无人机航（háng）测系统可行性（xìng）分（fèn）析

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随（suí）着我国经济（jì）的快速（sù）发展以（yǐ）及科技进步，自动（dòng）控制技术、GPS定位导航技术、航（háng）空遥感测（cè）绘技术以及无线电通信等技（jì）术（shù）的发展，无人机的使用（yòng）已（yǐ）从军事（shì）领域拓展（zhǎn）到许（xǔ）多民用领（lǐng）域，如地形（xíng）测绘、灾情监测、林业调查、农（nóng）作物监测等。其（qí）中利用无人机航空（kōng）摄（shè）影测量能够 完成工程（chéng）建设规划及巡查任务。

1. 无人机摄（shè）影测量技术概述

无（wú）人机(unmanned aerial vehicle)是一种由无（wú）线（xiàn）电遥控设备（bèi）或自身（shēn）程（chéng）序控制装置操（cāo）纵的无人驾驶（shǐ）飞行器。近年来地理空间（jiān）信息技术取得（dé）了飞速的发展，尤其（qí）是灵活机动、具有快速响应能力的轻小型航（háng）空，更是在.近几年迅速成长，成为航空遥感（gǎn）领域一（yī）个（gè）引人注目的亮点。

无人机航（háng）测技（jì）术体（tǐ）现了（le）无人机与测绘（huì）的（de）紧密（mì）结合（hé）同时也提供了更 的测（cè）绘方（fāng）式。经实验证明，无（wú）人机（jī）航测技术完全可（kě）以达到1:1000国家航空摄（shè）影测（cè）量规范的要求。

1.1无（wú）人机航测特点

 统由于（yú）航（háng）空遥（yáo）感平台及传感器的限（xiàn）制，普通的航（háng）空摄影测量手段在获取小（xiǎo）面（miàn）积、大比例尺数据方面（miàn）存在成本（běn）高、性（xìng）价比差等问题（tí）。具有低成本和机动灵活（huó）等诸多优点（diǎn）的低空无人机遥感能在小区域内快速获取高（gāo）质量遥感影（yǐng）像，是国家航（háng）空遥（yáo）感监测体系的重要补充，是航空遥感的未来发展方向。在当今（jīn）卫星遥感和普通航空遥感蓬勃发（fā）展的形势下，轻小型（xíng）低空（kōng）遥感是粗中（zhōng）细分辨率互补的立体监（jiān）测体（tǐ）系（xì）中不可（kě）缺（quē）少（shǎo）的（de）重要（yào）技术手（shǒu）段。

低空无（wú）人机遥感系统，作为卫星遥感（gǎn）与普通（tōng）航空摄（shè）影不可缺少的（de）补充（chōng），它有如下优点：

无人机可以超低空飞行（háng），可在云下飞（fēi）行航摄，弥补了卫星光（guāng）学遥感和普通航空摄（shè）影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷；

由于低空接近目标，因此能以比卫星遥感（gǎn）和（hé）普（pǔ）通航摄低得多（duō）的代价得（dé）到更高分辨（biàn）率的影像；

能实现适应地形和地物的导航与摄像控制，从（cóng）而得到多角度、多建筑面的地面景（jǐng）物影像，用以支（zhī）持（chí）构（gòu）建城（chéng）市三维景观模型，而不局（jú）限于卫（wèi）星（xīng）遥感与普通航摄的正射影像常规产（chǎn）品；

使用成本低，无人（rén）机体形小, 耗费低, 对操作员的培养周期相对较短。系的（de）保养和维修简（jiǎn）便, 同时不用租赁起飞和停放（fàng）场地（dì），可以（yǐ）无（wú）需机场起降（jiàng），因而灵活（huó）机动（dòng），适应性强，容易成为用户自（zì）主拥有（yǒu）的设（shè）备（bèi）；

