无人机测绘遥感

李泉洲，石高峰，崔建军

(1 长安大学，西安 710054；2 中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，哈尔滨 150001）

无人机测绘遥感

李泉洲1，石高峰2，崔建军1

(1 长安大学，西安 710054；2 中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，哈尔滨 150001）

本文阐述了无人机发展历程和我国无人机应用技术现状，论述无人机在遥感测绘领域的应用优势，描述无人机遥感在移动通信和电力行业的应用。无人机数据处理方法及其传感器的搭载是无人机遥感测绘技术的未来研究热点与研究方向，提出了无人机技术在测绘遥感领域的应用问题。

无人机；无人机遥感；测绘

无人机技术自其出现以来，由于其简单、方便、快捷的优势，一直是人们关注的热点。经过多年发展，特别是在其飞行控制、硬件集成等方面取得的不断进步后，现在越来越多的应用于各个行业当中。从无人机的历史发展来看，其最初1917年，皮特·库柏（Peter Cooper）和埃尔默·A·斯佩里（Elmer A. Sperry）发明了第一台自动陀螺稳定器开始，即标志着无人机飞行的可能，从那之后的无人机一直是作为军事装备用于打击目标和进行侦查。例如美国“捕食者”攻击无人机，可轻松的执行火力侦查；以及著名的“全球鹰”系列高空侦查无人机，由于其42 h的续航时间，以及25 000 km的航程，可以直接对需要的地区进行精密的战场控制；还有先进的“渡鸦”手抛式无人机，以方便携带，巡航0噪音的特点，可直接用于前线侦查。

我国近些年来也不断的发展无人机技术，特别是低空无人机的相关技术。其中“彩虹”系列手抛式无人机已经应用于各类军事演习与测试当中，具有方便、轻巧、侦查能力强等优点。另外，在商业应用方面，也出现了大量的无人机农业撒药、无人机交通检查、无人机快递等方式的应用。综合而言，目前的无人机技术作为飞行载具已经进入了较为成熟的阶段，能够为各行各业提供较为稳定的飞行平台，从而进行多方面的应用。

1 无人机遥感的优势

近些年来，随着我国无人机技术的不断发展，使低空无人机技术越来越成熟，特别是使其成本的降低，能够达到低廉的价格，从而打开了无人机在各行各业的多种应用。其中，使用无人机进行航测遥感，成为了新的热点与技术。而这种技术手段，由于其独特的优势，也为测绘遥感学科注入了新的活力。

1.1 飞行规划与数据获取简单

无人机最大的特点在于其飞行准备简单，飞行控制容易，并且其飞行速度较低，具有非常强大的航道编辑能力，从起飞到降落，都具有非常便利的优势。因此，利用这种优势，无人机测绘遥感能够获得自动化的飞行规划与飞行摄影，减少了大量的人工工作量。同时，无人机飞行平台起飞降落非常容易，使无人机测绘能够适应多种地形和区域的测绘任务与需求。另外，在无人机获取影像过程中，地面人员基本不需要进行太多干预，真正实现了数据获取的自动化与智能化。特别是用于进行应急测绘，无人机能够以最快速度进行相关详细测绘，从而为后续的工作提供指导与规划。

1.2 低空遥感观测

传统的遥感对地观测手段主要有卫星遥感观测、飞机航飞遥感、地面测量车等方式，从高到低依次分布，形成了比较全面的观测网与观测体系。然而，这些数据获取方式，对于城市内部建筑的观测能力确略显不足，虽然飞机也可以进行低空飞行，然而传统航摄飞机进行一次航拍的流程非常复杂，飞行申请与规划难以满足城市观测的需求。而无人机的出现，极大地改善了这种尴尬的局面。无人机可以快速方便的对城市内部进行低空测绘，不需要进行特别的飞行管制，而且飞行高度也可以随工程应用需要来进行制定，从而非常有效的进行城市观测，用于城市规划建设、违规建筑监察、交通管理等多个方面。特别是低空飞行测绘过程中，可以有效的规避云层对遥感的影响，具有十分重要的应用价值与意义。

1.3 多角度观测能力

无人机除了普通单相机的遥感测绘以外，还可以搭载计算机视觉领域常运用的多角度观测系统，从而针对地面进行多个角度的观察与测绘。这种多角度观测方式，结合无人机低空飞行带来的详尽地面观测能力，能够给测绘人员带来全角度多方面的信息。尤其是在城镇建筑较多的地区，传统测绘手段由于视角的关系，总有无法观测到的角度，而无人机方便灵巧的飞行方式，搭配多角度倾斜摄影的地面观察，可以保证对地面细节进行多方位的全面认知。例如房屋侧面的纹理、建筑结构，以及其它一些传统遥感手段难以观测到的角落，从而扩展测绘遥感的数据来源，有效提高测绘产品的精度与实用性。

