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摘要:本文结合实际，介绍了无人机系统快速测绘的概念，分析了具体的作业流程和优缺点，供大家借鉴参考。
关键词:无人机系统；快速测绘；分析
Abstract: Combined with the actual, this paper introduces the concept of the UAV system fast mapping, and analyzes the specific operating processes and advantages and disadvantages, for your reference.
Key words: UAV system; fast mapping; analysis
中图分类号:TP79文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
近年来,随着经济建设的快速发展,地表形态发生着剧烈变化,迫切需要实现地理空间数据的快速获取与实时更新。航空摄影是快速获取地理信息的重要技术手段,是测制和更新国家地形图以及地理信息数据库的重要资料源,在空间信息的获取与更新中起着不可替代的作用。应实时化测绘的需求,无人机航摄近年来发展迅猛,随着无人机与数码相机技术的出现与发展,基于无人机平台的数字航摄技术已显示出其独特的优势,在应急数据获取与小区域低空测绘方面有着广阔的应用前景。无人飞行器与航空摄影测量相结合,成为航空对地观测的新遥感平台被引入测绘行业,加上数码相机的引入,就使得“无人机数字低空遥感”成为航空遥感领域的一个崭新发展方向。“无人机数字低空遥感”有低成本、快捷、灵活机动等显著特点,可成为卫星遥感和有人机遥感的有效补充手段。本文主要论述了无人机数字航摄系统的性能与特点以及利用其实施的低空摄影测量试验,通过试验论证了该系统的可行性与优势。
1、“无人机低空遥感”系统简介及发展状况
无人飞行器遥感技术有其他遥感技术不可替代的优点,可成为卫星遥感和有人机遥感的有效补充手段,该技术主要涉及飞机平台、测控及信息传输、传感器、遥感空基交互控制、地面实验/处理/加工、以及综合保障等相关技术领域。我国无人飞行器航空遥感技术的进步不仅表现在无人飞行器的研制,还表现在正好适用于航空遥感的飞行控制系统、遥感通讯系统的研制,更表现为轻小型化传感器及其数据处理系统相匹配的航空遥感系统集成,最终形成可执行航空遥感任务的业务系统。
目前,我国已有多家科研机构和公司研制出轻小型无人机遥感系统(固定翼无人机和无人直升机低空遥感系统)。目前比较适用的低空遥感无人机,一般任务载重10kg～20kg,安装1～4个面阵数码相机,适宜获取0.05m～0.50m分辨率的光学彩色影像。机上安装GPS和轻小型稳定平台,因此可以支持全自动空中三角测量,实现稀少地面控制点的高精度测量。
“无人机低空遥感”系统组成
本文论述的无人机数字航摄系统是自主产权的“华鹰”无人机数字航摄系统,该系统是是基于固定翼飞行平台的现代化城镇空间数据采集系统,系统见图1所示。该系统采用具备姿态、速度和高度精确控制与数据记录，以GPS导航为基础的自动驾驶仪，搭配千万像素级135型全画幅单反数码相机和姿态稳定云台，可快速获取1:2000大比例尺真彩色航空影像。
该系统的无人机重20kg,长2.1m,翼展2.6m,它采用一台空活塞发动机推进,巡航速度110km/h,升限达到海拔3500m,续航时间3小时。该系统采用了先进的GPS导航自主飞行,航线全自动规划,飞行航迹、高度和姿态高精度自动控制等一系列先进技术,具备了良好的飞行性能,只需要一条100m长的跑道,周围没有突出的障碍物,无人机就可以自主起降,如果采用遥控起降方式,则只需要二三十米长的跑道。起飞后,盘旋一圈,检验飞行状态,就可以按照预先设定的航线,自动飞往预定目标执行任务。它主要包括：
