无人机航测系统可行性分析
西安PG电子和宇航者创新科技有限（xiàn）公司
随着我国经济的快速发展以（yǐ）及科（kē）技进步，自动控制技术、GPS定（dìng）位导航技术、航（háng）空遥感测绘技（jì）术以及（jí）无线电通信（xìn）等技术的发展（zhǎn），无人（rén）机的（de）使用已从（cóng）军（jun1）事（shì）领域拓展到许（xǔ）多民用领（lǐng）域，如地形测绘、灾情监测、林业调查（chá）、农作物监测等（děng）。其中利用无人（rén）机（jī）航空摄影测量能够 完（wán）成工程建设规划（huá）及巡查任（rèn）务。
1. 无人机摄影测（cè）量（liàng）技（jì）术概述
无人机(unmanned aerial vehicle)是一种由无线电（diàn）遥控（kòng）设备（bèi）或自身（shēn）程序（xù）控（kòng）制装置操纵的无人驾驶（shǐ）飞（fēi）行器。近年来地理空间信息技（jì）术取得了飞（fēi）速（sù）的（de）发展，尤其是灵活机动、具有（yǒu）快（kuài）速响应能力的轻小型航空，更是在.近几年迅速成长，成为航空遥感（gǎn）领域一个引人注目的（de）亮点。
无人机航测技术体（tǐ）现了无人机与测绘的紧密（mì）结（jié）合同时也提供了更 的测绘方式。经实（shí）验证明，无（wú）人机航（háng）测技术完全可以达到1:1000国家航空摄影测量（liàng）规范的要求。
1.1无人机航测特点
统由于航空遥感平台及传感器的限制，普（pǔ）通的航空摄影测量手段在获（huò）取小面积、大（dà）比例尺数据方面存（cún）在成本高、性价（jià）比差等问题（tí）。具有低成本和机动灵（líng）活等诸多优点的低空无人（rén）机遥感能在（zài）小（xiǎo）区（qū）域内快速获（huò）取高质（zhì）量遥（yáo）感（gǎn）影像，是国家（jiā）航（háng）空遥感监测体系的重要补充，是航（háng）空遥感的未来（lái）发展方向（xiàng）。在（zài）当今卫星（xīng）遥感（gǎn）和普通航空遥感蓬（péng）勃（bó）发（fā）展的形势下（xià），轻小型低空遥感是粗中细分辨（biàn）率互补的立体监测（cè）体系（xì）中不可缺少的重要技术手段。
低空（kōng）无（wú）人机遥感系（xì）统（tǒng），作（zuò）为卫（wèi）星遥感与普通航空摄影（yǐng）不可缺少的补充，它有如下优点：
无人机可以超低空飞行，可在云下飞行航摄，弥补了卫星光学遥感和普通航空摄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（yīn）此能以比（bǐ）卫星（xīng）遥（yáo）感和普通航摄低得多的代（dài）价得到（dào）更高分辨率的影像；
能实（shí）现适应地形和地物的导航与摄像控制，从而（ér）得到多角度、多建筑面的（de）地面景物影像，用以（yǐ）支持构建城市三维景观模型，而不局限于（yú）卫（wèi）星遥感与（yǔ）普通航摄的正射影像常规产品（pǐn）；
使用（yòng）成本（běn）低，无人机体形小, 耗费（fèi）低, 对操作员的（de）培养周（zhōu）期相（xiàng）对较短。系的保养和维（wéi）修（xiū）简便, 同时不用租赁起（qǐ）飞和停放场地，可以无需机场起降，因而灵活机动，适（shì）应性强，容易成为用户自主拥有的设（shè）备；
回避了（le）飞行员人身（shēn） 的风（fēng）险；
比起野（yě）外实（shí）测而言，无人（rén）机航测方法具有周期短、效率高、成本（běn）低等特点。
