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无人机低空摄影测量在城市测绘保障中的应用前景

发布时间:2016-08-04 15:10

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第 37 卷 第 2 期 2014 年 2 月

GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY

测绘与空间地理信息

Vol . 37,No. 2 Feb. , 2014

无人机低空摄影测量在城市测绘保障中的应用前景
王洛飞
(63883

部队,河南 洛阳 471000 )

摘 要:无人机低空摄影测量具有高清晰、大比例尺、小面积、高现势性的优点,是卫星遥感与普通航空摄影不可 缺少的补充。 可为大比例尺影像地图生产、重点地区正射影像制作、高精度 DEM 格网和 DLG 产品提供高分辨率 清晰影像数据源,满足城市信息化建设对大比例尺基础地理空间数据的需求,为城市建设提供有效的测绘保障。 通过高分辨率测绘产品支持、应急测绘保障、三维数字建模和重点区域动态监测等多个方面对无人机低空摄影 测量在城市测绘保障中的应用前景进行论述展望。 关键词:无人机;摄影测量;城市测绘 中图分类号:P231   文献标识码:B   文章编号:1672 - 5867 (2014)02 - 0217 - 03

Unmanned Aerial System Applications and Prospects in the Urban Survey and Mapping
(63883 Troops, Luoyang 471000 , China) Abstract : Unmanned air vehicle low altitude photographic system has the advantage of high - resolution , large - scale , small area and duction .This is to meet the needs of large - scale basis for geospatial data in urban informatization construction , is to provide effective mapping support for urban construction .Multiple aspects are discussed about the prospects for UAV low altitude photographic system sional digital modeling , and dynamic monitoring of key areas . Key words:unmanned air vehicle ; photogrammetry ; urban mapping WANG Luo - fei

efficient . It is the indispensable complement to satellite remote sensing and aerial photographic measurement . UAV can provide high -

resolution images for large - scale image map production , key areas orthophoto production , high - precision DEM grid and DLG pro - in urban construction , such as, high - resolution survey and mapping product support , emergency services protection , three - dimen-

0  引 言
随着无人机动力 、控制 、 通信和导航等关键技术的逐 渐成熟和无人机在 空间 探测感 知 领 域 的 进 一 步 应 用, 改 变了无人机长期以来作为靶机使用和进行有限侦察的现 状 。 在高新技术条件下 , 与现代遥感技术 、 摄影测量技术 等相结合 , 无人机低空摄影测量手段应运而生 , 已逐渐成 为与航天摄影测量 、 大 飞机航 空 摄影 测 量 并 驾 齐 驱 的 摄 影测量方式 。 与 其 他 两种方 式相 比 , 无 人 机 低 空 摄 影 测 量系统具有机动 、灵活 、 快速 、 经济等特点 , 在重点区域或 小范围区域航测上 更有 得天独 厚 的 优 势 , 能 够 快 速 获 取 高质量高分辨率的 遥感 影像 , 已 经 成 为 未 来 航 空 摄 影 测 量的重要手段和国 家航 空遥感 监 测 体 系 的 重 要 补 充, 逐 步从研究开发阶段发展到了实际应用阶段 。
收稿日期 :2013 - 04 - 08

分辨率、多光谱 5. 8 m 分辨率的卫星遥感影像数据 , 具备 了自主开展 1∶ 50 000 数字测绘产品生产和 1∶ 25 000 数字 80,DMC 和 UDC 等大型专业数字航摄系统 , 为大面积 开 但是从城市建设对数字测绘产品的需求上看 , 生产 1∶ 500 ~ 1∶ 2 000 比例尺体系的数字化测绘产品的数据源依旧是 一个空白 。 近年以 来 , 随 着数 字 城 市 和 智 慧 城 市 建 设 的 逐步开展和稳 健推 进 , 急需 支 撑城 市 信息 化 建 设 的 大 比 例尺基础地理空间数据 , 城市在建项目的论证 、 规划和设 计 、城市设施大规模三维建模 、 城市的精细化管理等应用 领域 ,对比例尺 1∶ 2 000 以上的数字化测绘产品需求正在 与日俱增 。 无人机低空摄影测量的出现有效地解决了这 测绘产品修测的能力 。 同时 , 各航测单位装备的 ADS40 / 展 1∶ 5 000 ~ 1∶ 25 000 数字化测绘产品生产提供了保障 。

