无人机航测系统可行性（xìng）分析（xī）

               西安宇（yǔ）航者（zhě）创新科技（jì）有（yǒu）限公（gōng）司

随着我国经济的快速发展以及科技进步，自（zì）动控制技术（shù）、GPS定位（wèi）导航技术、航空遥（yáo）感测绘技（jì）术以及无线电通（tōng）信等技术的发（fā）展，无人机的（de）使用已从军事（shì）领域拓（tuò）展到许多民（mín）用领域，如地形测绘、灾（zāi）情监测、林业调查、农作物监测等。其中利用（yòng）无（wú）人机航空摄影测量能够 完成工程建（jiàn）设规划及巡查（chá）任务。

1. 无人机摄影测量（liàng）技术概述

无（wú）人机(unmanned aerial vehicle)是（shì）一种由无线电遥控设备（bèi）或自身（shēn）程序控制装置操纵的（de）无人驾驶飞（fēi）行器（qì）。近年来（lái）地理空间信息技术取得了（le）飞速的发展，尤其是灵活机动、具有（yǒu）快速响应能力的轻小型航（háng）空，更是在.近几（jǐ）年迅（xùn）速（sù）成长，成为航空遥感领域一个引人注目的亮点（diǎn）。

无人（rén）机航测（cè）技术体现了无人机与测绘（huì）的紧密结合同（tóng）时也（yě）提供了更 的测绘（huì）方（fāng）式。经实验（yàn）证明，无人机航测技术完（wán）全可（kě）以（yǐ）达到1:1000国家航（háng）空摄影（yǐng）测量规范的（de）要（yào）求。

1.1无人机（jī）航测特点

 统由于航空遥（yáo）感平台及传感器（qì）的限制，普（pǔ）通的航（háng）空摄影测（cè）量手段在获取小面积、大比例（lì）尺数据方（fāng）面存（cún）在成（chéng）本高、性价比（bǐ）差等问题。具有低成本和机动灵活（huó）等诸多优点的（de）低空无人机遥感（gǎn）能在小区域内快速获取高质量（liàng）遥感影像，是（shì）国家（jiā）航（háng）空（kōng）遥（yáo）感监测（cè）体（tǐ）系（xì）的重（chóng）要补充，是航空遥感的未来发展（zhǎn）方向。在（zài）当（dāng）今（jīn）卫（wèi）星遥感和（hé）普通（tōng）航空遥感蓬勃发展的形势下，轻小型低空遥感是（shì）粗中细分辨率互补的立体监测体系中不可（kě）缺少的重（chóng）要（yào）技术手（shǒu）段。

低（dī）空无人机（jī）遥感系（xì）统，作为卫星遥（yáo）感（gǎn）与普通航空摄（shè）影（yǐng）不可（kě）缺少的（de）补充，它有如下（xià）优点：

无人机可以超低空飞行，可在云下飞行航（háng）摄，弥补了卫星光学遥感和普通航（háng）空摄（shè）影经常受云（yún）层（céng）遮挡（dǎng）获（huò）取不到影像（xiàng）的缺（quē）陷；

由于（yú）低（dī）空接近目标，因此能以比卫星遥感和普通航摄低得多的（de）代价（jià）得（dé）到更高分辨率的（de）影像；

能实现适应地形和地物的（de）导航与（yǔ）摄像（xiàng）控制，从（cóng）而得（dé）到多角度、多建筑（zhù）面的地面景物影（yǐng）像（xiàng），用以支持构建城市三维景观模型，而不局限于卫星遥（yáo）感与普通（tōng）航摄（shè）的正射影像常规产（chǎn）品（pǐn）；

使用成本低，无人机体形小, 耗费低, 对操作员的培养周期相对（duì）较短。系（xì）的保养（yǎng）和维修（xiū）简（jiǎn）便, 同（tóng）时（shí）不（bú）用租赁起飞（fēi）和停放场地（dì），可（kě）以无（wú）需机场起（qǐ）降（jiàng），因（yīn）而灵活机动，适应性强，容易成为用（yòng）户自主拥（yōng）有的设备；

