn)輸方便等許多優(yōu)點(diǎn)，為測(cè)繪單位自己實(shí)行航拍提供了可能。由于傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)和天氣條件的依賴性較大，成本較高。制約了測(cè)繪單位向社會(huì)提供空間信息的速度，因此必須將低空遙感與后處理整合在一個(gè)單位完成從而實(shí)現(xiàn)航測(cè)作業(yè)的空中、地面、內(nèi)業(yè)、外業(yè)一體化。 2.3精確導(dǎo)航和定點(diǎn)曝光使用測(cè)量型GPS進(jìn)行精確導(dǎo)航和定點(diǎn)曝光，在航攝飛行中直接測(cè)定攝影機(jī)的位置和姿態(tài)，經(jīng)聯(lián)合數(shù)據(jù)后處理，獲得測(cè)圖所需的高精度航片外方位元素，可實(shí)現(xiàn)不需要地面控制點(diǎn)或極少地面控制點(diǎn)的航片定向，進(jìn)而大大縮短航測(cè)

8、成圖生產(chǎn)周期，節(jié)省成圖費(fèi)用；同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)高精度的定點(diǎn)補(bǔ)拍和重拍，地表變更后，高精度的定點(diǎn)重拍還可以實(shí)現(xiàn)城市信息的高效快速更新；精確曝光使得航向和旁向的曝光量都在一條直線上，旁向也可以構(gòu)成“航線”進(jìn)行相對(duì)定向，有利于高冗余航拍處理。2.4向全自動(dòng)化方向發(fā)展由于無(wú)人飛行器低空遙感數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)航攝相比，具有無(wú)可比擬的經(jīng)濟(jì)性。因此在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可以采用航向80%（甚至90%）重疊，旁向60%重疊，且航線與坐標(biāo)系橫軸基本重合，旁向投影中心連線與坐標(biāo)系豎軸基本重合這種網(wǎng)狀高冗余航空攝影方式，能為將來(lái)全自動(dòng)影像流水線提供資料，可以快速全自動(dòng)生產(chǎn)各種數(shù)字產(chǎn)品。加之隨著高性能臺(tái)式機(jī)的出現(xiàn)，進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)后處

9、理的攝影測(cè)量工作站將逐漸在硬件上使用基于多核64位CPU的“刀片”計(jì)算機(jī)，在軟件上使用64位操作系統(tǒng)和64位高級(jí)語(yǔ)言C+，以及能將串行計(jì)算并行化的平臺(tái)。這為攝影測(cè)量工作站從全數(shù)字化過(guò)渡到全自動(dòng)化方向發(fā)展提供了基礎(chǔ)。3 在大比例尺地形測(cè)繪中的應(yīng)用由于傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)對(duì)機(jī)場(chǎng)和天氣條件的依賴性較大，成本較高，航攝周期較長(zhǎng)，限制了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)在大比例尺地形測(cè)繪中應(yīng)用。對(duì)于測(cè)繪面積較小的大比例尺地形測(cè)繪任務(wù)（一般小于20km2），作業(yè)單位一般采用全野外數(shù)據(jù)采集方法成圖。由于無(wú)人飛行器低空遙感系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)數(shù)碼相機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)光圈、快門和調(diào)節(jié)感光度ISO，并通過(guò)軟件對(duì)彩色、反差、

10、亮度進(jìn)行調(diào)整和消霧處理，從而在陰天、輕霧天也可獲得合格的彩色影像。因此小范圍的大比例尺地形測(cè)繪任務(wù)也可以采用全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，將大量野外工作轉(zhuǎn)入內(nèi)業(yè)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了工效。利用現(xiàn)有的全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站可以很容易獲得數(shù)字正射影像地圖（DOM）、數(shù)字線劃地圖（DLG）、數(shù)字地面模型（DEM）等測(cè)繪產(chǎn)品。利用無(wú)人飛行器低空遙感技術(shù)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)繪的作業(yè)方法與傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量作業(yè)方法基本相同，作業(yè)流程圖如下：測(cè)區(qū)首級(jí)控制測(cè)量低空遙感數(shù)據(jù)源采集（航拍）像片控制點(diǎn)連測(cè)GPS輔助空中三角測(cè)量DEM向量測(cè)圖DOM立體模型內(nèi)定向自動(dòng)相對(duì)定向核線重采樣絕對(duì)定向裁切核線影像 4 結(jié)束語(yǔ)無(wú)人飛行器低空遙感技術(shù)作為一項(xiàng)空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段，具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)、成本低、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。是衛(wèi)星遙感與有人機(jī)航空遙感的有力補(bǔ)充，和衛(wèi)星遙感與有人機(jī)航空遙感相結(jié)合，可以形成高中低平臺(tái)、粗中細(xì)分辨率互補(bǔ)的立體監(jiān)測(cè)體系，滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展所需的高