【簡介：】目前，無人機激光雷達和攝影測量成像應(yīng)用正在快速增長。這其實并不奇怪，因為與使用配備了攝像測量設(shè)備的飛行器相比，使用配備了GPS的無人機（UAV）進行空中測量更具成本效益。
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目前，無人機激光雷達和攝影測量成像應(yīng)用正在快速增長。這其實并不奇怪，因為與使用配備了攝像測量設(shè)備的飛行器相比，使用配備了GPS的無人機（UAV）進行空中測量更具成本效益。

由于無人機相對便宜，可以在有需要的大型區(qū)域進行快速勘察。此外，使用配備了GPS、數(shù)碼相機以及強大計算機的無人機，可以進行精度達1至2厘米的測量。

本文全面介紹了這種無人機繪圖技術(shù)。此外，還將對利用無人機進行攝影測量和激光雷達測繪的領(lǐng)域進行簡單的介紹。

什么是無人機攝影測量？

攝影測量是通過照片進行測量的科學(xué)。攝影測量的結(jié)果通常是一些現(xiàn)實世界的物體或陸地地圖、素描或3D模型。

3D地圖和模型

要從航拍測量中構(gòu)建3D地圖，需要將攝像機安裝在無人機上，并且通常都是垂直指向地面。而使用攝影測量法構(gòu)建紀念碑或雕像的3D模型，則需要將攝像機水平安裝在無人機上。

無人機飛行途中拍攝的地面或模型的多個重疊照片（80%至90%重疊），再加上自主編程飛行路徑被稱作路標點。將物體或地面的照片重疊80至90%，是無法通過導(dǎo)航準確完成的。

那么擁有一個配備了路標點導(dǎo)航技術(shù)的無人機則非常重要。

無人機繪圖和激光雷達詳解

無人機激光雷達主要是通過在無人機上安裝激光掃描儀，以對無人機拍攝景觀的點高度進行測量。激光雷達也叫做光感測距技術(shù)（Lidar）。激光雷達掃描儀可以在一天內(nèi)掃描數(shù)百平方公里區(qū)域。在每平方米區(qū)域內(nèi)通過測量10到80個點，可以對所掃描景觀構(gòu)建一個非常詳細的數(shù)字模型。

準確的測量使得所構(gòu)建的3D模型能用于許多領(lǐng)域的設(shè)計、規(guī)劃以及決策過程。

激光雷達傳感器還可以穿透密集的森林林冠層和植被，從而對衛(wèi)星看不到的地球結(jié)構(gòu)進行拍攝，以及對植物進行詳細拍攝以便進行植被分類和變化監(jiān)測。

攝影測量和激光雷達的用途

通過使用無人機攝影測量和激光雷達測繪，可以從航拍圖像中提取許多有用元素。這些有用元素包括：

DEM / DTM / DSM（表面模型）；

正射影像（地理空間校正的航空圖象）；

3D建筑模型；

輪廓地圖；

平面特征（道路邊界、高度、標志以及建筑物輪廓等）；

體積調(diào)查。

下面簡單介紹一下激光雷達和攝影測量的一些最佳用途。所有這些領(lǐng)域都收益于各自項目的精確3D圖像。與使用傳統(tǒng)飛行器相比，它們還可以提高效率并降低成本。

林業(yè)管理與規(guī)劃；

洪水建模；

污染建模；

繪圖和制圖；

城市規(guī)劃；

海岸線管理；

交通規(guī)劃；

油氣勘探；

采石場和礦產(chǎn)（體積和勘探）；

考古；

蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

攝影測量術(shù)一開始處于默默無聞的地位，隨著無人機激光雷達傳感器的出現(xiàn)，現(xiàn)在得到了廣泛的應(yīng)用。

3D植被建模

這里需要注意的是，植被建模使用的是多光譜傳感器和激光雷達傳感器，而不是攝影測量傳感器。

用于攝影測量和無人機3D繪圖的攝像機

行業(yè)目前已經(jīng)開發(fā)出了幾款配備了攝像機、用于3D繪圖的無人機。實際上，任何配備了曝光控制器攝像機的無人機都是合適的。曝光控制器能觸發(fā)相機快門。最小照片拍攝數(shù)為每兩秒一張照片。以下相機都能很好地用于攝影測量和繪圖。

