无人机低空遥感影像的应用研究

无人机低空遥感影像的应用研究

孙安安 ,陈思笑

渭南市城乡规划测绘服务中心  陕西渭南    714000

摘要：航天遥感并不能完全代替航空遥感，无人机低空遥感系统因其造价低廉、起降方便、操作灵活、机动性强等特点，而被广泛应用于小区域航空摄影测量、危险区域目标影像获取、灾害监测与应急指挥、海上空中缉私巡逻等领域。无人机遥感系统所代表的无人化、全自动 化、高效率化、高分辨率化是未来航空遥感的主要发展趋势之一。 本文首先介绍了无人机的应用现状与系统组成，分析了无人机遥感系统的优缺点，并探索了将两者融合应用于三维建模方面的技术问题和前景。

关键词：无人机遥感系统；数字正射影像图；三维建模

1.引言

在全球信息化浪潮之下，快速、准确、经济地获取地理空间信息成为实现数字地球和数字中国战略的首要环节，也是实现国土资源科学管理与开发的前提，直接关系到国民经济建设和社会的持续发展。在我国，航空摄影测量一直是基础测绘、地质调查、国土资源开发管理等业务领域获取遥感数据的主要方式。由于传统的航空摄影测量成图方法，存在工序复杂、周期长、费用高等问题，造成了我国基础地理信息数据严重滞后于国民经济建设需求的现状。因此，开发性能稳定、高效的遥感平台，研究高分辨遥感影像的获取、处理技术，是我国科学界面临的紧迫问题之一。

2.无人机遥感系统的组成

根据中华人民共和国测绘行业标准(CH/T3002-2010)对无人机遥感系统的技术要求，无人机遥感系统的组成一般包括：飞行平台、飞行导航与控制系统、地面监控系统、任务设备、数据传输系统、发射与回收系统、野外保障装备以及其他附属设备

（1）飞行平台：

飞行平台即无人机本身，是搭载导航器、传感器等设备的载体。用于航空摄影测量的无人机，一般要求其载重大于2kg，巡航速度为60-160km/h，续航时间不小于1.5小时，抗风能力大于4级，搭载设备的任务仓尺寸应大于25cm×20cm×25cm。

（2）飞行导航与控制系统

飞控系统是保证飞行平台以正常姿态工作的系统，包括飞控板、惯性导航系统、GPS接收机、气压传感器、空速传感器、转速传感器等部件。目前大多数无人机都安装有自动驾驶仪，无人机升空后即可按照设计好的航线自动工作，而无需人为控制。因此，飞控系统质量直接影响到遥感数据的采集质量。

（3）地面监控系统

无人机升空后，虽然能在自动驾驶仪控制下自动工作，但有时会发生意外情况，最常见的是发动机机械故障、无人机失速。地面监控系统用来时刻监视无人机的工作状态，包括无线电遥控器、地面供电系统、监控计算机和监控软件，其主要功能有：

通过数据传输系统，地面监控站可以向飞控系统发送数据和控制指令等；

b、可接收、存储、显示、回放无人机的高度、空速、地速、方位、航向、航迹、飞行姿态等飞数据；

c、能显示任务设备工作状态，显示发动机转速、机载电源电压等数值；

d、在机载电池电压不足、GPS卫星失锁、发动机停车、无人机失速、飞行数据误差等超限时，有报警提示功能。

（4）任务设备

任务设备指获取遥感影星的高性能数码相机及其控制装置，工作时被固定安装在机身的任务仓内。用于航摄作业的数码相机一般属于非量测相机，在用于航摄作业之前必须根据航摄比例尺精度的要求而进行检校。数码相机的控制装置通常与飞控系统一体化设计，具有控制相机定点曝光、等时间间隔曝光和等距离间隔曝光等功能，并可记录曝光时刻影像的经纬度、高度和飞机姿态（即横滚角、俯仰角、航向角）等数据。

（5）数据传输系统

数据传输系统分为空中和地面两部分，均包括数传电台、天线、数传接口等，用于地面监控站与飞行控制系统以及其他机载设备之间的数据和控制指令的传输。数据传输的距离一般被要求大于10km。

（6）发射与回收系统

发射系统是为无人机在一定距离内加速到起飞速度提供保障，回收系统是确保无人机安全着陆；在起降场地条件允许情况下，一般采用地面滑跑发射、滑跑回收；在地理环境复杂、场地不具备滑跑条件时，采用弹射发射和伞降回收。

