無人機(jī)航測遙感技術(shù)在鐵路測繪中的應(yīng)用

閆偉偉

（中冶地集團(tuán)西北巖土工程有限公司，陜西 西安710119）

無人機(jī)航測遙感是一種新型的低空遙感監(jiān)測技術(shù)，是高空衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、中低空普通航空遙感的有效補(bǔ)充。隨著國家空域主管部門對中低空無人機(jī)航空試點的放開，小型化的無人機(jī)航空攝影測量逐步在土地利用監(jiān)測、礦產(chǎn)資源開發(fā)監(jiān)測、災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測、地形圖測繪、新農(nóng)村建設(shè)、城市規(guī)劃等領(lǐng)域得到應(yīng)用［1］，成為基礎(chǔ)空間信息數(shù)據(jù)獲取的新手段，大大提高了野外數(shù)據(jù)獲取的工作效率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時性、準(zhǔn)確性和可視性。

1 無人機(jī)航測遙感技術(shù)的特點

由于航空遙感平臺及傳感器的限制，普通的航空攝影測量手段在獲取小面積、大比例尺數(shù)據(jù)方面存在成本高、性價比差等問題。低成本、機(jī)動靈活的低空無人機(jī)遙感能在小區(qū)域內(nèi)快速獲取高質(zhì)量遙感影像，是國家航空遙感監(jiān)測體系的重要補(bǔ)充，是航空遙感的未來發(fā)展方向。在當(dāng)今衛(wèi)星遙感和普通航空遙感蓬勃發(fā)展的形勢下，輕小型低空遙感是粗中細(xì)分辨率互補(bǔ)的立體監(jiān)測體系中不可缺少的重要技術(shù)手段［2］。

低空無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)，作為衛(wèi)星遙感與普通航空攝影不可缺少的補(bǔ)充，有如下特點：無人機(jī)可以超低空飛行，可在云下飛行航攝，彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷；由于低空接近目標(biāo)，因此能以比衛(wèi)星遙感和普通航攝低得多的代價得到更高分辨率的影像；能實現(xiàn)適應(yīng)地形和地物的導(dǎo)航與攝像控制，從而得到多角度、多建筑面的地面景物影像，用以支持構(gòu)建城市三維景觀模型，而不局限于衛(wèi)星遙感與普通航攝的正射影像常規(guī)產(chǎn)品；使用成本低、無人機(jī)體形小、耗費低，對操作員的培養(yǎng)周期相對較短；系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡便,不用租賃起飛和停放場地，靈活機(jī)動，適應(yīng)性強(qiáng)；回避了飛行員人身安全的風(fēng)險；與野外實測相比，無人機(jī)航測具有周期短、效率高、成本低等特點。

2 航測遙感系統(tǒng)在鐵路測繪中的具體應(yīng)用

2.1 測區(qū)概況

項目測區(qū)地理坐標(biāo)為北緯 40°42′～43°58′，東經(jīng)87°20′～96°12′。行政隸屬跨甘肅省酒泉市（瓜州縣、敦煌市），新疆境內(nèi)跨哈密市、吐魯番市、烏魯木齊市。起點安北站至紅柳河（甘肅境內(nèi)）約160km，新疆境內(nèi)約1372.5km，地勢由東向西傾斜。

鐵路沿線大部分為寸草不生的戈壁、荒漠，較大站場主要有柳園站、哈密站、鄯善站、吐魯番站、烏魯木齊站。除吐魯番至達(dá)坂城段、安北至紅柳河段地形起伏較大外，其余段較為平緩。

2.2 航測遙感系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

低空無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)由系統(tǒng)硬件設(shè)備、影像處理系統(tǒng)、信息分析系統(tǒng)、業(yè)務(wù)運行保障系統(tǒng)等組成。

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)備：包括無人機(jī)飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)；遙感任務(wù)設(shè)備、任務(wù)設(shè)備穩(wěn)定裝置、影像位置和姿態(tài)采集系統(tǒng)等。

