基于消费级无人机进行的低成本航空测绘外文翻译资料

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基于消费级无人机进行的低成本航空测绘

S.L.马达瓦拉加马1, N.慕纳辛河2, S.D.P.J. Dampegama3, L.撒马拉库恩

1亚洲理工学院(AIT)地理信息中心(GIC)，邮政信箱:泰国巴吞他尼府空龙县12120号

电子邮箱:madawalagama@gmail.com，lalsamarakoon@gmail.com

2斯里兰卡莫拉图瓦大学地球资源工程系。电子邮箱:mniluka@gmail.com

3斯里兰卡科伦坡斯里兰卡调查部。电子邮箱:dampegama@yahoo.com

摘要：无人机是作为目前替代传统高成本摄影测量和地面测量用于地理测绘的一种创新型设备。考虑到无人机测量的优势，senseFly、Trimble、Leica等测绘行业的先驱公司已经制造了用于测绘目的的专业级测量无人机；但在今天的市场上，也有更便宜的消费级无人机。基于消费级无人机的原本的用途以外，这项研究旨在表明它们在制图方面的潜力。本研究中，大疆精灵3专业级无人机被成功地用于绘制斯里兰卡的景观。水平精度为17cm，垂直精度为28cm。241张图像覆盖面积1.28公里，平均地面采样距离为6.93cm。使用Pix4D软件对这些高分辨率的图像进行处理，可获得该区域的正交图像和数字表面模型(DSM)。利用差分全球导航卫星系统(GNSS)测量的地面控制点获取产品的精度。研究结果进一步利用测量级无人机与其他常见的测绘技术进行比较，旨在了解其优势和局限性。研究表明，配置全球定位系统（GPS）和电枢相机的消费级无人机是一种低成本、准确且强大的测绘设备，这使得为许多应用程序提供必要的航空地图、数字表面模型等成为可能。

关键词：摄影测量；正射图像；数字表面模型（DSM）

1 介绍

无人机是一种简单的飞行机器人，其正式名称为无人机(UAV)。无人驾驶飞机的主要特点是无需机载飞行员即可操作。它们可以通过遥控操作，也可以通过软件控制飞行计划自主飞行。

无人机最初是为军事目的发明的，但这些令人兴奋的设备现在被用于民用，如摄影、电影摄影、新闻、交付系统、结构安全检查等。在最近的研究中，人们已经探索了无人机在地质学领域的应用，现在它们正被用作摄影测量和激光雷达数据收集的平台。无人机是替代高成本的传统摄影测量和地面测量用于地理测绘的新兴技术。

无人机获取的遥感数据适用于二维和三维领域的各种测绘应用。如文献所述(尼克斯和雷蒙迪欧, 2014;宗吉阳, 2008)，环境测量、林业与农业测绘、考古与文化遗产测绘、灾害测绘和交通监测等领域都是航空测绘的典型应用领域，这些领域都与无人机有高度的兼容性。此外，无人机还可以用作一些关键场景的绘图平台，如紧急响应、侦察测量、快速绘图等，在这些场景中，快速访问3D地理信息成为必要。鉴于这些用途，商业测量级无人机已经被开发出来，如senseFly eBee和Trimble UX5。

与传统遥感方法相比，无人机在应用于测绘方面具有显著优势(达斯汀, 2015)。无人机提供了一个廉价的空中数据收集平台，不需要机载人员进行飞行操作。它们本身是安全的，可以到达载人飞行难以进入或危险的地方。

无人机在具有高空间率和时间分辨率的地图应用中为传统的数据获取建立了一个强大的替代方案。它们可以在低空飞行，从而能够收集大量详细的数据，并可以在有需求时迅速部署。无人机可以克服卫星和传统航空遥感机动性和可用性的限制(宗吉阳,2008)，但也存在一定的局限性，如较短的距离和较短的续航时间。传统的星载遥感仍有一些优势，高分辨率卫星图像的巨大改进正在缩小航空和卫星绘图之间的差距(宗吉阳, 2008)。

尽管有些无人机是为特定的地图应用而设计的，但也有一些消费级的无人机在社区中很受欢迎。即使消费级的无人机目前是爱好无人机者最常用于航空摄影的物品，但在地图绘制方面仍有很大的潜力。由于成本低廉，无人机在消费者应用中受到了广泛关注。随着低成本导航和控制设备以及成像传感器的出现，无人机成本大幅度降低。如今的消费级无人机配备了全球导航卫星系统(GNSS)和惯性测量单元(IMU)，满足了自动航空测量的基本要求。因为无人机需要遵循预先确定的飞行计划，因此，利用全球导航卫星系统准确确定飞机的位置，利用IMU对飞机进行定位对于实现精确的航空测量至关重要。消费级无人机通常的有效载荷要么是固定数码相机，要么是提供携带成像设备的外部设施。

最近的GNSS系统(如GPS/GLONASS)、惯性测量单元（IMU）和数码紧凑型相机的可用性技术进步，为使用廉价的消费级无人机作为移动地图系统应用带来了巨大的潜力；它们提供了测量级无人机的低成本替代品，与传统的航空测绘相比，进一步降低了成本。本研究旨在评估低成本消费级无人机在航空测绘方面的适用性和准确性。