（7）野外保障装备

野外保障装备是指无人机遥感系统野外工作的运输装备和机械维护装备，是无人机航摄作业的基本保障。

3.无人机低空遥感系统具备的优点

（1）起降灵活。无人机对起降环境要求低，不需要专用机场，能够在一段百米公路或一块平坦的草地顺利起降。

（2）低空飞行。无人机的工作高度在300-1200m，因此受云层影响较小，甚至可在阴天工作，这大大增加了空中作业时段，提高了作业效率。

（3）高分辨率。无人机搭载的高性能数码相机低空分辨率可达到2-3cm，这是传统航空摄影测量所不能比拟的。在灾害应急救助中，高分辨率遥感影像通常能发挥重要的作用。

（4）低成本、易维护。无人机的成本远远小于传统的航空摄影平台，首先它不需要专业的维护、保养队伍，其次培养无人机操控手的成本大大小于培养飞行员的成本。通常一个无人机航摄队只需2-3人，人力成本的优势显而易见。

4.遥感影像与点云数据在三维建模上的融合应用

4.1遥感影像在三维建模上的应用

长期以来，城市三维景观可视化的研究一直是国际上GIS及其相关学科的研究热点。随着科技的进步、城市的发展，人们对城市三维景观技术的应用需求日益增加，使得城市三维景观可视化技术得到了非常迅速地发展。发展城市三维景观的先决条件就是拥有描述城市地形、地物、建筑物空间位置信息以及描述地表真实覆盖状况的纹理影像信息。目前，航空遥感是获取城市地面高分辨率影像和地物描述信息的主要手段，而无人机遥感影多角度、超高分辨率的特点更加为城市三维景观提供了丰富、完整的数据。

4.2点云数据在三维建模上的应用

与其他建模技术相比，三维激光扫描系统获取的点云数据之所以在三维建模方面具有无可比拟的优势，主要是因为点云数据具有以下特点：（1）高精度、高密度、形状描述。目前地面三维激光扫描的点云面拟合精度可以达到2mm，点扫描密度达到1mm，点云形状即是扫描对象的表面形状，高度附和。（2）信息量丰富。点云数据不仅仅具有三维坐标信息，还包含了扫描对象表面的反射强度信息和色彩信息。（3）点云数据全数字特征，可将获取的点云直接加载到数据处理软件中，非常利于信息的传输、加工和表达。

4.3无人机遥感影像和点云数据综合建模流程

无人机遥感影像与三维激光扫描点云数据的综合建模过程，其实质就是两种建模技术优势互补的过程。遥感影像建模的优点在于可以大面积、大区域、快速的完成三维地形的可视化，点云数据建模的优点是高精度的对建筑物建模。综合建模中，解决问题主要基于两个出发点：（1）以高分辨率的低空遥感影像解决点云建模的大场景纹理映射问题；（2）以高精度的点云弥补遥感影像对建筑物建模的在精度和细节表现上的短处。

5.结论与展望

随着信息科学和相关产业的快速发展，高分辨率遥感影像对国民经济的发展和国防军事的建设越来越凸显其重要性。航天遥感并不能完全代替航空遥感，无人机低空数码遥感系统因为其造价低廉、起降方便、操作灵活、机动性强等特点，而被广泛应用于小区域航空摄影测量、危险区域目标影像获取、自然灾害应急监测、海上空中缉私巡逻等领域。无人机遥感影像作为传统航空摄影测量和卫星遥感的补充，在目前的数字城市、数字校园等三维地理信息系统中的应用越来越广泛，本文针对无人机低空遥感系统和其多角度、高分辨率的遥感影像做了如下的研究：

（1）研究了无人机的发展历史、应用现状、系统组成做了概述，总结了无人机低空遥感系统的优点和缺点，并详细叙述了无人机航空摄影测量的航片质量管理方法。

（2）研究了无人机低空数码遥感影像和三维激光扫描点云数据在三维建模方面各自的优点和不足之处，初步讨论了两者在三维建模方面融合应用的技术问题和前景。

[1] 张丽娜．精密单点定位技术在IMU/GPS辅助航空摄影中的应用研究[D]．北京:中国地质大学,2008.

[2] 李学友．IMU/DGPS辅助航测技术在大比例尺航测成图中的应用[J]．测绘科学．2006,31(1):60-61.