回避（bì）了飞行员人身（shēn） 的风险；

比起野外实测而言，无人机航测方（fāng）法具有（yǒu）周期短、效率（lǜ）高、成本低等（děng）特点。

对于面积较小的（de）大（dà）比例尺地形（xíng）测（cè）量（liàng）任务(10-100平（píng）方公里)，受天气和空（kōng）域管理的限制（zhì）较多，成本高；而采用全野外数据采集（jí）方法成图，作业（yè）量（liàng）大，成（chéng）本也高。

而将（jiāng）无人机遥感系统进行工程（chéng）化、实用化开发，则可以利用它机动、快速、经济等优势，在阴（yīn）天（tiān）、轻雾天也能获取合格的彩色影像，从而（ér）将（jiāng）大量的野外工作转入内业，既能 劳动强度，又能提高作业的技术水平和精（jīng）度。

1.2国内无人机发展现状（zhuàng）

国内无人机近几年来（lái）发展比（bǐ）较快，而（ér）除军（jun1）事用途外，由（yóu）于（yú）无（wú）人机成本相（xiàng）对（duì）较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能（néng）好、使用方便等的优势，使（shǐ）得无人（rén）机（jī）在航空拍照、地质（zhì）测量、高压输（shū）电线路巡视、油田管路检查、高速（sù）公路管理、森林防火（huǒ）巡（xún）查、毒气勘（kān）察、缉（jī）毒和应急救援（yuán）、救护（hù）等民用领域应用前景（jǐng）极为广（guǎng）阔。正是（shì）因（yīn）为看到未来（lái）无人机的民用市场潜力巨大（dà），除一些科研（yán）院（yuàn）所外，民营企业也开始介入无人机市场（chǎng）。目前粗略估（gū）计（jì） 约（yuē）有170多（duō）家单位（wèi）在生产（chǎn）无人机。

2.无人机系统（tǒng）介绍（shào）

无人机系统结（jié）合了（le）无人机技术和摄（shè）影测量技术，是较（jiào）传统方式更为（wéi）灵活的航（háng）测平台。无人机系统可快速为用户（hù）获取采用传统（tǒng）方式需要较长项目（mù）周期和高昂费用（yòng）才（cái）能获取的（de）正射影（yǐng）像图（DOM）和数字地表（biǎo）模（mó）型（DSM），可（kě）应用在各个领域，包括灾（zāi）害（hài）应急制图（tú）、水文地质、基础测绘、国土（tǔ）规划、地理国情监测、矿山、公路、铁路、水利电力等带（dài）状地物测（cè）图等（děng）等。

旋翼无人机

2.1无人机系统组成

无人机系统都（dōu）是由硬件与软（ruǎn）件组（zǔ）成。

2.1.1硬件（jiàn）

配有电子（zǐ）控（kòng）制装置的无人飞机

发射（shè）架或旋（xuán）翼

备用机身

地（dì）面控制器或手机APP

无（wú）线通讯模块(2.4 GHz)

数码相机（已标（biāo）定）

电池充电器（qì）

高性能锂电池或燃（rán）油

备用件

2.1.2软件

系统软件包括外业控制软件与数据后处（chù）理软件。

（1）外业操（cāo）作（zuò）控制软件（jiàn）

通过该（gāi）软件可（kě）实现飞行（háng）任务设计、飞行规划（huá）、飞行（háng）操作与控制、飞（fēi）行成果质量检查与分析。

              图2无人机系统飞行任务设计

图3无（wú）人机系（xì）统飞行规划

（2） 数据后处理软件，包括Global Mapper，Pix4Dmapper等                                           

该软（ruǎn）件提供简（jiǎn）易、直观的数据处理流程，用于原始数（shù）据的处理，提取各种成果（guǒ）数据，如正射影（yǐng）像、数字高程模型（DEM）、KML格式数据、3D模（mó）型数据以（yǐ）及点云数据（jù）等。