佳能相機 - S110、SX260；

索尼相機 - QX1、DSC-RX100 A7R、A7、A7S、NEX-6、NEX-5R、NEX-5T、A5100；

松下相機 - GH3。

GoPro相機鏡頭不太適合構(gòu)建航空地圖。為了得到某種更佳結(jié)果，飛行器飛行高度要達到400英尺（約120米）以上。

此外，還可以通過包括Phantom 3、Phantom 4以及Inspire 1在內(nèi)的大疆無人機集成攝像頭進行攝影測量圖像的拍攝。下文將會對大疆無人機進行詳細講解。

用于攝影測量和3D繪圖的無人機

接下來將盤點7種配備了自動駕駛和GPS（這也是攝影測量和激光雷達繪圖的關(guān)鍵技術(shù)）、且非常實惠的無人機。

一、大疆?dāng)z影測量無人機

包括DroneDeploy在內(nèi)的企業(yè)現(xiàn)在都開發(fā)出了與所有大疆無人機兼容的軟件，包括其最新的Mavic Pro折疊無人機。

1. 大疆無人機—Mavic Pro

這款Mavic Pro非常適用于攝影測量和激光雷達測繪應(yīng)用。這款四軸飛行器使用了最新的IMU、飛行控制穩(wěn)定技術(shù)，還配備了一個4k穩(wěn)定的集成框架和攝像機。

通過如DroneDeploy或Pix4D等企業(yè)提供的軟件，這樣將構(gòu)建非常精確的點云和完美的3D繪圖。

航路導(dǎo)航對于構(gòu)建精確的3D攝影測量圖像非常重要。Mavic Pro使用了“Draw Waypoint”進行自動飛行。

其飛行距離為4.3英里（7公里），飛行時間長達27分鐘。

2. 大疆Matrice 100無人機-無人機繪圖

Matrice 100平臺擁有大疆所有易于飛行的技術(shù)。包括飛行控制器、推進系統(tǒng)、GPS、DJI Lightbridge（全高清無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)）、專用遙控器以及可充電電池。此外還有額外的擴展架，允許您添加如相機、紅外傳感器以及用于構(gòu)建復(fù)雜3D地圖的激光雷達掃描儀等組件。

Matrice 100具有增強的GPS功能，能實現(xiàn)高精度的攝影測量。該增強型GPS功能還能實現(xiàn)Matrix 100位置的實時跟蹤，同時實現(xiàn)更快的衛(wèi)星探測、更準確的位置控制和飛行計劃。

3. 用于攝影測量的Phantom 4 Pro大疆無人機

該Phantom 4 Pro大疆無人機能使用Pix4Dmapper Mesh大疆版本。Phantom 4還適用于Drone Deploy和Site Scan軟件，下文將會一一提及。Phantom 4飛行非常平穩(wěn)，采用了雙導(dǎo)航系統(tǒng)，還使用了障礙探測和防碰撞傳感器。此外，還擁有一個4k攝像機。非常重要的是它也使用了航路導(dǎo)航技術(shù)。

4. DJI Phantom 3和Inspire 1攝影測量無人機

在2015年9月進行固件和軟件更新之后，就賦予了DJI Inspire 1和Phantom 3模型航路導(dǎo)航技術(shù)，該無人機目前可以用于攝影測量。

與DJI無人機使用的最佳軟件是Pix4Dmapper Mesh DJI版。此外，DJI Phantom 3和Inspire 1也可以使用Altizure應(yīng)用程序進行攝影測量。

5. 用于繪圖的大疆Spreading Wings S1000無人機

Spreading Wings S1000型號可以實現(xiàn)定制，以裝配多種不同類型的攝像機和傳感器。

其他用于攝影測量的無人機

二、SenseFly eBee Pro繪圖無人機

EBee繪圖無人機是一種擁有固定翼、完全自動化的無人機，可拍攝高分辨率航空照片，還可以將所拍攝的照片轉(zhuǎn)換為精確的2D正射投影以及3D模型。EBee單次飛行可達12平方公里（4.6平方英里），通過較低的飛行高度飛過較小區(qū)域，通過GSD還可以拍攝低至1.5厘米/像素的圖像。