2 无人机遥感的应用

凭借无人机的优势，无人机遥感在移动通信和电力领域有着广泛应用。

2.1 无人机在移动通信行业的应用

无人机遥感巡检系统是集航空、通信、图像识别、遥感、全球定位系统、地理信息系统等多个高尖端技术于一体的复杂巡检系统，由于低空无人机体积小、成本低、实时性和灵活高效，可以轻松的翻越高山、跨越大江大河。操控无人机能够从多个角度对低空物体进行细致入微的观测。使用无人机实现对通信基站和天线的日常安全巡检，代替传统的人力巡检，能够减少人力在巡检过程中可能发生的危险，降低企业的财产损失。其次，野外环境复杂，许多区域查勘人员无法抵达，无人机遥感充分结合飞行器控制技术、遥感技术、GPS技术、地理信息系统技术。通过飞行器控制设备控制无人机携带影像传感器抵达勘察区域，摄像设备自动控制摄像功能获取高分辨率倾斜摄影影像，GPS技术实时监控无人机位置，地理信息系统技术动态的可视化无人机位置信息。地面工作人员仅需要控制无人机的方位，利用倾斜摄影测量后处理软件处理影像数据就可以获取勘察区域周围精确详细的基础地理信息数据，为基站建设提供可靠的地理信息数据。此外，传统的网络优化测试只能在地面进行，无人机可以搭载网络优化测试设备在基站周边不同位置高度进行通信信号的测试，突破了高度的限制，网络优化人员能够获取详细的测试数据，优化基站网络通信信号，使信号覆盖区域网络更加通畅。

2.2 无人机在电力行业的应用

我国国土面积广袤，各等级输电网遍布全国。目前，我国的电力系统工程存在工程建设周期短、路径有限等特点，在建设各等级电网，特别是在输电线路前期规划和输电线塔址选择阶段，需要充分了解施工区域的地理环境信息，传统的航空摄影测量具有成本高、对天气要求苛刻、航空审批手续复杂等特点，不适应当前电力系统工程建设的需要。相比之下，无人机倾斜摄影测量具有受天气影响小、全天候低空观测、操作简单、能够获得高重叠度和高精度的影像等特点，这些优势使无人机能很好的克服传统摄影测量的弊端。能够快速的对输电线路建设周边区域实施倾斜摄影测量工作，以获取大比例的基础地理信息数据如正射影像、数字高程模型等。在对测区进行无人机摄影测量作业之前，需要做好确定待测区域范围、设计无人机的飞行航带、建立区域控制网等工作，以保证数据成果的精度。通过摄影测量和计算机视觉的单目多角度观察理论，对倾斜影像进行影像自动匹配，空中三角测量，三维密集点云运算，对影像进行分析与解算，并根据地面控制点提供的空间参考，最终实现对地面的完整三维解算，得到各类测绘成果。利用无人机遥感对规划区域进行摄影测量，不仅可以快速高效的获得数据，保证数据的时效性，同时大幅降低了人工成本、减轻了工作人员室外劳动强度和对环境的破坏程度，为输电线路走廊规划、站址决策提供详尽数据，优化输电线路路径，使区域规划和电路走向更加合理。具体从以下两个方面进行说明。

2.2.1 无人机电力路线设计

电力线路设计就是遵照相关的设计原则设计出一条最优的电力输电线路，按照要求，设计一条合格的电力输电线路需要详细了解区域内的地理环境信息。传统的测量方法完成此项任务费时费力，然而无人机倾斜摄影却能够轻松胜任这项任务，辅助电力线路规划。传统的电力输电线路设计原则要求路线尽可能是直线，线路两侧的一定范围内不能有建筑物，输电线塔架设处的地质符合建设条件，避开一些贮存有易燃易爆的地区如加气站、加油站等。传统设计方法是设计人员先在现有的中小比例尺地形图上进行粗略的设计输电线路然后实地踏勘，不符合要求就修改重新设计线路，直到电力线路符合设计原则。传统的电力线路设计方法存在依赖的地理信息数据陈旧，不能很好的反映当前地形地貌，实地外业踏勘工作量大，航空影像获取困难等弊端。然而，无人机倾斜摄影获取的影像数据分辨率高，能轻易辨别道路、房屋、河流、特殊设施建筑等大量地貌信息，提供了丰富的现势地物信息，可肉眼判别地质条件是否满足输电线塔施工要求。从而保证了设计线路的合理性和稳点性，不至于要反复修改设计线路，减少了设计成本和野外勘察工作量。此外，利用无人机倾斜摄影测量技术获取的正射影像和数字高程模型与设计人员的设计输电线路方案相叠加，三维仿真模拟电力输电线路，直接三维可视化设计线路，可为后期的输电线路管理工作做准备。通过正确的方法将无人机倾斜摄影测量技术运用到电力线路设计工作中，其效果明显强于传统设计方法。