2.1空中部分:云台(含稳定平台)、数码相机、执行部分、自动控制设备、差分GPS、摄像机、通讯设备。
2.2地面部分:地面GPS、手控設备、编码器、计算机、通讯设备。
该系统通过无线链路方式连接连接地面与空中设备。
图1
“无人机低空遥感”系统控制指标
通过各项技术控制,该系统的航摄质量所达到的如下:
3.1 航向重叠度:55%～80%可调,最大可设置为80%,重叠度平均差:≤±4%
3.2 旁向重叠度:25%～50%可调,最大可设置为90%,重叠度平均差:≤±4%
3.3 横滚、俯仰角:≤1.5°;旋偏角:≤3°
3.4 航摄高度稳定能力:≤±5m;
3.5航线偏差:≤±3m;
3.6 1km航线弯曲度:≤0.5%
无人机航摄系统技术流程
数字航摄作业与传统胶片航摄相比,影像无需冲洗和扫描,作业步骤减少了许多,这样可以大大缩短测绘产品生产周期,采用本文论文的无人机数字航摄系统进行作业的具体数字航测作业流程见图2所示。
图2
4.1资料收集及技术设计
首先，应充分收集测区现有资料，主要包括：1:10000地形图、高等级控制点情况、测区地形、相对高度、植被分布、天气状况情况。
4.2 航线及测区划分
根据本测区地形及成图比例尺等因素情况确定本次飞行的航高，确保无人机在安全的高度上飞行。考虑成图精度等因素，如果测区的相对高差较大，还需根据海拔高度分片区进行。考虑地形分布情况，确定航摄时的具体飞行路线。
4.3外业航空摄影
掌握天气动态，选择最有利的外部条件，尽量减少外部覆盖物（积雪、植被）对摄影与测图的不良影响。航摄方向一般均为东西方向，可减弱日照方面的影响。选择航摄时间既要考虑充足的光照度，又要避免过大的阴影。
4.4像控布设及像控点联测
一般采用区域法布设像控点，布设方式成格网状，格网点附近即是像控点的采集区域。在测区外围及地形变换处应布设平高点。
4.5内业空三加密
无人机所获取的航片有“像幅小，影像畸变大，旋偏角和翻滚角大”等特点，内业计算量非常大。该系统采用的空三加密模块和平差模块可快速并行处理海量数据，能够快速高效地生成大量高精度、高强度的模型连接点，获得高精度的空三加密结果，满足成图要求。
4.6 立体测图
采用现代数字摄影测量软件可自动进行以下工作，如：内业立体判测、模型连接等工作。并具备自动、最优地切换立体模型，无需生成核线影像。极大地减轻了测绘人员工作劳动强度，非常适合无人机航摄成图。
另一方面，由于无人机有其独有的特点，如：像元分辨率低（只有DMC的一半左右），内业判读困难，因此，在实际生产作业中我们应该适当增加大人工干预的力度。尤其要注意对于难于判断其是的点状地物。如：电杆、水塔或烟囱等的判读。
4.7 外业补测及调绘
如果在航摄过程中存在植被遮盖及阴影无法进行立体测图则可采用常规测量方式进行外业调绘及补测。
4.8 图形编辑及成果上交
（略）
5、快速测绘试验及结论
以下为位于我国中部某省境内试验区情况为例。该测区总面积约11km2,地形起伏较小属以平原为主地形伴有部分丘陵，成图比例尺为1:2000。
无人机搭载的是佳能EOS-5DⅡ型数字相机,该相机的像元为6.8um,CCD像幅为4K×5K,即2千万像素,飞行共设计了10航线,每条航线43个曝光点(43张影像),相机的标称焦距35mm,经严密几何检校后的实际焦距35.470mm,设计的地面采样间隔(GSD)为12cm,对应的飞行相对航高为650m。
影像的自由网空三加密采用的是AT-Matrix空三软件,矢量测图采用的是JX4-C数字摄影测量工作站。通过内业数据采集,镶嵌图中没有出现影像拉花、地物扭曲变形、线性地物错位等情况。在25个工作日内，生产单位完成了从设计、像空、测图等全部工作，高质高效地获得了本测区1:2000地形图及高清正射影像图成果。
以下表3为实验区部分空三成果加密精度情况。
表3多余控制点误差表
