无人机测绘数据处理关键技术及应用

陈柏穆

摘 要：近年来，无人机测绘技术发展迅速，具有效率高、出错率低、不易受到外界干扰及适用性强等优点，可实现数据信息动态监测及应急处理，适用于多个应用领域，能满足多种数据测绘需求。根据相关文献探讨了无人机测绘数据处理关键技术及应用。

关键词：无人机测绘;数据处理;关键技术

中图分类号：TP273      文献标志码：A      文章编号：1672-5603（2022）01-81-05

Key Technology and Application of UAV Mapping Data Processing

CHEN Baimu

（The First Surveying and Mapping Institute of Hunan Province， Changsha Hunan 410114）

Abstract： In recent years， UAV mapping technology has developed rapidly. It has the advantages of high efficiency， low error rate， less vulnerable to external interference and strong applicability. It can realize data information dynamic monitoring and emergency processing， and it is suitable for multiple application fields and meet a variety of data mapping needs. In this paper， the key technologies and applications of UAV mapping data processing are discussed according to the relevant literature.

Keywords： UAV mapping; data processing; key technology

无人机测绘技术是信息网络时代下的产物，是基于计算机技术、传感技术及信息技术产生的一种综合型、数字型及信息化技术，该技术促进了现代测绘行业智能化、自动化发展。与传统测绘技术相比，无人机测绘技术不容易受到外界因素干扰，具有良好的适用性，在诸多领域得到广泛应用，成为测绘技术不可替代的重要分支。无人机测绘已经成为测绘行业的重要发展领域，其应用前景广阔，无人机测绘数据处理关键技术是测绘领域的重要研究方向。

1 无人机测绘技术研究现状和发展趋势

无人机是利用无线电遥控设备及自备（接收）程序控制装置实行操作的不载人飞行器。按应用领域分为军用与民用。在民用领域，现已广泛应用于航拍、农业、测绘、环境保护、新闻报道、监测监控、救灾、巡检、影视拍摄等多个领域。无人机测绘技术一般特指无人机在测绘领域的应用技术。

在国外，关于无人机测绘技术的研究已经成熟，很多机构和学者都对无人机测绘技术及其应用进行了研究。由于卫星导航定位技术是无人机测绘技术研究的基础，众多卫星导航定位机构率先开展了无人机测绘技术。在国内，南方测绘、中海达、拓普康、天宝等单位都对无人机测绘技术进行了深入研究，AscTesc、3D Robotics、Parrot等硬件生产商也参与了无人机硬件研究，为我国无人机测绘技术开发及应用奠定了良好基础。此外，以北京航空航天大学为代表的高校研究机构也对无人机系统中的数据传输系统、动力系统、导航系统及飞控系统等进行了深入研究，对测绘领域发展、无人机测绘技术开发起到很好的导向作用[1]。

目前无人机测绘技术越来越完善，已经逐渐实现多样化，同时衍生出很多种类的无人机测绘数据处理技术，包括DOM技术、PPK技术、INS技术、空中三角测量技术和DEM技术等，致使数据处理智能化、自动化水平日益提升。目前无人机测绘技术得到广泛应用，不仅在航海航空领域得到了应用，还在环境监测、地质勘测、矿山监测及城建等领域得到了应用，并逐渐走入到普通公众的日常生活中。

2 无人机测绘技术类型及优点

2.1 类型

应用于测绘领域的无人机，以固定翼无人机和多旋翼无人机的应用频率最高，固定翼无人机对起降场地要求相对较高，需要一块相对开阔的平地，多旋翼无人机可以随地起飞。以尺度分微型、轻型无人机;以活动半径分超近程、近程无人机;以任务高度分超低空、低空无人机，兼有部分中空无人机;以传感器分为普通航摄无人机、倾斜航摄无人机、视频无人机等。

2.2 优点

无人机测绘技术能够满足复杂恶劣环境下的测绘需求，具有很高的灵活性及工作效率，并且精细程度较高，主要优点如下。

2.2.1 工作效率高

无人机测绘技术是在信息网络技术、数字化等技术及通信技术的基础上发展而来，融合了信息网络、数字化及通信等技术的优点，能够自动检测各种数据信息，加上操作简单，与传统人工测绘技术相比，其应用效率更高，能够帮助相关技术人员快速回传高精准度的数据信息及高清图像。

2.2.2 适用性强且运作灵活

无人机测绘技术不仅能够在地面上使用，还能够在低空及中空飞行，故能够满足航海航空等高难度测绘需要，其适用性很强。无人机自身质量较低，能够轻便灵活地穿梭在不同环境、空间及领域，如矿山环境、高空及海面等，其运作灵活性非常強[2]。此外，无人机构件简单且能够根据需求选择起降方式等，被称为最便捷、灵活的测绘工具及技术。

2.2.3 数据处理精准度高

与卫星测绘相比，无人机测绘技术获取的影像数据分辨率更高，能够清晰逼真地反映现场现状，实现地面目标的大尺度精细化测量。同时，由于无人机应用了信息网络、数字化及智能化等技术，其精准度得到大幅度提高，具有自动检测、计算和纠正错误数据信息的功能，故能够有效减少误差发生，提高数据处理精准度。

