无人机遥感测绘技术在测绘测量中的应用

吴昌程

（江西省建筑设计研究总院集团有限公司，南昌 330000）

1 引言

当前，无人机遥感测绘已逐步从研究开发进入实际应用阶段，成为未来一段时期主要的测绘测量技术。因无人机遥感测绘技术具有快速、经济、机动等优良特点，可以在一定程度上弥补卫星遥感测绘数据获取能力不足、回访慢、现势性差等缺陷，现已成为全球测绘测量领域争相应用的热门技术。因此，探究无人机遥感测绘技术在测量测绘中的应用具有非常突出的现实意义。

2 无人机遥感测绘技术概述

无人机遥感测绘技术是现代化无人驾驶飞行器技术、遥测遥控技术、遥感传感器技术、通信技术、GPS 差分定位技术的集成，可以快速、自动获取国土、环境、资源等空间遥感信息，并智能处理遥感数据。无人机遥感测绘技术中的无人机本质上是依托机载计算机程控系统（或无线电遥控设备）操控的不载人飞行器，具有使用成本低、结构简单的特点[1]。而以无人机为空中平台，可与遥感传感器之间进行信息交互，为一定精度的图像绘制提供依据。

3 无人机遥感测绘技术在测绘测量中的作用

3.1 提高确权测量效率

以往土地确权测量是借助地面工程实地踏勘或者载人飞机航测的方式，具有执行不便、成本高昂、效率低等问题。而利用无人机遥感测绘技术可以降低土地确权测量的成本，提高土地确权测量精确度与自动化程度。特别是在农村集体土地登记确权发证时，借助无人机遥感测绘技术可以对农村集体土地范围内大面积土地拍摄影像，获得高精确度地表三维数据后，经协同作业开展三维建模，完成大比例尺地形图绘制，为农村集体土地所有权确权登记工作的高效率开展提供支持[2]。

3.2 满足城市规划要求

城市基本地形图是城市管理规划的基础，在城市建设、规划、交通管理中发挥着日益突出的效用。在城市规划对基础地理信息资料覆盖率、准确性日益提高的背景下，利用无人机遥感测绘技术，可以适应城市管理规划测绘发展方向，快速、高效获取高分辨率、高精度的影像数据，并进行城市大比例尺地形图航空测量，满足城市规划要求[3]。

3.3 提高堆体测量精度

堆体测绘测量范围较为广泛，涉及建筑工程土堆计量、矿山工程岩堆计量、港口码头散装货物估算等。传统堆体测量技术主要依靠盘煤仪或全站仪、GPS 测量仪等仪器，虽然在一定程度上提高了堆体测量效率，但是仍然存在测量精度不足问题。而利用无人机遥感测绘技术，可以利用无人机拍摄工程堆体影片，在无人直升机测绘系统内输出激光雷达测绘成果图，满足堆体高精度测量要求。

3.4 提高水利测量效率

水利测量是无人机遥感测绘技术的主要应用领域。较之传统人工监测、无人船监测技术而言，无人机遥感测绘技术不需消耗大量人力物力，可以有效缩短水利测量周期，为水利测量自动化、现代化、信息化的实现提供支持。特别是多旋翼无人机遥感测绘技术的应用，可以搭载盛水容器、抽水装置，精准匹配位置信息点取水，满足水域动态高效测量要求。

4 无人机遥感测绘技术在测绘测量中的应用

4.1 土地确权测量

为解决土地确权测量中分辨率低、精度低、无法达到工作底图标准等问题，可以利用无人机遥感测绘技术。常用测绘无人机需具备分辨率为5 cm 的全覆盖航拍要求，提前选取地面控制点，完成正射纠正，为影像几何精度提升提供依据。最终在遥感测绘软件内对数据进行快速检查，确认无误后进行数据处理，制作精度较高的1∶500（或1∶1 000、1∶2 000）的大比例尺正射影像图[4]。

在无人机遥感测绘技术应用于土地确权测量前，应查看天气情况，避开雾霾、雨雪、大风等不宜飞行的恶劣天气。在适宜的天气，携带计算机、无人机等设备赶赴土地确权测量现场，选择能见度佳、平坦、无高压线且无高层建筑、无高山密林的场地，规划无人机飞行航线、重叠度、高度与飞行架次。同时，测定现场风速、风向，为无人机逆风起升下降提供依据。准备完毕后，取出一体化设计的无人机平台，安装电池、电台。确认无人机相机拍照与GPS 定位功能正常，且无人机起升下降点选择、航线规划无误后，在手动模式下根据飞行控制系统指令操作各舵面，确定机头、机身、尾翼可以按照指令操作，飞行航线可以正常上传到飞行控制系统。随后，解锁随单手举起无人机迎风抛出，逆风起飞无人机，在飞行的同时进行长5 km的监控，记录当日起升与下降架次、航拍情况，主要检测参数为飞行轨迹、航高、航速、地速、空速、电量以及电压。

按照规划航线起飞完毕后，降落到前期设定降落点，在降落到距离地面30 m 时进行首次螺旋桨反转减速，在降落到距离地面5 m 高度时进行第二次螺旋桨发展减速，最终无人机机腹擦地降落。降落后，下载像片数据，检查像片数据质量，结合压线率、姿态角判断是否需要再次起飞。确认无误后，继续进入其他区域完成航拍任务，理论上一个起升下降点飞行控制范围为300 km2。若需更换飞行区域，则进行无人机体内电子磁罗盘校准[5]。校准后，以轴向为瞄准目标，将无人机机头指向北方，绕俯仰轴旋转到水平，进而将无人机旋转90°，最终绕横滚轴旋转到水平。全部航拍任务完成后，利用遥感软件进行影片处理，包括空中三角加密测量、微分纠正、匀光匀色处理等，对图形中水系、居民住房、土质、道路等属性信息进行纠正，确保整个测区像片色调一致、颜色均匀后，绘制高精度、准确定位、强解译的大比例尺三维正射影像（或DEM、三维倾斜影像、三维地表模型）绘制，为土地确权工作开展提供依据。