回避了飞行（háng）员人身 的风险；

比（bǐ）起（qǐ）野（yě）外实测而言，无（wú）人（rén）机航测方法具有周期短、效率高、成本低等特点。

对于面（miàn）积较小的大比（bǐ）例尺（chǐ）地（dì）形测量任务（wù）(10-100平方公里)，受天气（qì）和空（kōng）域（yù）管理的限制较多，成本高（gāo）；而采用全野外数据采集方（fāng）法成图（tú），作业量大，成本也高。

而将无人机遥感系统（tǒng）进行（háng）工程化、实（shí）用化（huà）开发，则可以（yǐ）利用它机动、快速（sù）、经济（jì）等优势，在阴天、轻雾天也能获取合格（gé）的（de）彩色影像，从（cóng）而将大（dà）量（liàng）的（de）野外工作转入内业（yè），既能 劳动（dòng）强度，又能提高作业（yè）的技术（shù）水（shuǐ）平和精度。

1.2国内无人机发（fā）展现状

国（guó）内无人（rén）机近几（jǐ）年来发展比较（jiào）快，而（ér）除军事用途（tú）外，由（yóu）于（yú）无人机成（chéng）本相对较低、无人员伤亡风险（xiǎn）、生（shēng）存能力强、机动（dòng）性能好、使用方便等的优势，使得无人机在航空（kōng）拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路（lù）检查、高速公路管理（lǐ）、森林防火巡查、毒气勘（kān）察、缉毒和应（yīng）急救援、救护等民用领域应用前景极为（wéi）广（guǎng）阔。正（zhèng）是因为看到未来无人机的民（mín）用市（shì）场潜力（lì）巨（jù）大，除（chú）一些科研院所（suǒ）外，民营企业（yè）也开始介入无人机市（shì）场。目前粗略估（gū）计 约有170多（duō）家（jiā）单位在（zài）生产无（wú）人机。

2.无人机（jī）系统介（jiè）绍（shào）

无人机系统结（jié）合了无人（rén）机技（jì）术和摄影测量技术，是较（jiào）传统方式更（gèng）为灵活的航测平台。无（wú）人机系（xì）统可快速为用户获取采用传统方式需要较长项目周期（qī）和高昂费用才能（néng）获取的正射影像图（DOM）和数字地（dì）表（biǎo）模型（DSM），可应用在各个领域，包括灾害应急（jí）制图、水文地质（zhì）、基础测绘、国土规划、地理国（guó）情监测、矿山、公路（lù）、铁路、水（shuǐ）利电力等带状地物测（cè）图等（děng）等。

旋翼无人机

2.1无人机系统组成

无（wú）人机系（xì）统都是由硬件与（yǔ）软（ruǎn）件组（zǔ）成（chéng）。

2.1.1硬（yìng）件

配有电子（zǐ）控制装（zhuāng）置的无人飞机

发射架或旋翼

备用机身

地面控制器或手机APP

无线（xiàn）通讯（xùn）模块（kuài）(2.4 GHz)

数码相机（已标定）

电池充电器

高性能锂（lǐ）电（diàn）池或燃（rán）油

备用件

2.1.2软（ruǎn）件

系统软件包括外业控制软（ruǎn）件（jiàn）与数据后处理软件。

（1）外业操作控制软件

通过该软件可（kě）实（shí）现飞（fēi）行任务（wù）设（shè）计、飞行规（guī）划、飞行操（cāo）作与控制、飞（fēi）行（háng）成果（guǒ）质量检（jiǎn）查与分析。

              图2无人机系统（tǒng）飞行任（rèn）务设（shè）计

图3无人机系统飞行规（guī）划（huá）

（2） 数据后处理软件，包（bāo）括Global Mapper，Pix4Dmapper等（děng）                                           

该软件提供简（jiǎn）易、直观的数据处理流程（chéng），用（yòng）于原始数据的处理（lǐ），提取各种成果数据，如正射影像、数字高程模型（DEM）、KML格（gé）式数据、3D模（mó）型数（shù）据（jù）以及点云（yún）数据等。

