第66期：无人机航摄的应用
一、无人机航摄概述
无人驾驶飞机简称“无人机(UAV)”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱，但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备，地面、舰艇上或母机遥控站人员通过雷达等设备，对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。无人机技术主要用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等军事领域，现也广泛用于航摄遥感。按照系统组成和飞行特点，无人机可分为无人驾驶飞艇、无人驾驶直升机和固定翼型无人机三种。其中，固定翼型无人机是目前类型最多、应用最广的无人机，它是通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强。起飞方式有滑行弹射、车载、火箭助推和飞机投放等;
降落方式有滑行、伞降和撞网等，如图1所示。
无人机航摄集成了无人飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、GPS差分定位技术和通讯技术，具有自动化、智能化、专用化快速获取土地、资源、环境等空间遥感信息，完成航摄数据处理、建模和分析的应用技术。
图1 固定翼微型无人
二、无人机航摄的优势
无人机航摄的优势主要体现在以下几个方面：
(一)低廉的人力、物力、经济成本性价比高。如弹射式的固定翼无人机，地面只需要2人即可完成起飞任务，飞机会按照手持机PDA上事先设计的
轨迹完成飞行与降落，中间过程无需干预，如图2所示。现在市场上的国产测绘无人机的价格大约在十几万到几十万之间，且可重复使用，除重大事故外不容易损坏，也不存在其它额外的使用费用。
图2 飞行过程的自动驾驶系统
(二)方便携带运输。固定翼无人机翼展一般不会超过3米，像Trimble UX5微型航摄无人机翼展只有1米，并可以方便地拆卸。在运输过程中，无需拆卸无人机设备，就可以轻松放到车上，到现场后，如需组装和调试也只可在半个小时内完成。
(三)无场地要求。传统的航摄无人机起飞方式一般是滑起，需要一段30米至50米相对水平的跑道才能起飞。随着新兴设备的引入，场地已经不再是无人机起降的阻碍。目前常见的的无人机除了滑起，还可以通过弹射或手抛方式起飞，降落时可以直接伞降，极为方便。弹射架可以固定在作业车的车顶，或者展开后架在地面即可。
(四)具备高精度和灵活性。航摄无人机最高可获取0.05米分辨率的航摄影像，比卫星影像的精度更高。在大多数情况下，飞行高度一般为100米至1000米。遥感无人机搭载的相机多采用定焦镜头，可以根据所需的影像分辨率来决定飞行高度。飞行前设计好航线、确定好飞行高度，就可以获取理想的数据。
(五)受天气影响小。在传统的航空遥感中，大飞机航摄最担心是天气状况不理想，一旦出现多云的天气，将会严重影响成像的效果。无人机可在云层下低空飞行，因此，云层厚度基本不会影响到成像，尤其是在获取高分辨率影像。
(六)高效的应急反应。可以在恶劣的天气条件下和灾难环境中完成任务，尤其在应急救灾中，无人机以时速80-180公里/小时完成低空航摄，内业处理系统可在半小时内自动生成数字正射影像，清晰记录实时灾情，供分析决策。
无人机能在多种复杂的地形与气候条件下及时获取高分辨率的影像数据，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务，其如危险区域的侦察、空中救援指挥和遥感监测。在航空遥感平台中，无人机航摄已从研究开发发展到实际应用阶段，无人机市场也逐渐成熟，并逐渐成为主流航空遥感平台。
三、无人机航摄的应用
近年来，增城市城乡规划测绘院突破创新，全面推进测绘信息化建设，不断搭建从太空的卫星CORS定位到上空的航摄遥感，由地面的三维激光扫描到地下管线探测等全方位快速获取空间数据采
集体系。2013年10月，利用无人机航摄和空三加
密技术对增城市经济技术开发区及周边约100平方公里的区域进行1:2000地形图修测和数字正射影像更新，在飞行路线设计后，三天时间内完成了测区内的全部飞行及航摄任务，与传统的测量方式相比，明显减少了工期，而且成果多样、直观，如图3所示。
图3 开发区自动拼接后的正射影像图
无人机航摄也常用来定期监测重大项目的建设进度。2013年11月，增城市城乡规划测绘院用无人机在挂绿新城上空“定点盘旋”拍摄空中三维影像，通过360度全景能够全面真实地反映重大项目
的进展情况，借助GIS技术开发的监测管理系统可实现三维全景浏览的各项操作功能，为城市规划和重点项目管理的决策提供了更加直观与科学的依据，如下图4所示。
图4 挂绿湖核心区空中全景浏览
在土地利用和城乡监测工作中，多次利用无人机获取的最新影像数据与历史影像数据对比分析，可快速查询辖区内违章或拆迁建筑的数量和位置，利用这种新旧影像地图对比分析的方法，具有清晰直观、说服力强的优点。
无人机航摄的应用远不止这些，还可广泛用于环境监测、农林水监测、应急测绘服务等领域。在环境监测中，无人机能够及时的拍摄隐蔽区域排放的废水和固体物污染的影像。在农林监测中，无人机影像能够提供准确的土地纹理和作物分类信息，
可应用于农业用地分析、作物类型识别、作物长势分析、土壤湿度测定、农业环境调查、水产养殖区监测、森林火灾监测、森林覆盖率分析、森林植被健康监测和森林储积量评估等。在水利监测中，无人机可拍摄洪水灾害分布、大面积水污染等突发事件，也用于调查填湖造地、水产养殖、江河变迁等情况。无人机在测绘领域受到重视，是从应急救灾中开始的，无论是汶川地震、玉树地震、盈江地震，还是舟曲泥石流、安康水灾，无人机都在第一时间到达了现场，并充分发挥机动灵活的特点，获取灾区的影像数据，为救灾部署和灾后重建工作的开展，都起到了重要测绘保障作用。
四、发展前景
传统大飞机航摄遥感比卫星遥感更加灵活，影像质量也更高，但是飞机租赁、机场管理、空域申请流程过于复杂，对云层分布的要求也相对较高。此时，由于通信技术、传感器等技术的发展，无人机航摄作为一种低成本、高精度、操作简便的影像获取设备应运而生，无人机航测遥感系统可进行低空飞行作业，一方面降低了对天气的依赖，另一方面可以形成高分辨率和高清晰度的影像信息。
近年来，国家行业部门和地方政府对航摄遥感应用的需求越来越迫切，航摄遥感应用在行业管理、地方区域经济发展中的作用也越来越大，正在向体系化、产业化发展。国家“十一五”计划中列了十六个重大科技专项，其中用到航摄遥感技术的就有三项，分别是高分辨率对地观测系统、探月工程、卫星导航。国家“十二五”863计划中的“微小型无人机遥感信息获取与作物养分管理技术”和“无人机遥感安全检测技术与网络示范体系研究”均已在2013年1月和4月启动。因此，无人机航摄遥感已逐渐服务数字城市建设，通过实时获取高分辨影像信息，应用于地理国情监测、地区变化分析、航空测绘、应急救灾等方面。
前国家测绘地理信息局局长徐德明曾表示，发展低空无人飞行器航测遥感系统是提高测绘现势性的迫切需要，是做好应急救急工作的迫切需要，是构建数字中国、数字城市建设的需要。低空无人飞行器航测遥感系统推动了地理信息获取向全天候、全天时、实时化迈进的步伐，应该在全国范围内进行大力推广，争取每个省每个市的测绘机构都能配上无人机，从而保证测绘成果的现势性，提高地方测绘队伍的地理信息获取能力。
(作者 史经)