表中的△XY为平面位置误差，即△XY=，上表所列多余控制点平面与高程残差最大差值均小于规范限差。
以下为成果数据平面、间距及高程点检查情况
表4 数学精度检查统计表
本次无人机数字航摄系统的航测试验结果完全满足平原及丘陵地区1：2000地形图规范要求,同时也论证了本系统在航测实践中的可行性。
6、无人机航摄系统应用的优缺点分析
无人机数字航摄系统是低空快速遥感的热点,利用无人机进行航摄不存在机场调机问题,从而大大地节约了飞行成本,同时无人机数字航摄系统具有轻便、快捷、灵活机动等特点,为测绘数据的快速实时获取与更新奠定了基础,特别适用于小范围大比例尺的遥感应急救灾快速响应。
但是，同時无人机航摄系统也有明显的局限性,该系统对载荷的体积重量有严格限制,对载荷的抗震性能也有较高要求,而且系统的像幅小,导致飞行效率低,航拍工作量大,从而很难适应于较大区域测绘。另外,本无人机数字航摄系统搭载的是单头数字相机,基高比较小,导致航测的高程精度不高,如何提高该系统的航测高程精度,将是下一步研究的重点。
7、结语
本文介绍了以无人机为平台的数字航摄系统的性能与特点,以及利用该系统进行航测作业的技术流程,并介绍了利用该系统实施的1：2000航测试验实例,试验证明了该系统的可行性与适用性,且特别适合于小区域应急测绘数据的获取与更新。
参考文献：
［1］吴云东,张强.立体测绘型双翼民用无人机航空摄影系统的实现与应用[J].测绘科学技术学报,2003(3).
［2］康峰.无人机系统发展总体趋势分析[J].无线电工程,2004(1).
［3］彭晓东,林宗坚.无人飞艇低空航测系统[J].测绘科学,2009(4).
［4］张建霞,王留召,刘先林,等.数字航空摄影测量的相机检校[J].测绘通报,2005(11).
［5］卢秀山,冯尊德,王东,等.数码相机检校中的病态性及其解决措施[J].武汉大学学报(信息科学版),2003(S1).
［6］张剑清,潘励,王树根.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2003.
关键词:无人机系统；快速测绘；分析
Abstract: Combined with the actual, this paper introduces the concept of the UAV system fast mapping, and analyzes the specific operating processes and advantages and disadvantages, for your reference.
Key words: UAV system; fast mapping; analysis
中图分类号:TP79文献标识码： A文章编号：2095-2104（2012）
近年来,随着经济建设的快速发展,地表形态发生着剧烈变化,迫切需要实现地理空间数据的快速获取与实时更新。航空摄影是快速获取地理信息的重要技术手段,是测制和更新国家地形图以及地理信息数据库的重要资料源,在空间信息的获取与更新中起着不可替代的作用。应实时化测绘的需求,无人机航摄近年来发展迅猛,随着无人机与数码相机技术的出现与发展,基于无人机平台的数字航摄技术已显示出其独特的优势,在应急数据获取与小区域低空测绘方面有着广阔的应用前景。无人飞行器与航空摄影测量相结合,成为航空对地观测的新遥感平台被引入测绘行业,加上数码相机的引入,就使得“无人机数字低空遥感”成为航空遥感领域的一个崭新发展方向。“无人机数字低空遥感”有低成本、快捷、灵活机动等显著特点,可成为卫星遥感和有人机遥感的有效补充手段。本文主要论述了无人机数字航摄系统的性能与特点以及利用其实施的低空摄影测量试验,通过试验论证了该系统的可行性与优势。
1、“无人机低空遥感”系统简介及发展状况