2.2.2 无人机电力线路巡检

为了保证电力输电线路的安全运营，电力部门对电力输电线路进行定期巡检就显得尤为重要。电力路线巡检是指对输电通道、塔杆和输电部件巡检，及时发现输电设备存在的安全隐患。传统的巡检工作主要依靠人工，野外工作环境恶劣而且劳动强度大，效率低。在悬崖、沼泽等危险地区，巡视人员的生命安全受到威胁，当发生地震、滑坡、水灾等自然灾害时，巡视人员便无法开展巡视工作。与其它电路巡检方式相比，无人机飞行空域低，没有空中管制的限制，不受气候、地理环境的影响，操作简单，容易掌握，可不间断工作等特点，因此，无人机低空巡检可以能很好的解决这些问题。无人机线路巡检主要有两种应用模式，一是将摄像机挂载在无人机吊舱内，仅一人操作无人机，事后观看录像带查看输电线路状况；二是实时的和无人机飞机数据通信，将拍摄的实时画面传输到地面监视屏上，一人操控无人机，一人监看视频，两人相互配合完成对线路的巡检工作，若发现可疑的特征就控制无人机悬停观察，仔细检查输电设备，排查存在的安全隐患。此外，无人机还可搭载不同成像设备对输电部件进行观测，如搭载红外热成像仪可检测部件温度是否升高。无人机巡线减轻工人的巡线工作强度，降低企业输电线路维护运行成本，无人机优越的性能使之成为电力线路巡检中高效的工具， 无人机巡线检查将会是一种高效、大有前途的巡检方式。

3 无人机遥感的未来发展

然而，由于刚刚兴起，而目前的无人机遥感测绘技术依然有很多缺陷与不足，影响了其进一步的应用，为广大的学者提出了新的挑战。

3.1 无人机数据处理方法研究

由于低空无人机飞行高度较低，因此其数据表现出超高的地面分辨能力，这种分辨力下，对地面的观测会导致数据量非常客观。同时，由于倾斜摄影和多角度成像的原因，给无人机低空飞行遥感的数据处理方法带来了困难，影像之间倾角大、重叠度不规律、影像数据量巨大这些特点导致传统测绘方法对其进行处理时会出现多种问题，难以为继。因此，如何有效的对无人机遥感测绘数据进行分析与处理，是时下极为火热的研究方向与研究热点。

3.2 无人机其它传感器的搭载

目前无人机由于飞行平台的载重能力的限制，以及起飞降落方式的影响，一些精密的测绘传感器尚无法进行搭载成像，例如高光谱成像光谱仪、激光雷达等。导致目前的无人机影像数据信息较为单一，缺乏多光谱的识别能力，很多遥感机理的对地观测分析方法都无法使用，令人遗憾。而随着无人机飞行平台的不断完善，将一些遥感对地观测非常重要的传感器进行搭载，从而进行低空探测与观察，必然能够进一步的实现对地面的精细化认知，这也是无人机遥感的另一个重要发展方向。

4 结语

目前的无人机飞行平台已经具有相对完善和成熟的技术，而将其应用在遥感、测绘当中，还有许多需要研究与分析的技术与方法。怎样合理的发挥无人机测绘遥感的优势与特点，是广大测绘工作者需要认真思考的问题。

[1] 王博申, 周安宏, 喻威,等. 无人机在通信勘察领域的应用研究[J]. 中国新通信, 2015, 17(19).

[2] 张朝阳. 无人机在移动行业的应用[J]. 电信技术, 2016, 8(11).

[3] 李明明, 丁淼, 秦宇翔. 无人机摄影测量技术在电力系统中的应用研究[J]. 电子世界, 2015(14).

[4] 张晓东, 许邦鑫, 黎景良. 利用卫星遥感技术进行电力线路设计[J]. 测绘通报, 2005(7).

[5] 陈晓兵, 马玉林, 徐祖舰. 无人飞机输电线路巡线技术探讨[J].南方电网技术, 2008,2(6).

Overview of UAV surveying and mapping remote sensing

LI Quan-zhou1, SHI Gao-feng2, CUI Jian-jun1
(1 Chang'an University, Xi'an 710054, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Heilongjiang Branch, Harbin 150001, China)

This paper describes the development of UAV and the application of UAV technology in China, discusses the application advantages of UAV in remote sensing surveying and mapping, describes the application of UAV remote sensing in the mobile communications and power industries. UAV equipped with sensors and data processing method is the UAV remote sensing research focus and future research directions. The applied trouble of UAV technology in mapping and remote sensing is put forward.

unmanned aerial vehicle; UAV remote sensing; mapping

P237

A

1008-5599（2017）04-0014-04

2017-03-18