对于面积较小的大比例（lì）尺地形测（cè）量（liàng）任（rèn）务(10-100平方公里)，受天气和空域管理的（de）限制较多，成本高；而采用全（quán）野外数据采集（jí）方法成图，作业量大，成本（běn）也（yě）高。
而将无（wú）人机遥感系统进行（háng）工程（chéng）化、实用化开发，则（zé）可以利（lì）用它机动、快速、经济等优势，在阴天（tiān）、轻雾天（tiān）也能获取合格（gé）的彩色（sè）影（yǐng）像，从（cóng）而将（jiāng）大量的野外（wài）工作转入（rù）内业，既能 劳动强度，又能提高作业的技术水平和精度。
1.2国（guó）内无人机发（fā）展现状（zhuàng）
国内无人机近几年来发（fā）展比较快，而（ér）除军事用途外，由于无人机成本相对（duì）较低、无（wú）人员伤亡（wáng）风险（xiǎn）、生存能力（lì）强、机动（dòng）性能好、使用方便等的（de）优势，使得无人机在（zài）航空拍照、地（dì）质测量、高压输（shū）电线路（lù）巡视、油田管路检（jiǎn）查、高速公路管理、森（sēn）林防火巡查（chá）、毒气勘察（chá）、缉毒和（hé）应急救援（yuán）、救护等民用领（lǐng）域应用前景极为广阔。正是因为看到未来无人机的民用市场潜力巨大（dà），除一些科研院所外，民营企业也开始（shǐ）介入无人机市场。目前粗略估计 约（yuē）有170多家单位在生产无人机。
2.无人（rén）机系统介绍
无人机系（xì）统结合了无（wú）人机（jī）技术和（hé）摄影测量（liàng）技术，是较传统方式更为灵活的航测平台。无人（rén）机系统可（kě）快速为用（yòng）户获取采用传统方式（shì）需要较长项目（mù）周（zhōu）期和高昂费用才（cái）能获取的正射影像图（DOM）和数字地（dì）表（biǎo）模型（xíng）（DSM），可应（yīng）用在各（gè）个（gè）领域，包（bāo）括灾害（hài）应急制图（tú）、水文地质、基础测绘、国（guó）土规划、地理（lǐ）国情监（jiān）测、矿（kuàng）山、公路、铁路、水利（lì）电力等带状地（dì）物测图等等。
旋（xuán）翼无人机
2.1无（wú）人机系统（tǒng）组成
无人（rén）机系统都是（shì）由硬件与软件组成。
2.1.1硬件
配（pèi）有电子（zǐ）控制装置的无人飞机（jī）
发（fā）射架或旋翼
备（bèi）用机身
地面控制器或手机（jī）APP
无线（xiàn）通讯模块(2.4 GHz)
数码相机（已标定（dìng））
电池充电器
高性能（néng）锂电池或燃（rán）油
备（bèi）用件
2.1.2软件（jiàn）
系统软（ruǎn）件包括（kuò）外业控制软件与数据后（hòu）处理软（ruǎn）件。
（1）外业操作（zuò）控制软件
通过该软件可实现飞行任（rèn）务设计、飞（fēi）行规划（huá）、飞（fēi）行操作与控制、飞行（háng）成果质（zhì）量检（jiǎn）查（chá）与分析（xī）。
图2无人机系统飞行任务设计（jì）
图3无人机系统飞行规划
（2） 数据后处理软件，包括Global Mapper，Pix4Dmapper等
该软件提供简易、直观的数据处理流程，用于原始数据的（de）处理，提取各种成果数（shù）据，如（rú）正射影（yǐng）像、数字高程模型（xíng）（DEM）、KML格（gé）式数据、3D模型数据（jù）以及（jí）点云数据（jù）等（děng）。
图4 无人机后处理软件Pix4Dmapper数据导（dǎo）入处理