无人飞行器遥感技术有其他遥感技术不可替代的优点,可成为卫星遥感和有人机遥感的有效补充手段,该技术主要涉及飞机平台、测控及信息传输、传感器、遥感空基交互控制、地面实验/处理/加工、以及综合保障等相关技术领域。我国无人飞行器航空遥感技术的进步不仅表现在无人飞行器的研制,还表现在正好适用于航空遥感的飞行控制系统、遥感通讯系统的研制,更表现为轻小型化传感器及其数据处理系统相匹配的航空遥感系统集成,最终形成可执行航空遥感任务的业务系统。
目前,我国已有多家科研机构和公司研制出轻小型无人机遥感系统(固定翼无人机和无人直升机低空遥感系统)。目前比较适用的低空遥感无人机,一般任务载重10kg～20kg,安装1～4个面阵数码相机,适宜获取0.05m～0.50m分辨率的光学彩色影像。机上安装GPS和轻小型稳定平台,因此可以支持全自动空中三角测量,实现稀少地面控制点的高精度测量。
“无人机低空遥感”系统组成
本文论述的无人机数字航摄系统是自主产权的“华鹰”无人机数字航摄系统,该系统是是基于固定翼飞行平台的现代化城镇空间数据采集系统,系统见图1所示。该系统采用具备姿态、速度和高度精确控制与数据记录，以GPS导航为基础的自动驾驶仪，搭配千万像素级135型全画幅单反数码相机和姿态稳定云台，可快速获取1:2000大比例尺真彩色航空影像。
该系统的无人机重20kg,长2.1m,翼展2.6m,它采用一台空活塞发动机推进,巡航速度110km/h,升限达到海拔3500m,续航时间3小时。该系统采用了先进的GPS导航自主飞行,航线全自动规划,飞行航迹、高度和姿态高精度自动控制等一系列先进技术,具备了良好的飞行性能,只需要一条100m长的跑道,周围没有突出的障碍物,无人机就可以自主起降,如果采用遥控起降方式,则只需要二三十米长的跑道。起飞后,盘旋一圈,检验飞行状态,就可以按照预先设定的航线,自动飞往预定目标执行任务。它主要包括：
2.1空中部分:云台(含稳定平台)、数码相机、执行部分、自动控制设备、差分GPS、摄像机、通讯设备。
2.2地面部分:地面GPS、手控設备、编码器、计算机、通讯设备。
该系统通过无线链路方式连接连接地面与空中设备。
图1
“无人机低空遥感”系统控制指标
通过各项技术控制,该系统的航摄质量所达到的如下:
3.1 航向重叠度:55%～80%可调,最大可设置为80%,重叠度平均差:≤±4%
3.2 旁向重叠度:25%～50%可调,最大可设置为90%,重叠度平均差:≤±4%
3.3 横滚、俯仰角:≤1.5°;旋偏角:≤3°
3.4 航摄高度稳定能力:≤±5m;
3.5航线偏差:≤±3m;
3.6 1km航线弯曲度:≤0.5%
无人机航摄系统技术流程
数字航摄作业与传统胶片航摄相比,影像无需冲洗和扫描,作业步骤减少了许多,这样可以大大缩短测绘产品生产周期,采用本文论文的无人机数字航摄系统进行作业的具体数字航测作业流程见图2所示。
图2
4.1资料收集及技术设计
首先，应充分收集测区现有资料，主要包括：1:10000地形图、高等级控制点情况、测区地形、相对高度、植被分布、天气状况情况。
4.2 航线及测区划分
根据本测区地形及成图比例尺等因素情况确定本次飞行的航高，确保无人机在安全的高度上飞行。考虑成图精度等因素，如果测区的相对高差较大，还需根据海拔高度分片区进行。考虑地形分布情况，确定航摄时的具体飞行路线。
4.3外业航空摄影
掌握天气动态，选择最有利的外部条件，尽量减少外部覆盖物（积雪、植被）对摄影与测图的不良影响。航摄方向一般均为东西方向，可减弱日照方面的影响。选择航摄时间既要考虑充足的光照度，又要避免过大的阴影。
4.4像控布设及像控点联测
一般采用区域法布设像控点，布设方式成格网状，格网点附近即是像控点的采集区域。在测区外围及地形变换处应布设平高点。
4.5内业空三加密
无人机所获取的航片有“像幅小，影像畸变大，旋偏角和翻滚角大”等特点，内业计算量非常大。该系统采用的空三加密模块和平差模块可快速并行处理海量数据，能够快速高效地生成大量高精度、高强度的模型连接点，获得高精度的空三加密结果，满足成图要求。
