无人机低空遥感技术在高清地图领域的应用研究

刘永学

（江苏省交通技师学院，江苏镇江，212000）

1 无人机遥感技术的优点

1.1 易于获取优于高分辨率卫星影像的图像

采用高分辨率的数码相机就可以进行影像数据的获取，而且在影像数据或许环节中不需要专业的人员，通过简单的操作就能完成所有影像的获取。无人机遥感可获取到超高分辨率数字影像和定位数据，可针对特殊监测目标搭载全色波段、单波段、多波段等传感器，也可以进行多角度摄影。

1.2 人力和硬件成本低

无人机飞行成本低，无人机遥感技术的成本非常低，整套设备就在10万至100万元左右。

1.3 灵活性高，安全性能好

无人机灵活性高，对起降地点没有苛刻要求。无人机起飞和降落不需要专门的飞机跑道，可以在不同的环境下起飞，简化了操作流程，并且可以在山地丘陵和城市地区完成飞行航拍工作，其飞行高度不需要得到空管部门的获批，可以在任何时间地点完成影像资料的获取。

1.4 受气候条件影响小

无人机受外界环境影响小，只要不是在恶劣的雨雪天气和大风天气，无人机遥感技术都可以使用，可随时进行二次测量。

2 无人机低空遥感技术的系统组成

无人机遥感系统主要包括飞行控制系统、数据采集、数据传输和数据处理系统，如图1所示。

图1 无人机遥感系统组成

2.1 飞行控制系统

无人机的运动完全依赖于控制系统。要获得有效的遥感信息，就必须要求控制系统拥有高性能。为了满足无人机遥感技术不断复杂的要求，简单的线性控制已不能满足当前的应用环境。一些基于非线性控制方法的控制系统逐渐成为相对较好的替代方法，它可以基本上解决经典控制方法在多变量输入输出条件下的问题。研究表明，这些非线性控制方法解决了一定的问题，但也会有其他的不足。于是，一些专家系统和神经网络相结合的方法出现了，进一步改进了非线性控制方法。深度学习等人工智能算法的发展，为飞行控制提供了更有效的手段。

2.2 数据采集系统

各种类型的传感系统已经与无人机集成，以执行不同类型的任务。最常用的传感器包括高清相机、光探测和测距（LIDAR）、红外相机和其他成像/测距系统。在本文中，我们将重点研究基于无人机的摄影测量系统和激光雷达系统。

基于无人机的摄影测量系统主要基于小型机载相机收集的图像。它通常需要有测量位置的地面控制点(GCPs)，并可以借助已记录的摄像机位置和方向。可以通过直接或间接的地理参照来估计目标区域的3D点云。最常用的无人机地理定位解决方案之一是运动恢复结构(SFM)。

可以将同一区域上的多个2D图像进行组合，并在它们之间匹配点特征，这些图像预计会有很大的重叠区域(～80%)。然后在相机帧中估计这些点的3D位置，用于形成3D模型或点云。然而，当使用小型商用无人机时，在世界坐标系(例如GPS坐标系)中，相机姿态(位置和方向)并不总是已知的。因此，用小型无人机用SFM创建的三维模型通常是无量纲的，不能直接作为地理参考。它需要更多的地面控制点来与世界坐标联系起来。该模型的绝对精度取决于图像处理质量和地面控制点。

一些定制和商业现货无人机能够记录飞行期间拍摄的每张图像的相机位置和/或方向。在这种情况下，基于摄像头的直接地理参考是可能的。它可以通过从单张图像到已知表面的光线追踪来实现。由于这种方法不需要地面控制，3D建模的精度主要由相机定时、方向和位置的精度决定。然而，不能携带高质量导航传感器的小型无人机不能用于直接地理定位。因此，直接地理定位尚未普遍用于低成本小型无人机。

SFM不需要先验的相机位置和朝向，也不需要完整的相机标定模型。事实上，它们也可以作为SFM结果的一部分进行估计。然而，如果有这些项目的先验估计，可以将其纳入SFM软件，以进一步提高数据产品的质量。SFM的核心算法通常基于束平差，即使用多幅图像进行三角剖分的过程。三角定位是SFM和直接地理定位系统的关键组成部分。虽然有几个专门的三角剖分软件解决方案，但它通常是当今SFM商业软件解决方案的一部分。

在一些更大尺寸的无人机上，照相机系统可以与直接测距传感器结合，例如无人机LIDAR系统。LIDAR根据激光束的返回来感知到3D世界中一点的距离。由于光束将以LIDAR机身框架中指定的已知方向发送，因此可以直接在LIDAR机身框架中测量这一点的位置。激光雷达对自然光条件不太敏感，可能在禁止相机操作的操作条件下(如弱光)提供测量。机载LIDAR直接在传感器坐标中测量点云，而不是在世界坐标中。通过了解LIDAR的精确位置和方向，将点云转换为世界坐标系。目前可用的机载LIDAR传感器仍然比一般相机更昂贵、更耗电、更重。机载或无人机LIDAR系统通常包括三种类型的传感器：测距传感器(2D扫描LIDAR、3D扫描LIDAR或3D成像仪)；定位传感器，如全球定位系统(GPS)或全球导航卫星系统(GNSS)接收机；以及测量加速度和旋转的惯性传感器。这三个传感器被集成到数据采集系统和3D建模过程中，GNSS和惯性传感器通常耦合在一起，以提供LIDAR的精确和平滑的姿态(位置和方向)和速度。GPS/GNSS同时负责其他传感器的精确时间标记和同步是一种很好的做法。

