固定翼无人机低空遥感系统在山地区域的应用研究

王莉，胡开全

(重庆市勘测院，重庆 400020)

固定翼无人机低空遥感系统在山地区域的应用研究

王莉，胡开全

(重庆市勘测院，重庆 400020)

阐述了固定翼无人机低空遥感系统在山地区域的应用。研究无人机在山地区域的适宜机型、影像获取、惯导辅助空三和3D产品制作，以及应用示范等。并根据实际应用需要，提出固定翼无人机低空遥感系统的改进建议。

固定翼无人机；低空遥感；山地区域；像素工厂；惯导

1 前 言

重庆具有山高林密、地形起伏大、水网密布等地形特征，多云多雾，地形与气象条件在我国具有特殊性，应用常规航空摄影和卫星遥感难以快速获取高分辨率遥感影像。无人飞行器低空遥感系统的出现，为解决重庆地区高分辨率遥感影像的快速获取提供了新的思路和方法。

无人机低空遥感系统具有体积小、重量轻、探测精度高，受天气影响较小，机动快速、成本低的优势，能快速获取高分辨率遥感影像。具有对地快速实时调查监测能力，是卫星遥感与载人飞行航空遥感的重要补充，已成为国内外应用与研究的热点之一。

本文针对重庆地区特殊的地理条件和气候因素，以固定翼无人机遥感系统用于高分辨率影像获取，基于像素工厂进行影像处理，并进行产品制作及应用研究。

2 无人机的选择

山地区域山高谷深，沟壑纵横，地形起伏大。无人驾驶直升机虽然能够定点起飞、降落，对起降场地的要求不高，但是其结构相对来说比较复杂，操控难度大，其平稳、匀速性不能满足测绘的精度要求，因此实际应用比较少。而滑跑起降的固定翼无人机，很难在山地区域找到平直、宽阔的公路用于起降。即使偶尔找到，也需要交通部门配合，中断交通，将影响正常的交通秩序。具有弹射起飞和伞降功能的固定翼无人机，其起飞和降落，只需要一块比较空旷平整的场地即可，是山地区域测绘应用的首选。

3 影像获取

由于固定翼无人机系统使用的是气压高度计，虽然在导航中也有GPS高度，但是控制系统是根据气压高度计来调节无人机飞行高度。气压高度计利用空气压力随高度的增加而减小的变化规律，通过测定压力来确定相对应的高度，其灵敏度欠佳。而山地区域地形起伏较大，空气压力变化也较大，因此从安全考虑，航线设计时应保留充裕的空间。

山地区域地形起伏高差较大，很多时候需要分摄区，而固定翼无人机最容易发生安全事故是在起飞和降落的时候。因此，宜用空中改变航高的方法进行航摄，以减少无人机起降的风险。同时，如果场地周围有高大的山地，可能会影响地面监控站与无人机的直接通信，无法实现实时监控，此时最好在山地最高处架设第二监控站，或者派人员在山地最高处观察无人机飞行姿态，并做好应急准备。

无人机每次飞行前，必须仔细检查系统设备的状态是否正常。在航摄过程中由飞行师、监控师、地勤师、机务师共同配合，完成无人机的检查、起飞、摄影和伞降回收等工作。

4 影像处理

无人机低空遥感系统由于自身重量、操控特性、风力的影响，其稳定性远远无法同载人航空摄影及卫星遥感平台相比，其航摄的像片倾角、旋角，以及航线弯曲度比较大。同时，由于无人机低空遥感系统因载荷较小的原因，多采用体积小、重量轻的非量测数码相机，因此像幅小，相对于航空摄影像片数量多。如果采用传统航测空三加密作业，需要的像控点数较多。而且重庆山地区域山高林密，对于像控点测量工作难度较大，效率低下。由于无人机基本上都装备有GPS、IMU系统，虽然精度较低，但是可以选择适宜的惯导辅助空中三角测量软件，充分利用、优化其惯导数据，以有效减少地面像控点数量，缩短成图周期，提高生产效率。通过对当前主流空中三角测量软件测试对比，在利用无人机影像的GPS、IMU数据方面，像素工厂(PixelFactory)相对而言效果比较好。