      图4  无（wú）人机后处理软件Pix4Dmapper数据（jù）导入处理                

     图5  无人机系统后处理软件Pix4Dmapper——生成正（zhèng）射影像

图6  无（wú）人（rén）机（jī）系统后处理软件Pix4Dmapper——生成数字表面模（mó）型（DSM）

2.2  无人机（jī）系（xì）统的特点与（yǔ）优势

作为全（quán）新一代的无人机航空摄影测量测（cè）量系统，具有（yǒu）以（yǐ）下特点与优势：

1. 云下自主飞行，作业航高在75~750m。

2. 操作简单、方便快（kuài）捷（jié）、快速

3. 自动化数字图像处理

4. 中小（xiǎo）区域测图，地面采样间隔（gé）（GSD）达（dá）到（dào）2.4cm

5. 高频率、多时相扫描拍摄覆盖整个测区，全自动地采（cǎi）集高（gāo）分辨率原始数字图像（xiàng），并且每条航带上的数（shù）字图像（xiàng）都具有GPS位（wèi）置与飞行姿态信息。

6. 随时（shí）获取目标区（qū）域图像（xiàng）

7. 作业 、无污（wū）染

8. 高（gāo）端黑（hēi）盒电（diàn）子产品(内在)+可更换的外形

9. 充分满足各（gè）种环境所需

10. 测绘级别产品

2.3 无（wú）人机系统的工（gōng）作（zuò）原理

无（wú）人机系统是以无人驾驶飞行器为（wéi）飞行平台，搭载数（shù）码（mǎ）相机进行图像采集，以获取高分辨率遥感数（shù）据为应用目（mù）标，通过3S技术在（zài）系统中的集成（chéng）应用，达到实（shí）时对地（dì）观测能力（lì）和遥感数据快速处（chù）理。飞行前先通过地面控制平台电脑或手机（jī）APP来制定飞行作（zuò）业（yè）计划，如（rú）测区范围、起飞（fēi）降落位置、飞行航高、影像重叠（dié）率及（jí）风向等参数的确定。系统中的飞行任务设（shè）计（jì）软件根据上述参数可自动设（shè）计出（chū）飞行航（háng）线以及（jí）起飞降落的位（wèi）置，然后利用（yòng）无线通讯模块将飞行计划上传至（zhì）自备的电子控制装置中，然后通过无线通讯模块与电子（zǐ）控制（zhì）装置（zhì）协同（tóng）操纵飞行（háng）平（píng）台（tái）来完成图像数据采集。

2.4 无人机系统的作业流程

无（wú）人机系统目前已（yǐ）经在很（hěn）多工（gōng）程中应用，作业的基本（běn）内容包括：系统组件连接与安装、飞行任务设计、外业（yè）数（shù）据采集（图像数据与飞行轨迹数据获（huò）取（qǔ））、内业数据（jù）处理（图（tú）像数据解（jiě）算（suàn）处理，成果数据提（tí）取）等内容。

二．无人机航测系（xì）统的应用

目前，无（wú）人机已成（chéng）功（gōng）应用多（duō）个行业（yè），主要（yào）应用有：

水利、电力等能源（yuán）与环境

基础设施（shī）与工程监测（cè）

基础测绘、土地管理与规划

植被监（jiān）测（结合（hé）可见光、近红（hóng）外（wài）图像应用于精细农业与森林保护）

灾情监测、应急快速（sù）响（xiǎng）应（yīng）测（cè）图（tú）

露天矿山测绘（huì）

3D建模与可（kě）视（shì）化（huà）

资（zī）产管理

水文、地质（zhì）、考古研究等

图7  无人机系统应用行业（yè）分布图

无人（rén）机航空摄影测量系统（tǒng）具（jù）有高灵活、快响应、低成（chéng）本、实时等特点与（yǔ）优势，与（yǔ）卫（wèi）星（xīng）遥感与（yǔ）传统（tǒng）航空摄（shè）影测（cè）量相比，尤其在低空获（huò）取高分辨率数字图像，输电线路规划、电厂（变电站）址地（dì）形图像获取，发电厂料堆体（tǐ）积计算（suàn）、灾害应（yīng）急响（xiǎng）应等方面，无人机系统具有不可替（tì）代的作（zuò）用（yòng）。

