无人机测绘数据处理关键技术分析

周晓翠

（广州建通测绘地理信息技术股份有限公司，广东 广州 510663）

无人机测绘技术集可视化技术与计算机技术等技术于一体[1]，处理数据时能产生精准的测绘结果。无人机测绘精准度和效率的提高，对于测绘行业发展有重要意义[2]。与传统测绘技术相比，无人机测绘技术无需人工驾驶，投入成本低，能通过地面操作实地测绘，适用于特殊地区地质勘查及测量，且测绘成果可靠、精度高，可为后续工作的开展提供有效的数据支持。

1 无人机测绘技术的介绍和特点

在复杂地形开展测绘时，无人机能完成人工难以胜任的工作，几乎不受地形阻碍到达任何地点，并能长时间持续巡航测绘；无人机摄像系统保障了续航系统长时间悬停功能，能获取清晰画面，采用的地面导航系统能建立数据库，通过规范航线可提高巡航准确性；能以应急抢险监测车辆为载体，处理跟踪数据，并独立完成控制与回收工作；运用高程信息数据，可使无人机在巡航过程中立即回传所测数据，还能让无人机进入自动追踪状态，不断收集图像与视频信息。无人机自身具有无线传输能力，能实现远程控制与数据传输，并对资料进行自动分类。

常用的无人机设备主要有固定翼与旋翼两种，都可用于巡航测绘领域。固定翼无人机使用时必须地面开阔，便于起降，其抗风性能不佳，任务完成后需给续航系统充电才能继续航飞。旋翼无人机需要对空开阔，一般垂直起降，具有平稳姿态，能在空旷场地起飞，配备图传系统，能实时监察摄像机收集的信息。

以往处理航拍资料的测量数据时，按照数据预处理→影像匹配→空三加密→数字地面模拟→生成正射影像的流程开展，技术成熟但效率较低。近年来，无人机摄影测量技术在地形图测量中得到广泛应用，部分工程建设领域也对其进行了广泛研究。无人机摄影测量技术特点如下：（1）采取航拍照片的方式获取区域内整体信息数据资料，能保证时效性与安全性，可大量采集数据；（2）现场作业相对较少，多角度、分辨率高，省时又省力；（3）能提供大范围地形测量结果，具有实时性；（4）通过非接触方式开展三维测量，适用于传统测量技术较难进行或区域条件通行困难的工程测量。通过无人机设备拍摄并测量地理信息，只需3 人即可完成，航拍结束后对数据进行检查，合格则对数据进行后续处理，无人机摄影测量系统作业流程如图1 所示。无人机测绘数据处理技术可快速获取野外影像数据，减少人力物力消耗，减轻野外环境作业强度，提高工作效率，确保测绘作业的准确性，在很多领域都有较高的应用价值。

图1 无人机摄影测量系统作业流程

2 国内外研究现状

无人机是借助无线电遥控设备和程序控制装置的不载人飞机，无人机系统包括飞控、导航、动力与数据传输系统。目前研究无人机系统的单位主要有天宝、扩普康、中海达和南方测绘等公司，以及大疆、Parrot、Asctesc 等硬件生产商，主要研究无人机飞控系统、动力系统、数据传输和硬件集成等。目前，我国在这方面的研究较为成熟，后期可能会以行业应用为导向，定向研发，如物流无人机、监测无人机、植保无人机等，以应对各类应用场景对无人机姿态稳定性、续航、避障等方面的不同需求。

无人机测绘数据处理是指利用控制点数据，处理无人机航飞数据，在此基础上产生数字测绘产品。目前，我国是由航测软件公司提供无人机测绘数据解决方案。与传统人工测量技术相比，无人机的使用极大提高了测绘效率。随着社会的不断进步，测绘市场的需求逐步扩大，如何提高测绘效率和成果精度是无人机测绘行业未来研究的重要方向。

3 测绘数据处理关键技术

3.1 RTK 和PPK 技术

为解决无人机航测像幅小造成刺点困难、工作量大等问题，无人机航测采用RTK 及PPK 技术，可大大减少外业像控点布设，减轻工作量。RTK 技术通过无线数据链得到GPS 定位，随着数据网络的不断完善与发展，其作业半径大幅提升，将RTK 技术用于无人机系统，可明显提高飞行定位和导航精度。PPK 技术可处理无人机测绘资料，利用载波相位记录物体的运动状态，受外界环境影响较小，作业范围大，定位精度高[3]。一般RTK 受限区域亦可采用GPS 动态监测，可以作为RTK 技术的补充。图2、图3、图4 是借助DP-UAV 软件对某地区航测数据进行处理后的成果，共1337 张像片，用时145min，自动生成135 万物方点、正射影像与数字高程模型（DEM）。