（2）影像處理系統(tǒng)：包括影像數(shù)據(jù)快速檢查、糾正、拼接；DOM、DEM、DLG生產(chǎn)等。

（3）信息分析系統(tǒng)：包括信息提取、信息分析、報告自動生成、數(shù)據(jù)管理與檢索等。

（4）業(yè)務(wù)運行保障系統(tǒng)：包括野外裝備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范、與各領(lǐng)域業(yè)務(wù)運行相結(jié)合的軟件開發(fā)和技術(shù)流程制定。

2.2.2 系統(tǒng)的基本配置

系統(tǒng)的基本配置有：天狼星無人機(jī)系統(tǒng)1套、地面監(jiān)控站1套、發(fā)射電臺1套、GPS基站1套、任務(wù)設(shè)備1套（以數(shù)碼相機(jī)為主）、備品備件、專用工具、包裝箱及其他配套設(shè)備。

2.2.3 天狼星無人機(jī)的部分參數(shù)設(shè)置

在本測區(qū)中，天狼星無人機(jī)的部分參數(shù)設(shè)置為：飛行余量65m，轉(zhuǎn)彎半徑50m，爬升/俯沖角度10/8，GPS類型是DGPS+RTK，最長飛行時間40min，地面采樣距離5cm，采樣距離容許差30%，航向重疊85%～75%，旁向重疊65%。

2.3 外業(yè)作業(yè)情況

（1）航攝遙感作業(yè)基本流程：技術(shù)準(zhǔn)備、場地選擇、設(shè)備檢查、飛行操控、飛行質(zhì)量檢查、資料整理、成果移交。

（2）實時RTK定位方式：無人機(jī)上的GPS信號接收機(jī)與數(shù)碼相機(jī)相連接，和地面基準(zhǔn)站上的一臺或多臺GPS接收機(jī)同步且連續(xù)接收GPS信號，通過GPS載波相位測量差分定位后處理技術(shù)解算出相機(jī)曝光點的空間位置，同時利用慣導(dǎo)系統(tǒng)記錄相機(jī)曝光時的姿態(tài)角，隨后將兩者組成的POS數(shù)據(jù)作為附加觀測值引入攝影測量區(qū)域網(wǎng)平差模型，以空中控制代替地面控制；利用統(tǒng)一的平差模型和算法，通過整體平差的方式，解算出影像6個外方位元素和地面目標(biāo)點空間位置，最后對其精度進(jìn)行評價。實時RTK定位示意圖如圖1所示。

圖1 實時RTK定位示意圖

2.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.4.1 數(shù)據(jù)整理

每個航飛架次完成之后，MAVinci Desktop自動下載飛機(jī)的高精度POS數(shù)據(jù)文件，并與相應(yīng)的航飛影像進(jìn)行匹配，隨后導(dǎo)入Photoscan軟件建立工程文件。本次飛行共18架次，利用Photoscan將18個工程合并。

2.4.2 全自動選點與相對定向

利用Phtotoscan軟件從互相重疊的兩幅影像上均勻地選取明顯特征點，然后利用其先進(jìn)的匹配算法進(jìn)行兩幅影像的特征點匹配［3］。

2.4.3 空三加密

利用測區(qū)中影像連接點（加密點）的像點坐標(biāo)和少量的已知像點坐標(biāo)及其大地坐標(biāo)的地面控制點，經(jīng)過平差解算，求解出連接點的大地坐標(biāo)、每幅影像的外方位元素及所有加密點的地面坐標(biāo)［4］。

2.4.4 DOM制作

在無需人工干預(yù)的情況下，全自動生成DSM、DEM和DOM，成果如圖2所示。整個區(qū)域正射影像色彩過渡自然、影像清晰、反差適中、層次分明、紋理信息豐富，無圖像處理痕跡。

圖2 DSM和DOM(部分截圖)

2.5 成果精度統(tǒng)計與分析

表1 平面和高程精度檢查表(單位：米）

精度統(tǒng)計顯示，在無像控情況下，直接進(jìn)行相對定向和絕對定向，然后建立立體模型進(jìn)行測圖，大比例尺成圖成果的平面精度優(yōu)于規(guī)范要求，高程精度也滿足規(guī)范要求。