EBee帶有兩個軟件包：eMotion（飛行計劃和控制）和Postflight Terra 3D（專業(yè)攝影測量）。

三、用于航測的3DR X8-M無人機

3DR X8-M擁有一個完整的套件，包括四軸飛行器、高分辨率佳能12 MP數(shù)碼相機以及將照片渲染成3D地圖所需的Pix4DMapper第3版軟件。3DR X8-M具有GPS、自主航路導(dǎo)航、以及可重復(fù)的飛行路線，是精確航測圖和測量的完美選擇。X8-M是設(shè)計和規(guī)劃自動飛行任務(wù)并構(gòu)建3D攝影測量圖最便捷的無人機之一。

四、3DR Aero-M固定翼無人機

Aero-M是一種用于構(gòu)建高分辨率視頻航測圖的一體化解決方案。這是為農(nóng)業(yè)、建筑、文物保護、搜救以及應(yīng)急響應(yīng)等大規(guī)模作業(yè)獲取高度詳細數(shù)據(jù)的完美平臺。Aero-M具有輕巧堅固的泡沫框架。

Aero-M套件包括佳能S100高分辨率12 MP相機，功能強大的Pix4Dmapper LT 3DR版軟件，用于構(gòu)建高精度、地理參考和正射投影的馬賽克。

五、3DR SOLO無人機

3DR SOLO無人機于2015年發(fā)布，專為GoPro Hero 4相機而設(shè)計?，F(xiàn)在可以通過Pix4Dmapper Mesh軟件，利用該SOLO無人機構(gòu)建3D圖像。

六、Trimble UX5無人機

Trimble UX5能提供最佳圖像質(zhì)量以及最高攝影測量精度的圖像。UX5相機具有大型成像傳感器，即使在黑暗或陰天的情況下也能拍攝非常清晰、色彩豐富的圖像。24 MP相機及其定制光學(xué)元件使UX5能夠獲取精準度為2.0厘米（0.79英寸）分辨率的數(shù)據(jù)。

Trimble UX5的這種設(shè)計意味著它可以在幾乎所有的天氣條件下飛行。

七、Aeryon Scout Map版航拍多軸飛行器

Aeryon sUAS是專為任何需要勘測級精度的正射投影、DSMs和從空中或傾斜航空成像點云的應(yīng)用而設(shè)計，能與GIS、CAD以及傳統(tǒng)攝影測量軟件實現(xiàn)無縫集成。

Aeryon Map無人機還包括Aeryon SkyRanger sUAS以及Pix4Dmapper軟件，可實現(xiàn)現(xiàn)場和辦公室圖像處理，包括用于3D可視化和編輯的集成工具。

可以的?，F(xiàn)在的用無人機制作地形圖、拍攝大面積的區(qū)域的很多。

無人機應(yīng)用最多的測繪領(lǐng)域的無人機。測繪領(lǐng)域更多需要的是固定翼等效率高的無人機。

一、航線設(shè)計

無人機做測繪，需要我們設(shè)計好航線，讓無人機按照航線飛行，同時在合適的時候拍照，具體需要設(shè)置的有：

1) 地面分辨率

為了提高成圖的精度，設(shè)計平均航高時地面分辨率取0.1米。

2) 航攝分區(qū)的劃分

分區(qū)盡量按長方形進行劃分，易于測區(qū)接邊；航攝區(qū)域內(nèi)的地形高度差不應(yīng)大于1/6航攝航高，高差較大區(qū)域應(yīng)劃分分區(qū)。

3) 分區(qū)基準面高度的確定

依據(jù)分區(qū)地形起伏、飛行安全條件等確定分區(qū)基準面高度。

4) 生成航線

在地面站系統(tǒng)中進行航線的設(shè)計，分別將每個攝影分區(qū)的四角坐標輸入到地面站軟件，設(shè)置航線的間距和飛行的方向，軟件可自動生成航線文件。