随着我国资源三号卫星投入使用 ,可获取全色 2. 1 m

作者简介 :王洛飞 (1989 - ) , 男 ,河南孟津人 ,助理工程师 ,硕士 ,2012 年毕业于信息工程大学摄影测量与遥感专业 ,主要从事数字制 图和影像数据处理的应用研究工作 。

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测绘与空间地理信息                2014 年
感和普通 航 空 摄 影 经 常 受 云 层 遮 挡 获 取 不 到 影 像 的 缺 陷 ,可获取 比 卫 星 遥 感 和 普 通 航 摄 更 高 分 辨 率 的 影 像 。 同时 ,低空多角度 摄 影获 取建 筑 物多 面高 分 辨 率 纹 理 影 像 ,弥补了卫星遥 感 和普 通航 空 摄影 获取 城 市 建 筑 物 时 遇到的高层建筑遮挡问题 。 3) 精度高 ,测图精度可达 1∶ 1 000 景航空摄影测量 , 摄影测量精度达到了亚米级 , 精度范围 通常在 0. 1~ 0. 5 m , 符合 1∶ 1 000 的测图要求 , 能够满足 城市建设精细测绘的需要 。 4) 成本相对较低 ,操作简单 无人机低空航摄系统使用成本低 , 耗费低 , 对操作员 的培养周期相对较短 , 系统的保养和维修简便 , 可以无需 机场起降 。 是当前唯一将摄影与测量集为一体的航摄方 式 ,可实现测绘单 位 按需 开展 航 摄飞 行作 业 这 一 理 想 生 产模式 。 5) 具有周期短 、效率高等特点 对于 面 积 较 小 的 大 比 例 尺 地 形 测 量 任 务 ( 10 ~ 100 km ),受天气和空域管理的限制较多,, 大飞机航空摄


个问题 ,本文 将 从 高 分 辨 率 测 绘 产 品 支 持 、 应 急 测 绘 保 障 、三维数字建 模 、 重 点区域 动态 监 测 等 方 面 , 分 析 和 展 望无人机低空摄影测量在城市测绘保障中的应用 。

1  无人机低空摄影测量的发展现状
随着无人机低空摄影测量技术的成熟和经济建设的 需要 ,无人机测 绘已 经逐 渐渗透 到 多 个 领 域 。 美 国 航 空 航天局也将多种无人机应用于森林火灾监测 、 精 确农业 、 海洋遥感等研究项目。 澳大利亚也利用全球鹰搭载成像 SAR 进行海洋监测 研究 。 在可 见光 遥 感 方 面 , 国 外 的 无 无人机航测尚无加载高精度 POS 的先例 。 人机低空摄影 测量 通 常 加 载 高 精 度 的 POS , 自 动 化 程 度 高 ,大大减少了 地面 控制的 数量 , 但 是 造 价 昂 贵 , 国 内 的 在国内 ,多家 单位 在无 人 机 低 空 摄 影 测 量 方 面 进 行

无人机为低空飞行 ,飞行高度在 50 ~ 1 000 m ,属于近

了大量有益的 技术 探索 , 积累 了 一 定 的 经 验 。 西 安 大 地 测绘有限公司自主 设计 了多套 无 人 机 遥 感 系 统 , 该 系 统 由无人机摄影硬件 系统 和无人 机 摄 影 软 件 系 统 组 成, 实 现了城市地区高分辨率彩色影像的获取 。 青岛天骄无人 机遥感技术有限公司研制了我国首个 50 kg 级 “ TJ 型无人 机遥感快速监测系统 ” ,是我国首套用于民用遥感监测的 专业级小型无 人机 系统 , 可为 海 洋 遥 感 服 务 。 中 国 测 绘 科学研究院于 2003 年完成了 “ UAVRS -II 型低空无人机 遥感监测系统的研制 ” 项目 , 实现了无人机遥控半自主和 自主两种控制方式 , 利 用获取 的 影像 制 作 了 数 字 正 射 影 像和线划图 , 开创了国内无人机应用于测绘领域的先河 。 当前国内无人机低空摄影测量技术逐渐成熟 , 自 2009 年 起 ,国家测绘地 理信息 局陆续 为 国家 测 绘 局 航 测 遥 感 院 和多个省市测 绘局 配发 UAVRS - 10 B 等 型 号 的 无 人 机 , 该型无人机任务载荷 5 kg,续航时间 1. 5 h ,航摄相机多为 佳能 5 D MARK Ⅱ 相机 ,已基本具备实现大比例尺基础测 保障提供了全新手段。 随着智慧城市建设任务的进一步 推进 ,无人机低 空摄 影测 量必 将为 城 市 建 设 发 展 提 供 更 加有力的测绘保障 。