 近（jìn）几年来无（wú）人（rén）机航（háng）测技术在国内开始热门起来，由于该技术比起传统测绘技术来，有着极其优越（yuè）的特性（xìng），可获（huò）取无（wú）以伦比的多层次成果和成万倍生产效率的提升；并且经过十多（duō）年（nián）来的飞速发展（zhǎn），该技术已经相当成熟，不仅仅是实验室而是已经（jīng）走向（xiàng）了实用，各大测绘（huì）厂商（shāng）瞄准了其光明的前景（jǐng）而纷纷（fēn）投入巨资参（cān）与研发（fā）使（shǐ）其进入（rù）了批量生产、产（chǎn）业化应用（yòng）的阶段。

随（suí）着经济的发（fā）展（zhǎn），无人（rén）机航测（cè）系统从上个世（shì）纪（jì）末就开始引（yǐn）进中国（guó），首先是引起（qǐ）了科学研究（jiū）单位的注意，随着这几年的航测技术（shù）和影响成果（guǒ）的（de）不（bú）断应用，人们开始认识到该技术的**性和广阔的应用前景。这（zhè）些运用（yòng）无人机航测技（jì）术的先行者都把这个（gè）技术比做15年来与GPS（ 卫星定（dìng）位）测量技（jì）术一样的划时代的测绘技术，认为它像15年（nián）前出现（xiàn）在国内的GPS技术一样将极大（dà）的（de）促进测绘行业的发（fā）展。

无人机航测技术将（jiāng）给测绘工作带来深刻的变化。

首（shǒu）先（xiān）从外业数据采集上，无（wú）人（rén）机航测技（jì）术（shù）是无接触测量技（jì）术（shù），这使得它直接突破（pò）了（le）传（chuán）统光学全站仪（yí）和GPS技术的限制。使用者无（wú）需离开仪器即可采集（jí）数据，以往（wǎng）难于到达目标（biāo）物的（de）工程项（xiàng）目得以方便的（de）完成（chéng）。如：地形测量上的高（gāo）悬的陡崖、隔河流（liú）的（de）边（biān）坡监测、危险的（de）滑坡（pō）地段，有（yǒu）毒区域的（de）测量、危险的高压电力设施等等。这些项目在以往是很难或（huò）者无法完成的高技术（shù）高“含（hán）金量”的（de）项目，有了无人机航测系（xì）统， 系（xì）数大大提高。

当（dāng）然，该技术用在较（jiào）为普通（tōng）的项目上也很有（yǒu）意义，因为它面（miàn）式扫描测（cè）量、需要跑棱镜或者安放GPS接受机的工作变成“无接触、无跑动”的工作，减少了工作量，减少了人力，减少了人为误（wù）差（chà），降低了（le）劳动强度（dù），还提（tí）高（gāo）了（le）效率。

另外，无（wú）人机航测系统的数据采集速度是常规仪器的数万倍，极大地提高了外业工（gōng）作的效率。比如（rú）测绘一（yī）个平（píng）方公（gōng）里的1:2000地形（xíng）图全站仪人工跑棱镜测图，几乎（hū）是一（yī）台全站仪2个（gè）人苦干（gàn）两天的工作，即使是用1+1 RTK技术也需（xū）要2天，而使用（yòng）无人机加一（yī）个人仅需要不到30分（fèn）钟。其效率是不（bú）言而喻的，效益也是非常明显的。