5) 航攝季節(jié)和航攝時間的選擇

a) 航攝季節(jié)應(yīng)選擇攝區(qū)最有利的氣象條件，應(yīng)盡量避免或減少地表植被和其他覆蓋物（如積雪、洪水等）對攝影和測圖的不利影響，確保航攝影像能夠真實地顯示地面細部。

b) 航攝時，既要保證具有充足的光照度，又要避免多大的陰影。

c) 森林、草地、大面積的鹽灘、鹽堿地，當(dāng)?shù)卣缜昂蟾?小時內(nèi)不應(yīng)攝影。

d) 陡峭山區(qū)和高層建筑物密集的大城市應(yīng)在當(dāng)?shù)卣缜昂蟾?小時內(nèi)攝影，條件允許時，可實施云下攝影。

二、航攝作業(yè)

航攝作業(yè)時，安全是首要考慮的要素，因此飛機組裝完成后，要進行一系列嚴格的檢查并進行詳細的記錄，在確保安全的情況下才能升空作業(yè)。具體的檢查項包括：

（1）俯仰檢查

檢查陀螺零點正確，俯仰角正確，兩個數(shù)據(jù)都是向上為正值。UAV模式下，飛機俯仰變化時，升降舵面向相應(yīng)方向偏轉(zhuǎn)阻尼俯仰變化。

（2）滾轉(zhuǎn)檢查

陀螺零點正確，滾轉(zhuǎn)角正確，右滾為正值。UAV模式下，繞機身軸線滾轉(zhuǎn)飛機時，副翼舵面向相應(yīng)方向偏轉(zhuǎn)阻尼滾轉(zhuǎn)變化。

（3）水平設(shè)置

當(dāng)飛控在飛機里面安裝之后，通過設(shè)置俯仰滾轉(zhuǎn)偏置使飛控的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角與飛機姿態(tài)對應(yīng)起來。將飛機機翼水平放置，將飛控的俯仰滾轉(zhuǎn)角清零。

（4）空速檢查

將空速管前用手遮擋住氣流，此時空速顯示值在零附近，否則請重新設(shè)置空速零位。再用手指堵住空速管稍用力壓縮管內(nèi)空氣，空速顯示值應(yīng)逐漸增加或者保持，否則就有可能漏氣或者堵塞。

（5）高度計檢查

如果有條件得到當(dāng)前控制盒所在高度的氣壓值，在地面站上設(shè)定當(dāng)前氣壓值和當(dāng)前的高度值。變化飛機的高度，高度顯示值將隨之變化。

（6）轉(zhuǎn)速檢查

如果飛機安裝了轉(zhuǎn)速傳感器，用手轉(zhuǎn)動發(fā)動機，觀察是否地面站是否有轉(zhuǎn)速顯示。轉(zhuǎn)速分頻設(shè)置是否正確。

（7）GPS定位檢查

從開機到GPS3D定位的時間應(yīng)該在1分鐘左右，如果超過5分鐘還不能定位，檢查GPS天線連接或者其他干擾情況。定位后衛(wèi)星數(shù)量一般都在6顆以上，PDOP水平定位質(zhì)量數(shù)據(jù)越小越好，一般在1到2之間。

（8）震動測試

發(fā)動發(fā)動機，在不同轉(zhuǎn)速下觀察傳感器數(shù)據(jù)的跳動情況，舵面的跳動情況，特別是姿態(tài)表（地平儀）所示姿態(tài)數(shù)據(jù)。所有的跳動都必須在很小的范圍內(nèi)，否則改進減震措施。

（9）電池測試

通過放電試驗確定電池的有效工作時間，確保以后的飛行都在可靠的有保證的供電時間內(nèi)。

（10）數(shù)傳發(fā)射對傳感器的影響測試

在UAV模式下，如果影響較大，查看傳感器數(shù)據(jù)中的實際值，觀察陀螺數(shù)值是否都在零點左右；否則發(fā)射機天線位置必須移動。其他發(fā)射機也必須這樣測試。

（11）接插件檢查

所有接插件接插牢靠，特別是電源。

（12）風(fēng)門設(shè)置檢查

發(fā)動發(fā)動機，捕獲設(shè)置風(fēng)門最大值，最小值(穩(wěn)定工作怠速偏上)和能夠收風(fēng)門停車的位置。確保能夠控制停車。

（13）動態(tài)傳感器數(shù)據(jù)觀察

遙控飛行中觀察所有傳感器數(shù)據(jù)，特別是高度計，空速計和陀螺。

（14）空速計系數(shù)

無風(fēng)天氣飛行中觀察GPS地速與空速，修正空速計系數(shù)。