3 航測遙感系統(tǒng)的優(yōu)勢和局限性

3.1 優(yōu)勢

無人機(jī)航測遙感作為空間數(shù)據(jù)采集的一種重要手段，具有影像實時傳輸、成本低、機(jī)動靈活的特點；效率高、成圖速度快、響應(yīng)速度快、精細(xì)度高、操作培訓(xùn)簡便；在多云多霧、影像獲取困難、人力難以到達(dá)的高危地區(qū)探測等方面，具有明顯的可操作性優(yōu)勢，已成為衛(wèi)星遙感與有人機(jī)航空遙感的有力補(bǔ)充。

3.2 局限性

目前，低空無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)多使用小型數(shù)字相機(jī)作為機(jī)載遙感設(shè)備，與傳統(tǒng)的航片相比，存在像幅較小、影像數(shù)量多等問題；由于飛行高度低， 在低空作業(yè)時受風(fēng)速、風(fēng)向影響較大，在不滿足正常起降條件的情況下勉強(qiáng)起降會增加飛機(jī)損壞的可能性；飛行平臺續(xù)航能力弱、地面GPS基站信號傳播半徑小，是提高飛行效率的制約因素。

4 應(yīng)用展望

目前，最常用的遙感平臺是衛(wèi)星和有人駕駛的飛機(jī), 而無人機(jī)作為一種新型的遙感平臺將得到廣泛應(yīng)用，并已漸漸顯露出它的重要性［5］。

遙感發(fā)展的一個總方向是高空間分辨率、高光譜分辨率和高時間分辨率。無人機(jī)在云層下方，受云層影響很小，在多云天氣甚至陰天也能執(zhí)行航攝任務(wù)。因此，無人機(jī)遙感在提高時間分辨率、空間分辨率方面具有獨特優(yōu)勢。隨著多光譜傳感器水平的提高、重量和體積下降，無人機(jī)遙感在提高光譜分辨率方面同樣具有潛力，如森林滅火指揮、防洪救災(zāi)等。

低空無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)的發(fā)展方向：①無人機(jī)任務(wù)載荷多樣化，可同時裝備可見光和紅外相機(jī)，或其他如激光測距等新型測量裝備；②相機(jī)可同時進(jìn)行可見光和紅外等不同波長的攝影測量；③相機(jī)配備大面陣CCD，可提高無人機(jī)的工作效能；④使用內(nèi)方位元素穩(wěn)定、鏡頭畸變小的專業(yè)測繪相機(jī)；⑤相機(jī)具備變焦功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)時，可對其進(jìn)行凝視觀察，提高巡線時對故障目標(biāo)的識別能力。

近年來，機(jī)載POS設(shè)備和無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，越來越多地應(yīng)用在鐵路測繪及其他測繪領(lǐng)域。具備高精度機(jī)載RTK設(shè)備的無人機(jī)航測用于生產(chǎn)大比例尺數(shù)字線畫圖、數(shù)字正射影像，精度完全可以滿足要求。隨著無人機(jī)及航空測量技術(shù)的不斷進(jìn)步，無人機(jī)測量系統(tǒng)必將發(fā)揮更大作用。

[1]陳姣.無人機(jī)航攝系統(tǒng)測繪大比例尺地形圖應(yīng)用研究 [D].昆明:昆明理工大學(xué),2013．

[2]范承嘯,韓俊,熊志軍,等.無人機(jī)遙感技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].測繪科學(xué),2009,34(5).

[3]王聰華.無人飛行器低空遙感影像數(shù)據(jù)處理方法[D].青島:山東科技大學(xué),2006.

[4]李德仁,袁修孝,巫兆聰,等.GPS輔助全自動空中三角測量[J].遙感學(xué)報,1997,1(4):68-72．

[5]李軍,盛新蒲,夏志宇,等.無人飛行器低空攝影技術(shù)探討[J].測繪科學(xué),2011,36(4):145-147.