便携式无人机在地理国情应急监测系统的应用

程 帆，丁 宁，彭天驰，史晓明，王 欣

（1. 湖北省航测遥感院，湖北 武汉 430074；2. 湖北省测绘工程院，湖北 武汉 430074；3. 武汉地震计量检定与测量工程研究院有限公司，湖北 武汉 430071）

便携式无人机不仅具有机动性能高、环境适应性强的特点，而且其对于气相的要求较低，图像测量高效、准确[1]。将其应用于地理国情应急监测，能创新小面积应急监测模式，提升地理国情应急监测效率和质量。新时期要对便携式无人机具体应用技术做进一步深化研究，大力拓展便携式无人机系统的应用领域。

1 系统结构组成和作业流程

1.1 结构组成

便携式无人机地理国情应急监测系统通常包含5 个部分（见图1），除现场数据采集系统外，数据快速处理系统、制图输出系统等都是其重要的组成，此外，该系统还包含了应急数据管理系统、运输保障车等诸多单元[2-3]。在实际监测中，工作人员会将手抛式无人机作为飞行平台，以此来获取监测对象的航空遥感影像，随后在数据快速处理系统作用下，可实现这些数据的系统分层和解析，对影像数据进行快速镶嵌处理，同时提取地表覆盖物后，可实现监测区域影像图的快速整饰和输出，继而为地理国情应急救援工作提供参考。

图1 便携式无人机地理国情应急监测系统结构

1.2 作业流程

通过便捷式无人机开展地理国情应急监测时，一旦接收到应急监测指令，工作人员会依托“天地图”公众服务平台开展航摄规划，同时进行航线的精准设计[4]。目前，便携式无人机的航线设计是基于DEM 开展的。完成便携式无人机选型后，测绘人员会将无人机飞升到预定的轨道开展航空摄影测量，以此来获取航摄影像。在获得航摄影像后，还需要在现场对航摄的影像数据进行质量监测。便携式无人机航拍摄影像资料的质量检查不仅包括数据覆盖完整性检查，而且涉及图像重叠度检查，此外，影像色彩检查也是重要的检查内容，这样能为后期的数据处理、摄区DEM形成和影像图镶嵌提供有效参考，继而确保地表覆盖图的准确性。依据地表覆盖图，前线应急指挥部不仅能系统地开展地理国情应急救援指挥，而且可以将其作为参考资料，进行远程通信、数据共享和会商，以此来实现监测数据的高效应用。

2 应用及效果

2.1 精准实施现场数据采集

现场数据采集是便携式无人机地理国情应急监测系统应用的基本内容，在数据采集过程中，除便携式无人机飞行平台、影像获取传感器外，地面监控系统也发挥着功能系统的作用。此外，这些单元构件的运作需要航摄规划软件进行控制协同。

无人机装备本身具有携带方便的特点，故而在到达地理国情应急监测区域前，可通过任意车辆装载无人机装备，除此之外，测绘人员还可将其装载在背包内，然后随队伍前行。开展应急监测中，还需要对飞行平台的起飞和回收进行系统管理。通常，手抛式或弹射助飞是飞行平台起飞的重要方式，在飞行平台回收中，主要通过伞降的方式进行无人机飞行平台回收。实际作业中，要求便携式无人机作业的方圆1 000 m 为净空条件，然后测绘人员按照DEM、摄区拐点坐标对其进行航线设计，以此来获取较为精准的数据资料。一般情况下，便携式无人机在接收到应急监测命令，且完成组装起飞后，在60 min 内需获取3 km2的航摄影像，并且影像的分辨率需要优于0.1 m[5]。

2.2 快速进行数据处理

依托便携式无人机完成地理国情应急监测后，工作人员还要快速地进行数据处理。从数据处理过程来看，航摄质量检查、影像数据处理是极为重要的两个组成部分。其中，航摄质量检查不仅包含数据的完整性检查，而且包含重叠和色彩检查。通过这些内容的检查，需要实现航摄质量的初步检查，并确定补飞的区域和重飞区域。值得注意的是，经检查航摄质量符合应急监测要求后，还需要对获取的影响资料进行空三加密和密集匹配处理，同时在完成DS 米滤波、DEM 生成、正射纠正后，需再次匀光匀色，由此形成影像图的镶嵌，透过镶嵌的影像图，应急监测人员不仅能掌握监测区的建筑、水体等地物，而且能知晓救援所需的道路，这为后期救援工作开展提供了有效参考[6]。