2.3 数据传输系统

受无人机载荷的限制，应尽可能减少数据存储设备等设备。由于遥感信息中的数据量较大，需要有较高的数据传输速度和抗干扰性能，以保证数据的完整性。也就是说，无人机遥感必须选择多条高效、稳定的数据传输链路，才能实时、不间断地传输数据，还要考虑数据的预处理和存储，确保数据有效、完整。

2.4 数据处理系统

目前，无人机的遥感图像处理主要是在获取图像后的地面系统中进行。由于无人机携带传感器的范围较广，不同传感器获取的数据也不尽相同，目的也不尽相同。虽然单条图像信息获取有用数据，但图像信息中的数据量大，相关性差。要解决这个问题，目前有研究探索将单个视觉传感器与无人机姿态控制传感器结合，获取包含无人机实时姿态信息的图像数据，这样可以降低进一步处理图像的难度。

3 无人机遥感系统用在高清地图领域中的主要操作流程

无人机遥感通常空域申请便利，升空准备时间短，受气象、起降场地限制较小，对区域地质条件要求较低，其操作流程如图2所示。规划科学合理的工作流程，是确保无人机低空遥感调查任务成功的重要条件。

图2 无人机遥感系统操作流程

3.1 任务分析

无人机遥感系统在接收到相关任务以后，需要先分析任务的实际情况，在核实好任务与目标以后，就要借助飞行平台和遥感设备，核实相关工作的具体时间。对地面资料进行收集，结合野外勘探的方式，整合所有的数据。根据获取的任务要求进行分析，圈定调查区域，了解任务区域的基本地理信息、天气及航空管制情况，制定无人机飞行方案，确定无人机的起降点、航线、飞行高度和飞行架次等。

3.2 选择起飞场地

到达飞行区域后，开展飞行准备工作，为无人机的顺利起降及安全作业提供必要保障。在调查区域确定以后，选择合适的无人机飞行平台，在开辟的平地或者公路上进行无人机的起飞，保障设备和人员出于安全的情况下进行飞行工作，确保无人机顺利的起飞与降落。针对飞行存在一定的不可预见性和安全隐患，在无人机试飞作业开展环节中，应该合理地选择起飞和降落场地，对起飞和降落场地进行勘察工作。无人机起飞和降落场地的要求不高，但是要着重考虑安全问题，有效地防止各类意外事故的发生。

3.3 检查机载飞行控制系统

无人机飞行环节中，遥感设备装置在其中，每个起飞和落地环节中都应该对无人机的各个部件进行紧密的检查和排查工作，确保机在仪器设备处于正常运行的情况，才能提升无人机遥感作业的成功率。

3.4 设计飞行方案

合理的起飞方案可以有效地减少无人机起飞的次数和时间，在对区域的位置和信息了解的基础上，充分结合飞行效率；在目标区域全面覆盖的基础上，有效地减少航路，从而全面地进行影像资料的获取。航迹规划软件设计应覆盖整个研究区域的飞行轨迹，在航迹设计阶段之前，操作员获取了研究区域的估计坐标。在设计飞行路线之前，有一些工作参数需要明确。这些参数是建议的飞行高度、覆盖研究区域、飞行任务期间将使用的相机焦距、所需的比例尺等。在飞行任务中，这些参数会影响图像采集结果。在获取某一高度的图像之前，需要考虑图像的像素大小，以便使用固定焦距来确定一幅图像的大小。

航迹规划软件要求用户输入路径点坐标，飞行设计是根据飞行任务中需要覆盖的飞行高度和覆盖区域进行的。随后，导航文件通过无线调制解调器发送到飞行控制板。航迹规划软件可以监控无人机在执行飞行任务时的状态、无人机高度、无人机姿态、电池状态和无人机速度。在飞行任务中，无线调制解调器作为无人机与地面站监控器之间通信的桥梁。操作员可以从地面站计算机监视无人机活动，并为任何情况做好准备。发射和着陆操作由操作员手动控制，以防止无人机上的任何损坏，特别是在着陆操作期间。

3.5 数据处理

利用航空图像处理的软件（如Photomod摄影测量软件）对无人机原始图像进行处理。所有获取的图像都需要经过所有的摄影测量操作，如内部定位、外部定位、空中三角测量和束调整。内部定位需要相机参数，而这些参数是从相机标定结果中获得的。这些参数是焦距、x和y的主距离、镜头径向畸变、镜头切向畸变和亲和度。像素大小是内部方位的重要输入之一。这是因为像素大小可以决定图像在地面上的地面覆盖面积。外部朝向涉及图像之间连接点和地面控制点的建立。结合点可以手动生成，也可以自动生成。手动编辑需要用户集中注意力，以便在两张图像之间或在一个模型中定位点。用户还可以使用自动联系点生成，在模型中建立联系点。自动联系点生成使用图像匹配相关算法来识别两张图像中相同的特征。但是，用户需要在运行自动联系点操作后，选择好的联系点，去除不好的联系点。这一步需要控制最终结果的准确性。捆绑点负责定向，将所有图像捆绑在条带中，并将所有图像安排得与飞行任务中相似。利用地面控制点将图像投影到局部坐标中，采用实时动态全球定位系统(RTK-GPS)建立地面控制点。对外定位后进行空中三角测量，利用均方根方程分析空中三角测量的精度。摄影测量过程后产生的产品主要有两种：数字高程模型和数字正射影像图。

4 结语

随着各种技术的不断发展，无人机的功能越来越强大，本文针对无人机遥感系统的子系统进行了分析。无人机遥感技术成为高清地图绘制应用的关键技术，可以提升地图绘制的精确性和效率。随着人工智能的不断成熟，人工智能在无人机飞行控制和数据处理方面的应用将产生重大成果，进一步提高无人机遥感技术的效率和精度。因此在地图绘制中，应该充分结合无人机遥感技术，在确保地图绘制精确性同时，提升作业效率。