      图4  无人机后处理软（ruǎn）件Pix4Dmapper数据导入处（chù）理（lǐ）                

     图（tú）5  无人机系统后处理软件Pix4Dmapper——生（shēng）成正射（shè）影像

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

2.2  无人机（jī）系统的特点与优势

作为全新一（yī）代的无人（rén）机（jī）航空摄影测量测量系统，具有以下特点与优势（shì）：

1. 云下自主飞行，作业航高在75~750m。

2. 操作简（jiǎn）单、方便（biàn）快捷、快速

3. 自动化数字图（tú）像处理

4. 中（zhōng）小区域（yù）测图，地面（miàn）采样（yàng）间（jiān）隔（GSD）达到2.4cm

5. 高频率、多（duō）时相扫描拍（pāi）摄覆盖（gài）整个测区，全（quán）自动地采集高分辨率原始数字（zì）图像（xiàng），并且每条航带上的数字图像都具（jù）有GPS位置与（yǔ）飞行姿态信息。

6. 随时获取目标区域图像

7. 作业 、无污染

8. 高端黑盒（hé）电子（zǐ）产（chǎn）品(内在)+可更换（huàn）的外形

9. 充（chōng）分满足各种（zhǒng）环（huán）境（jìng）所需

10. 测绘级别产品

2.3 无人（rén）机（jī）系统的工作原理

无（wú）人（rén）机系统是以无人驾驶飞行器为飞行（háng）平台，搭载数码相机进行（háng）图像采集，以获（huò）取高分辨率遥感数据为应（yīng）用目标，通过3S技术在系统（tǒng）中的集（jí）成应用（yòng），达到（dào）实时对地观测能力和遥感数据快速处理（lǐ）。飞行前先通过（guò）地面控制平台电脑或手机APP来（lái）制定（dìng）飞（fēi）行作（zuò）业计划，如（rú）测区（qū）范围、起飞降落位置、飞行航高、影像重（chóng）叠率及风向等参数的（de）确（què）定。系统中的飞行任务设（shè）计软件根据上述参数可（kě）自动设（shè）计（jì）出飞行航线（xiàn）以及起飞（fēi）降落的（de）位置（zhì），然（rán）后利用无线（xiàn）通讯模（mó）块（kuài）将飞行计划上传至自备的电子控制装置中，然后通（tōng）过（guò）无（wú）线通（tōng）讯模块与电子控制（zhì）装置协同操纵飞行平台来（lái）完（wán）成图像（xiàng）数据采集（jí）。

2.4 无（wú）人机（jī）系统的作业流程

无人机系统（tǒng）目前已（yǐ）经在很多工程中应用，作业的基本（běn）内容包括：系统（tǒng）组件连接（jiē）与安装、飞行（háng）任务设（shè）计、外业数据（jù）采集（jí）（图像数据与飞行轨迹数（shù）据获取）、内（nèi）业（yè）数据处理（图像数（shù）据解算处（chù）理，成果数据提取）等内容。

二．无人机航测系统的应用

目前，无人机（jī）已（yǐ）成功应（yīng）用多个行业，主要应用有：

水利、电力等（děng）能源与环境

基础设施（shī）与工（gōng）程（chéng）监测

基础测绘、土地管理与规划

植被监测（结合（hé）可见光、近红外图像（xiàng）应用（yòng）于精细农业与森（sēn）林（lín）保护）

灾情监（jiān）测（cè）、应急快速响应测图

露天矿山测绘

3D建（jiàn）模与可（kě）视化

资产管理

水文、地质、考古研究等

图7  无（wú）人机系（xì）统应用行业分布图（tú）

无人（rén）机航空摄影测量系统具有高灵活、快响应、低成本、实时等特点与优势（shì），与卫星遥（yáo）感与传统航空摄影测量相比，尤其（qí）在低空（kōng）获（huò）取（qǔ）高分辨率（lǜ）数字图像（xiàng），输电（diàn）线路规划、电（diàn）厂（变电（diàn）站）址地形图（tú）像获（huò）取，发电厂料堆体积计算、灾害（hài）应急响应等（děng）方面，无人机系（xì）统具有不（bú）可替代（dài）的作用（yòng）。