在开展数据快速处理过程中，首要任务就是对航向重叠度和旁向重叠度进行监测，确认获取的数据是否全面，并判断是否需要利用便携式无人机补飞来重新获取数据。通常，要求便携式无人机航向的重叠度小于60%，同时旁向的重叠度需保持在8%以内。在实际处理中，60 min内需完成所测3 km2范围内图像数据的处理。出于数据处理效率考虑，在40 min内，工作人员不仅要完成道路、房屋、水源等重要地物的提取，而且需对一些重要的地物进行标记。经数据处理后，所形成的图像数据应纹理清晰、色调均匀，同时其反差应适中，且灰度直方图按照正态分布的规律进行布局。

2.3 制图输出管理

制图输出是在镶嵌影像图的基础上形成的一个整饰软件，在实际处理中，还需要对前期形成的图像进行解译分析，由此生成制图输出系统。就制图输出系统而言，其不仅应具有自动图廓线生成的功能，而且应具备手动添加图名、生产单位、格网等功能，这样能为监测数据的高效应用提供有效参考。

2.4 应急数据的系统管理

系统开展应急数据管理应用，能为地理国情应急监测和救援工作的开展提供有效参考。在应急数据管理系统建设应用中，应注意把控以下要点：其一，就应急数据本身而言，其不仅包含遥感影像数据，而且涉及30 m 分辨率DEM 数据。其二，在数据存储中，应急数据通常是按照分块存储的模式进行存储的，这样能为后期快速调取数据创造有利条件。其三，现阶段，人们对于精准航摄的要求不断提升，30 m分辨率DEM 是精确航摄设计的基础。基于此，在30 m 分辨率DEM控制中，不仅要注意摄区最高高程、最低高程的有效统计，而且需实现高平均高程和低平均高程的系统解算，以此来最大限度地发挥应急数据作用，促进地理国情应急监测工作的有序开展[7]。

2.5 便携式无人机应用效益分析

现阶段，便携式无人机在地理国情应急监测系统中的应用不断深入，相比于传统小面积的地理国情应急监测方式，便携式无人机的应用具有高度的灵活性、准确性、经济性和安全性（见表1）。

表1 便携式无人机应用效益分对比

3 便携式无人机地理国情应急监测系统应用的注意事项

3.1 规范无人机系统集成技术应用

便携式无人机系统的应用对于地理国情应急监测数据获取具有深刻影响。新时期，在便携式无人机系统应用中，还应注重其设备单元集成技术的应用，以此来提升便携式无人机系统的可靠性、稳定性和便携性。集成关键技术应用中，工作人员可将高性能锂离子电池作为无人机的动力系统；在固定翼设计中，可选择高强度轻量化EPC泡沫材料，此外可加强前拉外置螺旋桨驱动技术的应用，这样才能进一步提升无人机系统的适用性，扩大其在地理国情应急监测中的应用范围。

3.2 重视航摄数据的快速检查处理

依托便携式无人机系统完成地理国情应急监测数据捕获后，还需要快速、准确地进行数据的检查处理。该过程中，不仅要重视自动提取技术的应用，而且需加强同步显示技术的融合，以此来获得多点信息，确保数据的系统性、完整性。从检查信息类型来看，工作人员不仅要对曝光点信息、经纬度信息进行检查处理，而且需对航摄设计拐点坐标信息、影像数据进行校正。此外，航带内最大航高差、最低高程等都是需要考虑的重要内容[8]。通常，这些数据可通过快速匹配算法完成快速检查、校正，为后期的使用创造有利条件。需要注意的是，在数据处理中，还应通过快速镶嵌处理关键技术，实现数据的快速匹配和空中三角测量，另外，应在该技术的支撑下，实现图像匀光匀色与数据的自动镶嵌，满足地理国情应急监测需要。

4 结 论

便携式无人机是地理国情应急监测的重要设备，将其应用于地理国情应急监测，能为国土测绘、水利、减灾、地震等工作的开展提供有效支撑。新时期，工作人员只有系统认识到便携式无人机在地理国情应急监测的应用优势，然后深化便携式无人机技术设计，并加强其在地理国情应急监测应用过程中的系统管理，才能提升便携式无人机地理国情应急监测系统的应用质量，进而促进小面积地理国情应急遥感监测工作的有序开展。