影测量成本高; 而采用全野外数据采集方法成图, 作业量 大,成本也比较高。 而将无人机遥感系统进行工程化、 实

用化开发,则可以利用它机动、 快速、 经济等优势, 在阴天、 轻雾天也能获取合格的影像, 从而将大量的野外工作转入 内业,既能减轻劳动强度,又能提高作业的效率和精度。

3   无 人 机 低 空 摄 影测 量 影 像 数 据 的 处 理 流程
   无人机低空摄影测量影像数据处理的关键在于低空 飞行器影像重 叠度 不够 规 则 、 像 幅 较 小 、 像 片 数 量 多 、 倾 角过大且倾斜 方向 没 有规 律 , 较 难实 现影 像 匹 配 的 全 自 动连接点选取及配准 。 近年以来 , 随着影像匹配技术 、 自 动空三技术和 海量 影 像数 据 处理 技术 的 成熟 , 处 理 无 人 机低空影像数据的软件日益增多 。 国际上有法国的像素 工厂 ( Pixel Factory ) 和德国的 Inpho 系统等 ,国内的有武汉 大学和适普公司的 DPGrid 系统以及中国测绘科学研究院 的自动化处理 。 的 PixelGrid 系统,基 本 上实 现 了对 无 人机 低空 影 像数 据 无人机低空摄影测量影像数据处理主要完成影像数 据获 取 后 对 影 像 进 行 参 数 精 化 与 DEM / DOM 制 作 的 任 务 ,其流程图如图 1 所示 。 低 空 遥 感 平 台 数 据 采 集 完 毕 后 ,首先将影像数据与 GPS / POS 数据等从数据采集平台 中下载下来 , 经过简单的数据组织整理后 , 处理系统对影 像数据进行智 能匹 配 处理 , 匹 配 影像 之间 的 连 接 点 用 于 光束法区 域 网 平 差 处 理 , 在 引 入 控 制 数 据 后 进 行 GPS / POS 等辅助的区域网平差解算 ,得到精确的影像内外方位 元素 。 在精确内外 方 位元 素的 引 导 下 , 利 用 密 集 匹 配 技 术匹配获取密集的三维 DSM 点云数据 , 并对 DSM 点云进 行滤波与分类处理剔除房上点 、树上点得到 DTM 点云 ,内 插获取规则 格网 的 DEM 成 果 。 然 后 对 影 像 进 行 辐 射 空 三处理与颜色改正 ,利用 DEM 与影像参数进行影像的正

绘和应急保障的能力 , 为实施区域测绘 、 目标定位和应急

2  无人机低空摄影测量的特点及优势
无人机低空摄影测量技术, 以获取高分辨率数字影像 为应用目标,以无人驾驶飞机为飞行平台, 以高分辨率数 码相机为传感器,通过 3S 技术在系统中集成应用, 最终获 无人机低空摄影测量主要用于基础地理数据的快速获取 和处理,为制作正射影像 、 地面模型或基于影像的区域测 绘提供最简捷、 最可靠、 最直观的应用数据。 作为卫星遥 感与普通航空摄影不可缺少的补充 ,主要有以下优点 : 1) 机动性 、灵活性和安全性 无人机具有灵 活机动 的 特 点 , 受 空 中 管 制 和 气 候 的 影响较小 , 能够在恶劣环境下直接获取影像, 即便是设备 出现故障 ,也不会出现人员伤亡 ,具有较高的安全性。 2) 低空作业 ,获取高分辨率影像 无人机可以在 云下超 低 空 飞 行 , 弥 补 了 卫 星 光 学 遥 取小面积、真彩色、 大比例尺、 现势性强的航测遥感数据。

第2 期

王洛飞 :无人机低空摄影测量在城市测绘保障中的应用前景

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射纠正处理 , 利 用快 速镶 嵌方 法可 获 取 满 足 应 急 要 求 的 DOM 镶嵌成果 ,利用智能镶嵌 ,并对影像进行编辑检查获 取满足高质量要求的 DOM 成果 。