可（kě）能有人会说航（háng）测的内（nèi）业工作（zuò）量巨大，因为（wéi）航片的（de）数（shù）据需要人工（gōng）拼（pīn）接（jiē），处理（lǐ）成图，费时费力。其实（shí）这已经（jīng）是过去了，现有软件已经很好地实（shí）现图幅的自（zì）动拼接（jiē）和匹配，数（shù）据的自动化处理成都也很（hěn）好，而（ér）且数据（jù）精度（dù）可靠、整体一（yī）致性好。

在航测（cè）后处理软件里，数据可以任意的裁（cái）剪（jiǎn）、取样。如（rú）选择不同的区（qū）域作不同的处（chù）理，可（kě）以（yǐ）任意按需抽（chōu）取一部分（fèn）数据或者去掉一部分数据。如，可以自定（dìng）将地形上（shàng）特（tè）征地物进行提取。

当然，航测数据处理（lǐ）更多的是利用自（zì）动、批量处理工具进行的，如批量（liàng）生成断面线、任意纵横剖面线、等高线（xiàn）生成与标注、线状（zhuàng）地物的提取（qǔ）和体积或填挖的计算等等；只需要选择好操作区域，填入（rù）几（jǐ）个要求数据如等高距、断面间（jiān）距、填挖（wā）平衡点（diǎn）等，程序（xù）即可按（àn）照要求数据自动计算给出结果，这一个过程远远（yuǎn）快于传统手段！

航测数据经过处（chù）理（lǐ）后将快速的提供高质量的视觉效果鲜明的二维（wéi）、三维成（chéng）果，比以往的数据（jù）表格（gé）要更为丰富更为（wéi）直观。

所以，无人机航测技术将从外业、内业和成（chéng）果方（fāng）面深刻而（ér）积（jī）极的改（gǎi）变测绘（huì）工作。

无人机航（háng）测技术不（bú）仅仅将（jiāng）大大提升测（cè）绘水平（píng），还将极大的扩展测绘技术的应用面，带来（lái）更多业务提供（gòng）更多的（de）测绘产品。这是因为该技（jì）术是虚拟现实技（jì）术的必（bì）要手段，为真3D GIS地理信息系统、为（wéi）矿产业的开采模拟、为企业的模拟培（péi）训、数字化管理和为军队的模拟训练等等提（tí）供必需的基础（chǔ）数据成（chéng）果。

与现代（dài）化的传统测绘工（gōng）具全站仪和GPS RTK接收机不同（tóng），这些仪（yí）器仅能单点采集数据，仅能用于测（cè）绘（huì）上（shàng）测点或（huò）者点放样、控制测量等，无人机（jī）航测（cè）技（jì）术（shù）以其技术特色超（chāo）越了测绘行业的限制。在（zài）这个数字化地球、数字化城市（shì）概念深（shēn）入人心的时（shí）代，这个“视觉经济（jì）”时代，无人机（jī）航测技（jì）术必（bì）将在（zài）国民经（jīng）济的建（jiàn）设中发挥重要的作（zuò）用。

目前，无（wú）人机航测技术已经在发达国（guó）家测绘单位中（zhōng）逐渐大范围采用。在（zài）中国，经济的飞速发展，庞大的基（jī）础设施建设规（guī）模，使（shǐ）得各行业对无人机有着强劲的（de）需（xū）求，再加上门（mén）槛（经济、技术）的降低，拥有（yǒu）无人（rén）机的单位越来越多，整体呈快速上升趋（qū）势。

无人机航测系（xì）统已经相当成熟，体积小巧携带方便（biàn）；有着简单明了的内（nèi）外业流程；不（bú）一（yī）样的是采集方法更简单，设定完参数就等（děng）自动飞行采集数据；因此（cǐ），一（yī）般测量员即可操作，没有什么高技能要求。内业的操作同样是自动（dòng）化程度高，一般的内业数据处理（lǐ）人员即可（kě）掌（zhǎng）握。