 近几年来无人机航测技（jì）术在国内开始热门起来，由于该技术比起传统测（cè）绘技术来，有着极（jí）其（qí）优越的特性，可（kě）获取无以伦比（bǐ）的（de）多层次成果和成万倍生产效率的提升；并（bìng）且（qiě）经过十多年来的飞速发展（zhǎn），该技术已经相（xiàng）当成熟，不仅（jǐn）仅是实验室而是已经走向了实（shí）用（yòng），各大测绘（huì）厂商瞄准了其光明（míng）的（de）前景而纷纷投入巨资参与研发使其进入（rù）了（le）批（pī）量生产（chǎn）、产（chǎn）业化应用的（de）阶（jiē）段。

随着经济（jì）的发展，无（wú）人机（jī）航测系统从上个世纪（jì）末（mò）就开始引进（jìn）中（zhōng）国（guó），首先是引起了（le）科学研究单位的注意（yì），随着这几年的航测技术和影响（xiǎng）成（chéng）果的不断应用，人们开始认（rèn）识到（dào）该技术的（de）**性和（hé）广阔（kuò）的应用前景。这些运用无人机航测技术（shù）的先行者都把这个技（jì）术比做15年来与GPS（ 卫星定位）测量技术一样的划时代的测绘技术，认为它像15年前出现在国内（nèi）的（de）GPS技（jì）术一样将（jiāng）极大的促进测绘（huì）行业（yè）的发展。

无人机航测技术将给测绘工作带（dài）来深刻的变化。

首先从（cóng）外业（yè）数（shù）据采集上，无人（rén）机航测技（jì）术是无接（jiē）触测量技术，这使得（dé）它直接突破了传统光（guāng）学（xué）全（quán）站仪（yí）和GPS技术（shù）的（de）限制。使用者无需离开（kāi）仪器即可采集数（shù）据，以（yǐ）往难于到达目标物（wù）的（de）工程项目得以方便的完成。如：地形（xíng）测（cè）量上的（de）高悬的陡崖、隔河流的边坡监测、危险的滑（huá）坡（pō）地段，有（yǒu）毒区（qū）域的测量、危险的高压电（diàn）力设施等等（děng）。这（zhè）些项目（mù）在以（yǐ）往是很难或者无法完成（chéng）的高（gāo）技（jì）术高（gāo）“含金（jīn）量”的项目（mù），有了无人机航测系统， 系（xì）数（shù）大大提高。

当然，该技术用在较为普通的项目上也很有（yǒu）意义，因为（wéi）它面式（shì）扫（sǎo）描（miáo）测量、需（xū）要跑棱镜或者安放（fàng）GPS接受机的工作变成“无（wú）接触、无（wú）跑动”的（de）工作，减少（shǎo）了工作量，减（jiǎn）少了人力，减少了人为误（wù）差，降低（dī）了劳动（dòng）强（qiáng）度，还提高了效（xiào）率（lǜ）。

另外，无人（rén）机航测系（xì）统（tǒng）的数据采集（jí）速度是常规（guī）仪器的数万倍，极大地（dì）提高了外业工作的效率。比如测绘一个平方（fāng）公（gōng）里的1:2000地（dì）形图全（quán）站仪人工跑棱镜测图，几乎是一台全站仪2个（gè）人（rén）苦干两（liǎng）天的工作，即使是用1+1 RTK技术也需要2天，而使用无人机加一个人仅需要（yào）不到30分钟。其效率是不言而喻的，效（xiào）益也是非常明显的。