图5 无人机系统后处理软件Pix4Dmapper——生成正射影（yǐng）像（xiàng）
图6 无人机系（xì）统后处理软件Pix4Dmapper——生（shēng）成数字表面模型（DSM）
2.2 无人机系统的特（tè）点（diǎn）与优势
作（zuò）为全新一代的无人机航空摄影测量测量系（xì）统，具有以下（xià）特点与优势（shì）：
1. 云下自主飞行，作业航（háng）高在75~750m。
2. 操（cāo）作（zuò）简单、方（fāng）便快捷、快速
3. 自动化数字（zì）图像处（chù）理（lǐ）
4. 中小区域测图（tú），地面（miàn）采样间隔（GSD）达到2.4cm
5. 高频（pín）率、多时相扫描（miáo）拍摄覆盖整个测（cè）区，全自动地采集高分（fèn）辨率（lǜ）原始数字图（tú）像，并且（qiě）每条（tiáo）航带上的数字图（tú）像都具有（yǒu）GPS位置与飞行姿态信息。
6. 随时获取（qǔ）目标（biāo）区（qū）域图（tú）像
7. 作（zuò）业 、无污染
8. 高端黑盒电（diàn）子产（chǎn）品(内在（zài）)+可更换（huàn）的外形
9. 充分满足各种环（huán）境所需（xū）
10. 测（cè）绘（huì）级别产品
2.3 无人机系统的工（gōng）作原理（lǐ）
无人机系统是以无人驾驶飞行器为飞行平台，搭载数码相（xiàng）机进（jìn）行图像采（cǎi）集，以获取（qǔ）高分（fèn）辨率（lǜ）遥感数据为应用（yòng）目标（biāo），通（tōng）过（guò）3S技术在系统（tǒng）中（zhōng）的集成（chéng）应（yīng）用，达到实时对（duì）地观测（cè）能力和遥（yáo）感数（shù）据快（kuài）速处（chù）理（lǐ）。飞（fēi）行（háng）前先通过地面控制平台电（diàn）脑或手机APP来制定飞行作业计划，如测区范围（wéi）、起飞（fēi）降落位置（zhì）、飞行航高、影像重叠率及风向（xiàng）等参数的确定（dìng）。系统中的飞行任务设计软件根（gēn）据上述（shù）参数可自（zì）动设计出飞行航线以及起飞降落（luò）的位置，然后利用无线（xiàn）通讯模块将飞行计划上传至自备的电子控制装置中（zhōng），然后通过无线通讯模块与电子控制装置（zhì）协同（tóng）操（cāo）纵飞行（háng）平台来完成图像数据采（cǎi）集。
2.4 无（wú）人（rén）机（jī）系统的作（zuò）业流程
无（wú）人机系统目前已经在很多（duō）工程中应（yīng）用，作业的基本内容（róng）包括：系统组（zǔ）件连（lián）接与安装、飞行任务设计、外业数据采集（图像数（shù）据与飞（fēi）行轨迹数据获取）、内业数据处理（图像数据（jù）解算（suàn）处理，成果数据提取）等内容。
二（èr）．无人机航测系统的应用
目前，无人（rén）机（jī）已成功应用多个（gè）行业，主（zhǔ）要应用有：
水利、电（diàn）力等能（néng）源（yuán）与环境
基础设施与工程监测
基础测绘、土地（dì）管理与规划（huá）
植被监测（结合（hé）可见光（guāng）、近红（hóng）外图像应用（yòng）于精（jīng）细农业与森林保护）
灾情监测、应急快速响应测（cè）图
露天矿山测（cè）绘
3D建模与（yǔ）可视化（huà）
资产管理
水（shuǐ）文、地质、考（kǎo）古研究等
图7 无人机系统应用行业分布图