图2 彩色点云

图3 DEM

图4 正射影像

3.2 相机检校技术

无人机飞控系统、动力系统及导航系统技术难关突破后，售价显著降低，市场上不少无人机设备全套价格不过万元，偏高端设备价格也在可接受范围内，但主要缺乏物美价廉的测绘设备。目前，基本采用性能优异的民用单反、微单相机代替[4]。但无人机装载非专业测绘设备可能导致不可预知的错误，加上稳定性欠佳，难以对像位直接解析计算。为确保测图精准，需检校相机，对其各畸变参数和内方位元素进行求解。多像灭点检校法、自检校法等是常用相机检校法，但还需更快捷简单的相机标定方法和软件。以往相机标定主要通过固定地点三位标定场进行，对场地选择、布设要求较高；二维相机标定场在计算机视觉领域基础上进行，精度有限。当下发展方向是通过特制标定板和相机标定软件构建三维标定场，借助标定软件处理不同拍摄角度获取的数据，从而取得相机参数。

3.3 空中三角测量技术

空中三角测量技术是无人机测绘数据的处理原理，使航拍像片同目标之间形成一定的空间几何关系，再根据少量像片控制点计算像片外方位元素，已成为重要的数字测绘手段。与传统航空测绘系统相比，无人机测绘系统重叠度与姿态均不稳定。目前，主要采用GPS/IMU 配合空中三角测量，通常只用准备相机参数文件、原始影像、控制点文件和POS 数据就能自动空三解算，而人工参与的半自动绝对定向及成产成果输出，可大大提高无人机测绘数据的处理效率。

4 无人机测绘数据应用状况

4.1 国土测绘

国土测绘是我国土地资源管理中的重要内容之一，影响土地资源利用效率和我国基本国情。将无人机测绘数据产品应用到国土测绘中，借助无人机航拍功能收集土地资源数据，可让有关部门快速准确掌握测区土地资源实际使用情况，有利于开展土地使用与覆盖图更新、特征信息分析、国土资源动态监测和调查、土地利用动态图监测等工作。使用无人机测绘技术获取的图像分辨率高，利于工作人员开展区域规划工作。此外，无人机测绘系统的数据处理功能可适用于国土资源管理中的动态监测[5]。

4.2 灾情救援

灾情救援，时间胜于一切，在最短时间内开展救援一定程度上能决定救灾结果。在玉树地震、汶川地震、茂县山体滑坡等重大突发事件中，我国救援部队快速反应，在救援现场充分利用无人机测绘数据产品，凭借无人机机动性强、灵活性高等特点，及时快速收集各灾区地段影像，获取重要数据，提高救援效率，同时还有利于开展灾区后期重建。

4.3 环境监测

将无人机测绘数据产品运用到环境监测领域，能快速获取所需航空影像，且分辨率较高。工作人员通过仔细分析影像，能有效监测环境污染情况，特别是排污污染状况。此外，还可以将无人机测绘数据产品应用到海洋监测、湿地监测、固体污染物监测、植被生态监测、水质监测等领域，充分借助无人机拍摄航空影像或处理视频数据等功能，获取所需数据。

5 实验检测

无人机飞行区域为6×4 平方公里，航高500m，采用Canon450D 相机，要求影像地面分辨率优于0.2米，精度满足1∶2000 比例尺要求。航测时天气晴朗，共获取1337 张影像、15 航带。现场布设控制点40 多个，通过RTK 进行测量，对无人机航测坐标与测量坐标进行对比，结果如表1 所示。

表1 控制点计算值和测量值差值

由表1 数据可知，经DP-UAV 处理后，无人机摄影测量精确度高，能满足一般1∶2000 比例尺工程测量和地形图测量的基本要求。

6 结束语

与传统人工测绘模式相比，无人机测绘具有成本低、全天候、实时性、效率快、精度高等优点。但与传统航空摄影测绘相比，无人机测绘也具有相机内参数稳定性差、镜头畸变、配套软件滞后、像幅小等缺点，因此需要持续优化与完善，以最大程度发挥无人机测绘数据处理技术的优势。