像素工厂内建的框幅相机传感器模型在传统6个内外方位元素模型基础上，针对当前市场航拍相机越来越多的使用非量测相机，配备IMU、GPS系统等特点，一方面将相机内部多种畸变差进行建模，另一方面，将整个IMU_GPS系统纳入传感器模型内，同时还考虑了相机与平台的对应几何位置关系等，将整个航拍系统的模型作为平差项，同时根据各个误差项的各自物理意义进行分组绑定，在此控制以及约束下，满足以最少的同名点和稀少控制点进行平差达到成图需要的精度要求。而且包含具有强大计算能力的若干个计算节点，数据处理能力强。

以重庆市巴南区木洞片区采用伞降型固定翼无人机实施航摄项目(如图1所示)为例，测区范围约10 km2(黑色线)，山地地形，按1∶2000比例尺制作3D产品。航摄有效面积27 km2，共13条航线，554张相片(灰色点为片号)，地面分辨率0.12 m。外业实测像控点56个(P点)，加密使用分布四角的4个控制点(红色点)。

图1 测区范围、控制点及像主点示意图

采用像素工厂系统，利用IMU_GP数据辅助建立影像间的相互关系，对影像进行匹配得到连接点，利用特征点优化外方位元素，之后再反复匹配提取特征点和优化外方位元素，直至所有特征点有一个均匀、牢固且精度好的匹配结果。然后引入地面控制点，联合惯导数据进行平差解算，输出畸变纠正后的影像和外方位元素及连接点的像方、物方坐标。加密成果精度统计见表1所示(除去已使用的4个基本定向点外，在其余的51个P点中随机、均匀的抽取11个点作为检查点)。

加密成果精度统计表(单位：m)表1

5 产品制作

(1)数字高程模型制作

像素工厂利用影像及其外方位元素建立立体像对，重采样获取核线影像后，按照像素级匹配生成各像对的子DSM，再对所有子DSM进行镶嵌获取整个测区的DSM。通过滤波和结合人工修改等方法编辑DSM，获取真实地形的高程模型。

此外，也可采用导出的空三成果建立立体模型，采集三维特征点线面的矢量数据，构TIN内插获取数字高程模型。

(2)数字正射影像图制作

像素工厂利用具有外方位元素的影像资料和DTM，先纠正出单张的“瓦片”DOM，然后自动生成镶嵌线进行镶嵌，同时对所有单片正射影像作全局的匀光匀色。像素工厂自动生成的镶嵌线能有效避开密集房屋区，智能程度较高，编辑镶嵌线时能实时显示修改结果，可有效提高生产效率。

如果有大重叠度(旁向和航向重叠度均大于80%)影像，像素工厂利用具有外方位元素的影像资料和DSM，参考地物高程、入射角度等因素，自动选择入射角垂直的影像进行采样，生成真正射影像。

(3)数字线划图制作

像素工厂不具有立体模型采集功能，因此只能利用其空三加密结果，采用第三方软件建立立体模型进行数字线划图采集与编辑。由于无人机影像像幅小，需要频繁切换立体模型，因此，选择可自动切换模型的MapMatrix全数字摄影测量软件进行立体测图，可在一定程度上提高生产效率。

6 精度检核

外业随机实测平面位置58个点，包括房角、坝角、鱼塘角、围墙角、陡坎交叉点等明显地物。内业将外业实测点位展绘，再在立体模型上找到外业点位表示的地物进行采集，然后与外业实测数据进行比对。平面精度统计如表2所示。

随机实测高程点58个点。内业将外业实测点位展绘，再在立体模型上同样平面位置采集高程数据，然后与外业实测数据进行比对。高程精度统计如表2所示。

外业实测精度统计表(单位：m)表2

7 应用示范

(1)3D产品制作

应用固定翼低空无人机遥感系统获取重庆市垫江县、丰都县、潼南县、永川区、涪陵区、巴南区、开县等区域约2 000 km2的高分辨率低空航摄影像，并利用航摄成果制作1∶2 000数字线划地形图、数字正射影像图、数字高程模型等产品。

(2)抢险救灾

应用固定翼低空无人机遥感系统，对重庆市城口县庙坝镇堰塞湖滑坡体进行了低空高分辨率航摄，通过影像快速拼接，展现堰塞湖滑坡灾害现状，为抢险提供及时、准确的基础地理信息。

(3)地质灾害监测与防治

应用固定翼低空无人机遥感系统，对三峡库区的重点地质灾害点进行低空航摄，通过对不同时期的影像数据进行变换检测，并计算其滑动量和滑坡体，为地质灾害点监测与防治提供实时监测资料。