无人机航空摄影测量系统具有高灵活（huó）、快响应、低成本、实时等特点（diǎn）与优势，与卫星（xīng）遥（yáo）感与传统（tǒng）航空摄影测量相（xiàng）比，尤其在（zài）低空获取高分（fèn）辨率（lǜ）数（shù）字图像，输电线路规划、电厂（变电站（zhàn））址地形图像获取，发电厂料（liào）堆（duī）体积计（jì）算、灾害应急响应等方面，无人机系（xì）统（tǒng）具有不（bú）可替代的作用。
近几年来无人机航（háng）测技术在国（guó）内（nèi）开（kāi）始热门起（qǐ）来，由（yóu）于该技术比起传统测绘技术来（lái），有着极其优越的特性，可（kě）获取无以伦比的（de）多（duō）层（céng）次成果和成万倍生产效率的提升；并且经过十多年来的飞速发（fā）展，该技术已经相当（dāng）成（chéng）熟，不仅（jǐn）仅是（shì）实验室而是已经走向了（le）实用，各大测绘厂商瞄准了其光明的前景而纷纷投入巨资参与研发使其进入了（le）批量生产（chǎn）、产业化应用的阶段（duàn）。
随着经济的发展，无人机航（háng）测系统从上个世纪末（mò）就开始引进（jìn）中国，首（shǒu）先是引起了科学研（yán）究（jiū）单位的注意，随着这几年的（de）航测技术和影（yǐng）响成（chéng）果的不（bú）断应用，人们（men）开始认识到（dào）该技术的（de）**性和广阔的应用前（qián）景。这些运用无人机（jī）航测技术（shù）的先行者都把（bǎ）这个技术比做15年来与GPS（ 卫（wèi）星定位）测量技（jì）术一样（yàng）的（de）划（huá）时代的测绘技术（shù），认为它像（xiàng）15年前出现在国内（nèi）的GPS技术一（yī）样（yàng）将极（jí）大（dà）的促进测绘行业的发（fā）展。
无人机航测技术将给（gěi）测绘工作带来深（shēn）刻的（de）变化（huà）。
首（shǒu）先从外（wài）业（yè）数据采集（jí）上（shàng），无人机航测技术是无接触测（cè）量技术，这使得它（tā）直接突破了传（chuán）统光学（xué）全站仪和GPS技术的（de）限制。使用者无需离开仪器即可采集数据，以往难（nán）于（yú）到达目标物的工程项目得以方（fāng）便的完成。如：地形测（cè）量上的（de）高悬的陡崖、隔河流的边坡监测、危险的滑坡地段（duàn），有毒区域的测量（liàng）、危险的高压电力设施等等。这些项目（mù）在以往是很难（nán）或者无（wú）法（fǎ）完成的高（gāo）技术高“含（hán）金量”的（de）项目，有了无（wú）人机（jī）航测系统， 系数大（dà）大（dà）提（tí）高。
当然（rán），该（gāi）技（jì）术用在较为普通的项目上也很有意义，因为它面式扫描测量（liàng）、需要跑棱镜或者安放GPS接受机的工（gōng）作（zuò）变成（chéng）“无接触、无跑动（dòng）”的工作，减少了（le）工作量，减少了人（rén）力，减少了人为误差，降低了劳动强（qiáng）度，还提（tí）高了（le）效率。
另外，无（wú）人机（jī）航测系统的数据采集速度是常规（guī）仪器（qì）的数（shù）万倍，极大地（dì）提高（gāo）了（le）外业工作的效率。比如测（cè）绘一（yī）个平方公里的1:2000地形（xíng）图全站仪人工跑棱镜测图，几乎是一台全站仪2个（gè）人苦干两天的工作，即使是用1+1 RTK技术也需要2天，而使用（yòng）无人机加一个人仅需要不到30分钟（zhōng）。其效率是不言而喻（yù）的，效（xiào）益也是非常明显的。