3 无人机测绘数据处理关键技术

立足国家相关标准，以倾斜航空摄影为例，无人机测绘数据处理技术作业流程如圖1所示。

3.1 多相机集成技术

多相机集成技术作用、应用原理与非量测相机相似，但不同的是多相机集成技术因为需要将多个相机组合共同运行才能生成高清图像，在整个过程中相互之间弥补不足，解决了单个相机幅面较小、数据不稳定、图像不清晰的问题 [4]。多相机技术在测绘领域中的应用还能够有效减少影像数量，从而快速获取高效投影结果。这是因为多相机拼接模型能够针对内框架的连接处理模式进行不同结构的相机体系组装，从而满足数据监测及处理需求。

3.2 相机校验技术

非量测相机一直都是无人机测绘数据处理系统重要组成部分，很多无人机设备都装备有相应型号的相机。无人机运行过程中可将相片中心作为坐标系的中心，然后结合测绘系统将被测绘对象的影像分布情况通过相机校验功能呈现在图片上，以便于测绘人员更为直观、清晰地观察到被测绘对象的实际情况。非量测相机必须与自检校法联合使用，否则镜头上会出现极大畸变差，增加测量坐标点与实际情况的误差，而自检校法则能够及时校验，减少误差[2-3]。

3.3 PPK技术与INS技术

无人机身形小，飞行时很容易因为气压、大风等环境因素使机身受损，影响绘制结果准确性，而PPK技术则能够自行修改相片位置、纠正数据信息，保证和提高无人机测绘结果准确性，所以PPK技术又称为动态后处理技术。PPK技术能够克服部分气候带来的不利影响，其应用原理在于先借助接收机、流动站测量卫星载波机位，然后利用PPK技术纠正、确认相关数据信息[3]。此外，PPK技术还具有可视性好、能见度高、受季节影响小等特点，能够最大限度减小误差（误差精度可达5 mm）。

INS技术则是惯性导航系统，该技术不依赖于外部信息就能够自动调整数据信息，并绘制相关图像，是一种自主式导航系统，其应用原理在于根据惯性空间力学定律计算运动速度、旋转角度等数据，最后进行调整和确认。

3.4 空中三角测量

3.4.1 自动空中三角测量

自动空中三角测量技术的测绘原理是利用模式识别技术代替人工判别，获取重叠航片上的同名点的像点坐标，作为参数提供给区域网平差方程解算，确定加密点空间位置和影像拍摄元素。空中三角测量技术在应用过程中需要与相机检校技术联合，这样才能将获取的相片形成一种空间几何关系，然后通过分析结合关系找到对应相片的控制点要素，最后计算方位因素，并以高清图像的形式呈现出来，这样能够有效提高测绘结果精准度[5]。此外，还可以利用GPS技术辅助空中三角测量，这样能够快速找到错误数据并及时纠正，并获取空三加密单元之外的数据信息。

3.4.2 提升空中三角测量精度

空中三角测量计算的原理在于利用光束法平差对外业控制点各坐标观测值进行对比分析，并实时列举实际值，列出求解误差方程，然后适当对误差方程施加权重，最后结合加密点求解出误差值。利用误差处理软件调整、控制误差，通常可通过控制不同面的控制点权重及高差精度来达到减少误差的目的，多次检测结果都显示控制点权重与精度呈正相关关系，即其他条件不变的情况下，权重越大则精度越高，所以为防止控制点成像过程中发生变形，可以通过调整控制点权重来及时纠正误差，从而减少变形，提高数据精准度[9]。

3.5 加密精度分析评价技术

加密精度分析评价技术虽然是空中三角测量的一个环节，但体系相对独立，故被很多技术人员独立研究。加密精度分析技术不仅影响整个数字的外业控制精度，还影响数字分辨精度，故加密精度分析技术又分为外业控制精度分析技术、数字分辨精度技术2种。加密精度分析技术的应用原理在于利用光系数法对实际测量点的坐标观测值及相关数据信息进行加密分析及处理，以提高观测值及数据信息的精度，同时还能够在测量过程中设定相关指标，以便于分析比较精度[6]。加密精度分析技术的应用虽然能够提高整个数据测量及摄影测量工程精度，但有部分成果评判机制不稳定，导致精度破损，故存在一定误差，需要进行至少2次测量及分析，以减少误差。

3.6 三维模型重建技术

实景三维模型不仅应用到信息网络技术，还应用到数字化技术、通信技术及智能化技术，因此，很多信息都是以数字的形式表现出来。实景三维模型（图1）主要应用于城市建设领域，与其他模型项目相比，实景三维模型能够将大范围城市的面积、环境结构、建筑结构等以三维场景的形式展现出来，为城市管理者及建设者提供更多可靠依据，对城市化建设及发展起到了积极作用[8]。