可能（néng）有人（rén）会说航测的内业工作（zuò）量巨大，因为航片的数据需要（yào）人工（gōng）拼接，处理成图，费时（shí）费力。其实这（zhè）已经（jīng）是过去了，现有（yǒu）软件已经很好地（dì）实现图幅的自动（dòng）拼接（jiē）和匹配，数据的（de）自动化（huà）处理成都也很好，而且数据精度可靠、整体一致性（xìng）好。

在航测后处理软件里，数据可以任意的裁（cái）剪（jiǎn）、取样。如（rú）选择不同的区域作不同的处理，可以任意按需抽取一部分数据或者（zhě）去掉一部分数据。如，可以自定（dìng）将地形上（shàng）特征地物进行提（tí）取。

当然（rán），航测数据（jù）处理更（gèng）多（duō）的是利用自动、批量处（chù）理（lǐ）工具进行的，如批量生成断面线、任（rèn）意（yì）纵横剖面线、等高线生（shēng）成与标注、线状（zhuàng）地物的提取和体积或填挖的计算（suàn）等等（děng）；只需要选择（zé）好操（cāo）作区域，填入几个要求（qiú）数据如等高（gāo）距、断（duàn）面间距、填（tián）挖平衡点等，程序即可按照（zhào）要求数据（jù）自动计算给出结果，这一个过程远远快于传统手（shǒu）段（duàn）！

航（háng）测数据经（jīng）过处理后将快速的提供（gòng）高质量的视觉效果鲜明的二维、三维成果，比以往的数据表格要更为丰富更为直观（guān）。

所（suǒ）以，无（wú）人机航测（cè）技术将从外业、内（nèi）业和成果方面深刻而积极的改变测绘工作。

无人机航测技术（shù）不仅仅将（jiāng）大大提升（shēng）测（cè）绘水平，还将极大的扩展测绘技术的应用（yòng）面，带来更多业务（wù）提供（gòng）更（gèng）多的（de）测（cè）绘产（chǎn）品。这是因为该技术是虚拟现实技（jì）术的必要手（shǒu）段，为真3D GIS地理信息系（xì）统、为矿产业的开（kāi）采模拟、为企业的模拟培训、数字化管理和为军（jun1）队的模（mó）拟训练等等提供必需的基础数（shù）据成（chéng）果。

与现代（dài）化（huà）的传（chuán）统测绘工具全站仪和GPS RTK接收机不同（tóng），这些仪器仅能（néng）单（dān）点（diǎn）采集数（shù）据，仅能用（yòng）于测绘上测点或者点放样（yàng）、控（kòng）制测量等，无（wú）人（rén）机航测技术以其技（jì）术特色超（chāo）越了测绘行（háng）业的（de）限制。在（zài）这个（gè）数字化地球、数字化（huà）城市概念深入人心的时代，这个“视觉经济”时代，无人机航测技（jì）术必将（jiāng）在国民经济的建设中发挥（huī）重要的作用（yòng）。

目（mù）前，无人机航测（cè）技术已经（jīng）在（zài）发达国（guó）家测绘单（dān）位中逐渐大范围采（cǎi）用（yòng）。在中国，经济的飞速（sù）发展，庞大的基础设施建设规模（mó），使（shǐ）得各行（háng）业对无人机有（yǒu）着强劲的需求，再加上门槛（经（jīng）济、技（jì）术）的降低，拥（yōng）有无人机的单位越来越多（duō），整体呈快（kuài）速上升趋势。

无（wú）人机航（háng）测系统已（yǐ）经相（xiàng）当成熟，体积小巧携带方便（biàn）；有着简单明了的内外业流程；不一样的是采集方法更简单（dān），设定（dìng）完参数就等（děng）自动飞行采集数据；因此，一（yī）般（bān）测量员（yuán）即可（kě）操作，没有什么高技能要求。内业的操作同样是自动化程度高，一般的内（nèi）业数据处理人员即（jí）可掌（zhǎng）握。