绘产品 。 无人机低空测绘产品效果如图 2 ~ 3 所示 。

图 2   广州某地 GSD 为 0 . 08 m 影像 Fig. 2  The G SD o f this image is 0 . 08 m in    somewhere o f Guangzhou

图 1   低空摄影测量影像数据处理流程图    altitude digital photo g rammetry Fig. 1  The working flowchart oflow

4  无人机低空摄影测量在城市测绘保障中 的应用前景
   目前 , 专业的测绘型无人机低空航摄系统 具 有 长 航 时 、宽视角 、高分 辨 率等技 术特 点 以 及 低 成 本 、 自 动 化 水 平高 、操控方便 、 机 动灵活 等优 势 , 能 够 承 担 高 分 辨 率 的 低空近景摄影测量 , 能 够承担 高 危区 域 和 重 点 区 域 的 遥 控航摄 ,是承担百平方千米量级测区 1∶ 500 ~ 1∶ 10 000 大 比例尺测图任务最 经济 化的技 术 手 段 , 也 是 唯 一 能 够 满 足用户提出的准实时 、 高分辨率 、 高效率测绘应急保障任 务需求的航摄方式 。 无人机低 空 摄 影 测 量 具 有 高 清 晰、 大 比 例 尺 、 小面 积 、 高现势性的优点, 是卫星遥感与普通航空摄影不可缺 少的补充 。 可为城市中心和规划区域的大比例尺影像地 图生产 、正射影像制作 、数字高程模型的生产和DLG 产品 提供高分辨率清晰 影像 数据源 , 可 对 重 点 区 域 和 设 施 实 施应急保障和三维数字建模 , 同时 , 可对重点关注区域进 行动态变化监测 , 满 足城 市信 息化 建 设 对 各 类 型 尤 其 是 大比例尺高分辨率基础地理空间数据的需求 。 以下将从 高分辨率测绘产品支持 、 应急测绘保障 、 三维数字建模和 重点区域动态检测等方面对无人机低空摄影测量在城市 测绘保障中的应用前景进行详细论述和展望 。 1) 为城市规划区域提供高分辨率的测绘产品 随着城市信息 化建设 的 进 一 步 深 入 , 目前新规划以 及实施改造的城区非常缺乏所在区域及影响范围内的现 势性强的大比例尺 、 高分辨率 、 高精度格网的数字测绘产 品 。 目前 ,已经发 射的高 分辨率 卫 星 影 像 分 辨 率 已 经 达 到了约 0. 5 m , 尽管如此仍然难以满足 1∶ 500 ~ 1∶ 2 000 这 种大比例尺的成图要求。 无人机低空摄影测量可为重点 区域提供高分辨率航摄相片 、正射影像 DOM 、高精度数字 高程模型 DEM 、数字栅格图 DRG 和数字线划图 DLG 等测

图 3   济南市小清河 1 ∶ 500 正射影像 Fig. 3  The 1 ∶ 500 DOM in Xiaoqing River of Jin a n 2) 为应急任务提供测绘保障 对于应急任务区域需要有直观的影像数据作为参 考 ,获取的影 像 不 仅 要 求 更 高 分 辨 率, 而 且 还 要 求 实 时 性 。 无人机低空平台具有起降灵活 、 快速的特点 , 其搭载 的数码传感器 能获 取 高分 辨 率影 像 , 摄 影 测量 处 理 后 的 正射影像能为应急任务指挥和规划提供第一手资料 。 图 4 为 2011 年 6 月浙江诸暨应急测绘保障效果示意图 。

图 4   浙江诸暨应急测绘保障    services in Zhuji of Zhejiang   3) 三维数字建模 Fig. 4  The protection of emergency

利用无人机低空摄影测量可获取城市或重点区域多 角度的高分辨 率遥 感 影像 , 解 决 了普 通航 摄 和 地 面 摄 影 无法拍 摄 到 的 “ 死 角 ”。 利 用 航 摄 影 像 可 生 成 DEM 和 DOM ,从影像中提取建筑物纹理 , 从而进行三维建模 。 完 成用于三维建 模的 建 筑物 纹 理采 集 , 省 去 地面 拍 照 人 工 采集建筑物纹 理这 一 传统 工 序 , 实 现 全摄 影 测 量 方 式 三 维建模 。 图 5 为滨州市三维数字城市效果 。 ( 下转第 222 页 )