4.2 城市规划测绘

根据无人机遥感技术快速、准确、影像分辨率高、成本低、时效性强的优良特点，可以将其应用于城市绿地测绘中。在城市绿地测绘前，需提前准备最大起飞质量为3 kg、机长0.9 m、机翼展开1.5 m 的电动型测绘无人机，飞行高度为500 m，巡航速度为80 km/h，发射方式为自动弹射起飞，配备地面遥控系统、数码相机（焦距长125 mm，电荷耦合器件尺寸为4.75 μm，空间分辨率为0.11 m）与导航仪。

在无人机平台设置完毕后，设计航高一定的若干条航线，每一条航线长度均相同，航向重叠度、旁向重叠度分别为80%、60%，单张影片（红、绿、蓝3 个波段）覆盖面积为0.2 km2。在不考虑大气因素影响的情况下，利用PixelGrid-UAV 无人机航空影像处理软件，进行影像畸变差纠正、空中三角工程创建、构建测区自由网、空中三角平差解算，最终输出DEM 或者DOM 影像。因无人机遥感影像为无人机飞行过程相机拍摄的单幅影像，无法直接应用于城市规划测绘，需要对影像进行正射校正后拼接成图。正射校正期间，根据无人机飞行姿态稳定度不佳的特点，先去除姿态角超标、重叠度不佳、成像效果不佳以及俯仰角、侧滚角超出3°的影像。进而针对非量测型普通数码相机像主点偏移与镜头畸变导致的边缘畸变问题，输入相机参数文件，完成畸变差校正[6]。同时，根据实际影片重叠方向进行旋转。旋转后，根据无人机飞行阶段俯仰、侧滚、航偏等姿态变化，利用全球定位系统（或惯性测量装置）提供的相机成像时刻角元素、外方位线、航摄仪姿态参数，开展位置姿态系统辅助下的空中三角测量。经空中三角连接点处理自由网平差后，确定每一种无人机影像的加密点坐标、外方位元素，结合像元高程值，生成三维点云DEM。最终对三维点云DEM进行数字微分纠正处理，拼合原始无人机单张影像，获得正射影像DOM。

4.3 堆体测量

根据堆体测量要求，可以选择以无人机为飞行平台、以全自动摄影测量工作站为处理平台，集成计算机飞行控制系统、通信系统、测控系统与GPS 卫星导航、RS 遥感、GIS 地理信息系统的无人机低空遥感技术。堆体测量所用无人机为轻型固定翼无人机，机翼展开2.7 m，巡航速度90 km/h，有效荷载5 kg，有效续航时间2 h。在无人机航空摄影后，提取信息，生成数字正射影像，确定工程堆体真实情况，为工程进度跟踪与现状调查提供依据。根据工程区规划情况以及不同时期堆体影像，逐一核查工程区域内开展情况。而利用数字表面模型，可以分析工程堆体高度变化，把控工程各环节进度，为工程管理提供依据。

需要注意的是，在工程面积一定的情况下，无人机低空遥感航测期间飞行航线需要满足航向重叠、旁向重叠分别为80%、50%的标准，地面分辨率则需达到0.1 m，实际飞行相对高度在350 m 左右。像控点则依据旁向逐航带、航向7 条±1条基线间隔的方针布置，布点后利用JSCORS 测量系统进行多次测量，获得平面坐标、高程坐标后计算平均值。进而根据外业像控点成果分布，开展加密分区，完成区域网的空中三角测量。解算空中三角后，依据数字摄影测量原理，处理不同时期的影像，获得不同时期的数字表面模型DSM。在立体像对下，根据数字摄像测量中共线方程求解DSM 影像上点三维坐标，构建数字高程模型DEM。根据工程地面模型参数，从原始非正射投影数字图像内构建正射影像DOM。在获得DOM 影像后，以同一区域按坐标同步显示各阶段影像成果为对象，进行多幅影像的多窗口并列对比，分析工程堆体变化。或者加载相同区域不同时相的数字正射影像，叠加对比适量数据，并设置矢量数据透明度，展示工程堆体对比图，为工程进度判定提供依据。

4.4 水利测量

在水利测量领域，无人机遥感测绘主要是借助高空间分辨率、高效率、高精度优势，对水利建设区和直接影响区进行摄像，获取测定范围内的DEM 数据或地形图。为确保外业像片控制点测量精度，技术人员可以提前进入水利建设区域，了解不同区域水利问题。同时，在卫星遥感技术辅助下，明确区域水土流失、富营养化、水资源水量等信息，为无人机遥感外业摄像参数设置提供依据。进而根据水利工程地形起伏小、交通条件便捷的特点，按4～5 条基线间隔布设外业像控点，旁向像控点则按2～3 条基线布设，点位处于旁向重叠中线周边或者明显地物转折点。

5 结语

综上所述，无人机遥感测绘是一种高精度、低成本、操作便捷的测绘测量技术，可以在测绘测量中发挥良好的效果。因此，测绘技术人员应正确认识无人机遥感测绘技术在测绘测量中的价值，根据测绘测量要求，利用无人飞行器对地面拍摄像片。进而利用遥感测量工具，将像片处理为立体模型，满足地物空间关系的量测要求。