可能（néng）有人（rén）会（huì）说（shuō）航测的内业工（gōng）作量巨大，因为航片的数据需（xū）要人工拼接（jiē），处理成图，费时费力。其实这已经是过去了，现（xiàn）有（yǒu）软件已经很好地实现图幅的自动拼（pīn）接和匹配，数据的自动（dòng）化处（chù）理成都也很（hěn）好（hǎo），而且数据精度可靠、整体一致性好。
在航测（cè）后处理软件里（lǐ），数据可以任意的（de）裁剪、取样。如选择不同的区域作不同的处理，可以任意按需抽取一（yī）部分数据或者（zhě）去掉一（yī）部分数据。如，可以（yǐ）自定将地形上特征地物进行（háng）提取。
当（dāng）然，航测数据处理更（gèng）多的是利用（yòng）自动、批量处理（lǐ）工具进（jìn）行的，如批量生成断面（miàn）线、任意纵横（héng）剖面（miàn）线、等高（gāo）线生成与标注、线状地物的提取和（hé）体（tǐ）积或填挖的计算等等；只需要选择好操作区域，填入几个要求数据如等高距、断面（miàn）间距、填挖平衡点等，程序即可按照要（yào）求数据自动（dòng）计算给出（chū）结果，这一（yī）个过程远远快于传统手段！
航测数（shù）据经过处（chù）理后（hòu）将快速的提供高质量的视觉效果鲜（xiān）明的二维、三维成果，比以（yǐ）往的数（shù）据表格要更为丰富更（gèng）为直观。
所（suǒ）以，无人（rén）机航测技术将从（cóng）外（wài）业（yè）、内业和成果方面深刻而积极的（de）改变测（cè）绘工作（zuò）。
无人（rén）机（jī）航测技（jì）术不仅仅将（jiāng）大大提升测绘（huì）水平，还将极大的扩（kuò）展测绘技术（shù）的应用面，带（dài）来更多业务提供（gòng）更（gèng）多的测（cè）绘产品。这是因为该技术是（shì）虚拟现实技（jì）术的必（bì）要（yào）手段（duàn），为真3D GIS地理（lǐ）信（xìn）息系统、为矿产业的开采（cǎi）模拟、为企（qǐ）业的模拟培训（xùn）、数（shù）字化（huà）管理和（hé）为军队的（de）模拟训练（liàn）等等提供（gòng）必需（xū）的（de）基础数（shù）据成果。
与（yǔ）现代化（huà）的传统测绘（huì）工具全站仪和GPS RTK接收机不同，这（zhè）些仪器仅能（néng）单点（diǎn）采集数据（jù），仅能用于测绘上测点或者点放样（yàng）、控制测量等，无人机航测技术以（yǐ）其技术特色（sè）超（chāo）越了测绘（huì）行业的限制。在这个数字化（huà）地球、数字化城市概（gài）念深（shēn）入人心的时代，这个（gè）“视觉经济”时（shí）代，无人机（jī）航测技术必将（jiāng）在国（guó）民经济的建设中发（fā）挥重要的作用。
目（mù）前，无（wú）人（rén）机航测（cè）技术已经在发（fā）达（dá）国家测绘（huì）单位中逐（zhú）渐大范围采（cǎi）用。在中（zhōng）国，经济（jì）的飞速（sù）发展，庞大的基础设施建设规（guī）模，使（shǐ）得各行业对无人机有（yǒu）着强劲的（de）需求，再加（jiā）上门槛（经济、技术）的降（jiàng）低，拥（yōng）有无人（rén）机的单位越来越多，整（zhěng）体呈快速上升趋势。
无人机航（háng）测系统已经（jīng）相当成熟，体积小巧（qiǎo）携带方便；有着简单明了的内外业流程；不一样（yàng）的是（shì）采集方法更（gèng）简单（dān），设定完（wán）参（cān）数就等自动飞行采集数（shù）据；因此，一般测量员即可操作，没有什么（me）高（gāo）技能要（yào）求。内业的操作同样（yàng）是自动化程度高，一般的内业数据（jù）处理人员即（jí）可（kě）掌握。