4 无人机测绘数据处理关键技术的典型应用

4.1 环境监测领域

环境污染不仅影响人与自然环境的和谐发展，还影响我国社会经济发展，所以解决环境污染问题一直都是我国最重要的社会发展任务。环境监测是发现环境污染原因、污染源等的重要途径，故很多地区在治理环境污染时都会进行环境监测。而无人机测绘数据处理技术的应用则能够提高环境监测准确度，所获取的测绘数据分辨力极高，能够提炼出更为准确、全面的环境污染情况，为环境保护策略制定等工作提供可靠依据。

4.2 国土测绘领域

我国占地面积位居世界第三，土地资源非常丰富。无人机测绘技术能够获得分辨率极高的影像，在相关工作中能够精细化地探测到各类土地资源的分布位置和变化情况，为土地管理部门进行国土空间规划和开发利用管理提供可靠依据 。

4.3 灾情救援领域

湖南地质灾害发生较多，每年4～10月大部分地区出现了降雨偏多情况，根据湖南地质环境特征、地质灾害发育分布规律，突发地质灾害起数可能较常年平均值偏多，灾种主要以滑坡、崩塌、泥石流为主。这些自然灾害都对人类的生产及生活造成不利影响，严重者直接导致大量人和动物死亡，所以自然灾害发生时采取有效性灾情救援措施非常重要。笔者所在单位的应急测绘部主要用无人机采集灾后正射影像图、360空中全景、激光点云数据等，能够帮助救援者快速了解自然灾害具体位置、灾难情况等信息，然后结合这些信息制定针对性救援措施或者战略，保证救援工作顺利开展。

4.4 矿山测绘领域

矿产资源一直都是我国经济发展及技术发展的主要原动力，所以不断开发矿产资源、提高矿产资源利用率是我国主要发展目标之一。通过矿山测绘能够了解矿产资源所在地理位置的地形地势，这对矿山安全开采、矿产资源利用率提升等来说都非常有利。例如INS技術、无人机空中三角加密精度分析技术及DEM技术等能够采集矿山面积、高度等数据信息，为矿山开采提供可靠依据及正确指导。

4.5 城建领域

城建包括城市建筑建设及交通建设，无论是房屋工程建设，还是地铁工程、铁路工程、汽车隧道工程、桥梁桥墩工程建设，都需要对工程的地理位置、土层结构等进行测绘，以及时发现和解决问题。例如，在建设公路隧道工程时，使用无人机相机技术、空中三角测量技术、实景三维模型技术等可以检测隧道内部是否有裂痕、漏水等异常，并检测隧道结构安全性、稳定性及承载力等，及时发现安全风险，然后采取针对性安全风险防范措施，提高工程质量及使用价值。

除了上面提到的领域以外，无人机测绘数据处理技术还被应用到电力、水利、交通、环保等行业。此外，在公安治理、消防、反恐等领域得到了应用，并取得了良好的应用效果。

5 结语

国内外的无人机测绘技术已经取得了大量的实用性成果，在各大领域的应用价值也得到充分发挥，对各大领域发展都起到了积极的促进作用，越来越多国家都开始重视，并积极开发无人机测绘技术，以此来带动国家经济及科学技术发展。无人机测绘技术具有数据效率高、出错率低、不易受到外界干扰及适用性强等优点，能够适用于各大领域，促进各大领域进步及发展。相机校验技术、DOM技术、PPK技术、INS技术、空中三角测量技术、无人机空中三角加密精度分析技术、DEM技术、实景三维模型技术等都是常见的无人机测绘数据处理关键技术，这些技术能够高效处理数据信息，在环境监测、国土测绘、灾情救援、矿山测绘、城建等领域都取得了很好的应用效果，所以大力推广和应用无人机测绘数据处理关键技术是非常必要的，应得到高度重视及关注。

参考文献/References

[1] 王旭，石频，廖勇. 无人机测绘数据处理关键技术及应用探究[J]. 商品与质量，2020（8）：139.

[2]李亚东， 曹明兰， 李长青， 等. PPK技术在无人机森林航空摄影测量中的应用[J]. 中南林业科技大学学报， 2021， 41（7）： 20-25.

[3] 冼少梅. 无人机航空测量技术在地形测绘中的应用[J]. 中华建设， 2021（8）： 104-105.

[4] 丁波， 石若明. 消费级无人机倾斜摄影测量三维模型精度评价[J]. 北京建筑大学学报， 2019， 35（4）： 37-42.

[5] 俞建康. 无人机倾斜摄影测量在立交桥三维重建中的应用[J]. 测绘通报， 2020（10）： 106-109.

[6] 柯伟钰. 实时动态GPS_PPP在无人机光束法区域网平差中的应用[J]. 城市勘测， 2020（6）： 84-87.

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[8] 易俐娜. 无人机航摄技术在测绘领域的应用[J]. 教育教学论坛， 2017（13）： 75-76.

[9] 梅炜. 无人机航测技术在矿山测绘中的应用研究[J]. 世界有色金属， 2019（20）： 48-49.