(4)地理国情监测

应用固定翼低空无人机遥感系统定期对重点区域进行无人机航摄，利用获取的多期影像资料对拟监测方面(如交通、房屋、植被等)进行变化统计分析，为领导管理和决策提供科学依据。

(5)工程建设项目管理

在重庆市悦来国际会展中心超大型工程项目的建设过程中，应用固定翼低空无人机遥感系统获取工程项目的不同时期建设场景，结合工程进度控制系统，实现超大型工程项目的建设管理。

(6)与三维仿真技术结合

应用固定翼低空无人机遥感系统获取高分辨率影像，结合三维仿真技术，进行三维建模，直观的展现开发区地物地貌；同时还可以利用地形三维进行辅助选址、场平设计与土石方量计算，为城市规划管理、招商引资等提供服务。

8 结论及建议

在重庆这种地理、气候均具有特殊性的区域，常规航空摄影和卫星遥感均难以实施。而固定翼无人机低空遥感系统具有机动、灵活、低成本等特点，将是获取地理信息数据的一种有效方式。

虽然固定翼无人机低空遥感系统已得到广泛应用，但是还有待改进和改善。如进一步提高已装配的IMU_GPS精度，以更充分发挥其辅助空中三角测量的作用和成图精度；研发并装配高精度、高稳定度、轻小型的三轴惯性稳定平台，以提高成像质量；研发并装配轻型、大幅面的量测型数码相机，以增大像幅；进一步提高无人机的操控性、机体的抗摔性和高度测量的敏感性，以提高安全性能；以及在数据处理过程中，选择适宜的软件以有效提高生产效率等。

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武汉市地理市情监测启动暨2012年测绘地理信息成果发布会隆重召开

(本刊讯)2012年12月27日，武汉市地理市情监测启动暨2012年测绘地理信息成果发布会在武汉市政府礼堂101会议室隆重召开。会议由武汉市政府王继连副秘书长主持，胡立山副市长出席并讲话。武汉大学李斐副校长，武汉市政协副主席、武汉市国土规划局张文彤局长，湖北省测绘局柯美忠副局长出席了此次会议。武汉市政府有关部门和各区政府领导参加了会议。

会上，武汉市国土规划局总工汪普查宣读了武汉市政府办公厅转发的《武汉市地理市情监测工作方案》(以下简称工作方案)。工作方案明确了武汉市开展地理市情监测工作的指导思想与总体目标、组织模式和工作内容以及工作安排和具体要求。随后，胡立山、李斐、张文彤、柯美忠等领导同志共同为武汉大学与武汉市测绘研究院“地理国情监测联合研究中心”揭牌。市国土规划局张文彤局长和省测绘局柯美忠副局长分别在讲话中阐明了从国家到地方的各级政府对地理国(市)情监测工作重视程度以及基础测绘和地理国(市)情监测的重要关系。胡立山副市长最后发表讲话。他强调了开展地理市情工作的重要性和必要性，提出了“以实施基础测绘规划为重点，夯实地理市情监测工作基础；以创新市情监测手段为抓手，提升测绘地理信息保障能力；以实现资源共建共享为保障，健全地理市情监测工作机制”的要求。同时指出，武汉市政府各部门应强化责任意识，落实责任分工，按照工作方案的部署，本着“建设同参与，成果共分享”的原则，建立顺畅高效的工作机制，确保各项工作落到实处。

最后，与会领导们向参会代表赠送了《2012武汉市地理信息蓝皮书》，发布了年度测绘地理信息成果。此次会议也标志着武汉市地理市情监测工作正式启动。

(武汉市测绘研究院 张夏阳供稿)

Research on app lications of fixed-w ing UAV low altitude remote sensing system in mountain regions

Wang Li，Hu Kaiquan
(Chongqing Survey Institute，400020)

This paper principally elaborated on the application of fixed-wing UAV low altitude remote sensing system in mountain regions.We have done research on the following aspects:appropriate UAV type selection when used inmountain region，image capturing，inertial aided aerotriangulation，3D products Manufacturing and application demonstration，etc.Besides，in accordance with the needs of practical application，we make recommendations for improvement of fixedwing UAV low altitude remote sensing system.

fixed-wing UAV；low altitude remote sensing；mountain region；pixel factory；inertial aided

1 6 7 2-8 2 6 2(2 0 1 3)01-5-04

P 2 3 1 文献标识码：A

2012—09—01

王莉(1976—)，女，高级工程师，主要从事信息工程建设及质量管理

国家科技支撑计划子课题：(2011BAH12B07-03)