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测绘与空间地理信息                2014 年
精确性 ,但矿区 地 表沉 降 不断 受 到系 统内 外 多 方 面 因 素 的综合作用 , 其 内 部蕴 含 的规 律 难以 用数 学 方 法 精 确 描 述 ,因地制宜 , 采用高精度有效的数学模型对地表移动变 形方面的研究有着积极的意义 。

不大 ,但随着多 项式 阶数 的增 高 , 拟 合 结 果 有 明 显 改 善 , 但高于最佳多项式阶数时 ,曲线变化不大我们选 k = 5。 5 阶多项式拟合曲预 测结 果与实 测 值 误 差 非 常 接 近 , 模 型 拟合线与原始序列曲线走势基本一致 ,吻合较好 。

2. 3  结 论
灰色系统模型是指运用曲线拟合和灰色系统进行预 测的方法,它把一切随机过程看成是在一定范围变化的与 时间有关的灰色过程, 它将系统看作是随机变化的过程, 用概率统计方法, 从大量历史数据中寻找统计规律, 所以 灰色理论模型能发现数据中的潜在规律,但每种方法和模 型都有各自的特点、 适用范围及局限性, 对于恒正且呈凹 向的初始数据可直接用 GM ( l,1), 对于无明显凹凸向的数 多项式拟合是趋势分析法中的一种 , 它是迄今为止研究最 多、最为流行的定量预测方法, 选择合适的多项式阶数用 来拟合实验数据是可行的且能达到一定的精度。 据,或时凹时凸的数据 , 用 GM (1, l ) 模型预测效果不好。

参考文献:
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3  结束语
型和多项式拟合法在预测地表沉降中的各自的有效性和 ( 上接第 219 页 ) 经过样本训练和测试 , 得到了 GM (1,1) 灰色系统模

[ 编辑 :李丹雅 ]

测区大比例尺测图任务最经济有效的技术手段 。 无人机 低空摄影测量 能够 满 足城 市 建设 提出 的 准实 时 、 高 分 辨 率 、高效率等测绘保障任务需求, 在城市测绘保障中具有 得天独厚的优势 , 必将在数字城市 、 智慧城市及城乡一体 图 5  滨州市三维数字城市效果图 Fig. 5 The 3D digital city of Binzhou   4) 重点区域动态监测 当前城市建设 日新月 异 , 需 要 对 城 市 核 心 地 区 及 散 落在城区内的多个 建设 区域进 行 动 态 管 理 , 也 需 要 不 断 地对这些大到几十 平方 千米 , 小 到 零 点 几 平 方 千 米 的 区 域进行大比例尺 、 高分辨率 、 高精度格网测绘数据定期更 新 。 利用无人机低空航摄系统可对重点目标进行动态监 测 ,并可通过自动比较不同时期的 DSM 得到变化检测结 果 ,通过 DOM 与变化检测的结果套合 , 得到 直 观 的 检 测 结果 ,如图 6 所示 。 化进程中提供更加有效的测绘保障 。

参考文献:
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图 6   动态变化检测效果 Fig. 6  The results of dynamic change detection

像测 量 技 术 [ J] . 测 绘 科 学 技 术 学 报 , 2007 ( 3 ) : 328 - 331. [8]   陈大 平 . 测绘型无人机系统任务规划与数据处理研究 [9]   朱述龙 , 朱宝山 , 王 红 卫 . 遥感图像 处理与应用[ M] . 北 京 : 科 学出版社 ,2006 . [ D] . 郑州 : 解放 军信息工 程大学 ,2011.

5  结束语
无人机低空摄 影测量 作 为 一 种 新 兴 的 测 绘 方 式 , 具 有灵活 、快速 、高效 、经济等特点 ,是承担百平方千米量级

[ 编辑 :胡   雪 ]

无人机低空摄影测量在城市测绘保障中的应用前景
作者: 作者单位: 刊名: 王洛飞, WANG Luo-fei 63883部队,河南洛阳,471000 测绘与空间地理信息

英文刊名:

Geomatics & Spatial Information Technology

年,卷(期):

2014(2)

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