4.6 立体测图
采用现代数字摄影测量软件可自动进行以下工作，如：内业立体判测、模型连接等工作。并具备自动、最优地切换立体模型，无需生成核线影像。极大地减轻了测绘人员工作劳动强度，非常适合无人机航摄成图。
另一方面，由于无人机有其独有的特点，如：像元分辨率低（只有DMC的一半左右），内业判读困难，因此，在实际生产作业中我们应该适当增加大人工干预的力度。尤其要注意对于难于判断其是的点状地物。如：电杆、水塔或烟囱等的判读。
4.7 外业补测及调绘
如果在航摄过程中存在植被遮盖及阴影无法进行立体测图则可采用常规测量方式进行外业调绘及补测。
4.8 图形编辑及成果上交
（略）
5、快速测绘试验及结论
以下为位于我国中部某省境内试验区情况为例。该测区总面积约11km2,地形起伏较小属以平原为主地形伴有部分丘陵，成图比例尺为1:2000。
无人机搭载的是佳能EOS-5DⅡ型数字相机,该相机的像元为6.8um,CCD像幅为4K×5K,即2千万像素,飞行共设计了10航线,每条航线43个曝光点(43张影像),相机的标称焦距35mm,经严密几何检校后的实际焦距35.470mm,设计的地面采样间隔(GSD)为12cm,对应的飞行相对航高为650m。
影像的自由网空三加密采用的是AT-Matrix空三软件,矢量测图采用的是JX4-C数字摄影测量工作站。通过内业数据采集,镶嵌图中没有出现影像拉花、地物扭曲变形、线性地物错位等情况。在25个工作日内，生产单位完成了从设计、像空、测图等全部工作，高质高效地获得了本测区1:2000地形图及高清正射影像图成果。
以下表3为实验区部分空三成果加密精度情况。
表3多余控制点误差表
表中的△XY为平面位置误差，即△XY=，上表所列多余控制点平面与高程残差最大差值均小于规范限差。
以下为成果数据平面、间距及高程点检查情况
表4 数学精度检查统计表
本次无人机数字航摄系统的航测试验结果完全满足平原及丘陵地区1：2000地形图规范要求,同时也论证了本系统在航测实践中的可行性。
6、无人机航摄系统应用的优缺点分析
无人机数字航摄系统是低空快速遥感的热点,利用无人机进行航摄不存在机场调机问题,从而大大地节约了飞行成本,同时无人机数字航摄系统具有轻便、快捷、灵活机动等特点,为测绘数据的快速实时获取与更新奠定了基础,特别适用于小范围大比例尺的遥感应急救灾快速响应。
但是，同時无人机航摄系统也有明显的局限性,该系统对载荷的体积重量有严格限制,对载荷的抗震性能也有较高要求,而且系统的像幅小,导致飞行效率低,航拍工作量大,从而很难适应于较大区域测绘。另外,本无人机数字航摄系统搭载的是单头数字相机,基高比较小,导致航测的高程精度不高,如何提高该系统的航测高程精度,将是下一步研究的重点。
7、结语
本文介绍了以无人机为平台的数字航摄系统的性能与特点,以及利用该系统进行航测作业的技术流程,并介绍了利用该系统实施的1：2000航测试验实例,试验证明了该系统的可行性与适用性,且特别适合于小区域应急测绘数据的获取与更新。
参考文献：
［1］吴云东,张强.立体测绘型双翼民用无人机航空摄影系统的实现与应用[J].测绘科学技术学报,2003(3).
［2］康峰.无人机系统发展总体趋势分析[J].无线电工程,2004(1).
［3］彭晓东,林宗坚.无人飞艇低空航测系统[J].测绘科学,2009(4).
［4］张建霞,王留召,刘先林,等.数字航空摄影测量的相机检校[J].测绘通报,2005(11).
［5］卢秀山,冯尊德,王东,等.数码相机检校中的病态性及其解决措施[J].武汉大学学报(信息科学版),2003(S1).
［6］张剑清,潘励,王树根.摄影测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2003.