2 研究区域和设备

测区选择斯里兰卡科伦坡7号研究区是因为有以前调查过该测区的地面控制点。研究区域位于斯里兰卡的商业首都，是一个高密度的城市地区，面积约为1.28平方公里。使用大疆精灵3消费级无人机和senseFly eBee专业级测量无人机对该区域进行了空中测量。为了满足本研究的主要目标，本文将两种不同系统的结果准确性、成本和整体复杂性与摄影测量性能的重点进行了具体比较。

senseFly eBee和精灵3专业无人机根据其重量、耐力和航程都属于微型无人机类别(本地亚等， 2008)。senseFly eBee是瑞士senseFly有限公司制造的测量级固定翼无人机。该无人机在瑞士已成为受欢迎的专业级测绘无人机应用于各种地理信息工业。eBee无人机配备了一个地面站和专用的飞行规划和管理软件eMotion。照相机应单独安装，因为它的选择应适合测量的目的。精灵3专业级无人机是由大疆创新科技有限公司(DJI)开发的一款四轴飞行器，配备了一款工厂生产配备3轴万向节稳定器的4K摄像机。该控制器是一种易于操作的远程设备，可与智能手机一起工作。在这项研究中，精灵3专业无人机因其价格低廉且在平民社区中很受欢迎，所以被认定为消费级无人机

表1. 本研究中使用的无人机的规格说明

图1 精灵3专业无人机（左）和 senseFly eBee无人机（右）

3 摄影测量地面控制

地面控制点(GCP)是有关区域内已知坐标的点。这些坐标由传统的测量方法测量的或者是由其他来源（激光雷达，该地区的旧地图，网络地图服务）所获得。为了提高精度，需要地面控制来计算产品的规模、方向和绝对位置信息(沃尔夫和德威特，2000)。即使没有地面控制点，也有可能获得地理参考产品，因为图像是由无人机的GPS设备进行地理编码，但强烈建议有大量的地面控制点来获得可靠的产品。地面控制点提高了一个项目的绝对精度，合理的确定了模型在地球上的精确位置。

在现代测量应用中，动态GNSS定位被认为是建立地面控制的最高效和最有效的方法，因为它满足了在大多数场景下的各方面要求 (沃尔夫和德威特, 2000)。本研究使用已有的调查数据建立地面控制，使用斯里兰卡最近引进的最新连续运行参考站(CORS) GNSS技术进行测量。CORS网络是一个虚拟实时动态定位(RTK)校正广播网络，由几个永久地面定位的高精度GNSS接收器组成(斯内伊和索勒，2008)。它具有较高的精度，水平精度8mm 0.5ppm的均方根和垂直精度15mm 0.5ppm的均方根。由于有了这些类型的测网，控制测量就不需要有地面标记的参考点。由几个高精度的GNSS接收机观测到的数据通常被称为CORS的位置数据，在一个中央服务器上处理，处理后的数据通过通用分组无线技术（GPRS）广播到RTK接收机，使用户获得高精度的定位坐标。

地面控制点是从符合一般标准的79个测量点中选择的，以建立一个摄影测量控制网。一般来说，可使用的摄影控制点的图像必须位于照片中有利的位置，并且应该明显、清晰，并在照片可明确地识别。地面控制点应该被均匀地放置在有关区域内。建议至少使用5个地面控制点，5到10个地面控制点通常就足够了，因为对于大型项目(艾吉索夫， 2013)而言，更多的地面控制点对提高准确性没有显著的贡献。然而，在该地区地形复杂的情况下，更多的地面控制点确实会有更好、更准确的重建。

图2 地面控制点样本

4 飞行规划及图像采集

设计和执行一个良好的图像采集计划是任何一个航空摄影测量项目中最重要的部分，因为任何摄影测量项目的最终成功更多地取决于良好的摄影质量，而不是其他方面(沃尔夫和德威特,2000)。如果收集到的数据集质量不足，就会导致处理结果不佳，甚至处理完全失败。为了避免重做昂贵和耗时的现场工作，必须根据要求正确地计划工作。

飞行计划通常包括两项内容:一是飞行地图显示拍摄地点;二是说明如何拍摄照片的规格，包括相机要求、比例、飞行高度、端圈、侧圈以及倾斜和蟹行公差等具体要求。只有在仔细考虑影响航空摄影的许多变量后，才能编制出项目最佳规格的飞行计划。有了今天的飞行规划软件，飞行地图会自动生成，只有关键参数需要手动输入软件。这些参数包括感兴趣的区域、飞行高度、重叠、最大速度等。飞行高度和图像重叠被认为是每个飞行计划的重要参数。摄影测量制图的相对精度能力，无论是平面还是垂直，取决于许多变量，但最重要的是飞行高度。地面采样距离随飞行高度的变化而变化，直接影响最终产品的可实现精度和细节量。在现代摄影测量处理中，整个过程是基于自动找到图像之间的数千个共同点。这些点被称为关键点。当两幅连续图像之间有高度重叠时，捕获的公共区域较大，更多的关键点可以匹配在一起。关键点越多，三维点就越精确。图像重叠参数应根据地形几何形状来确定。考虑到一般的规范，应采用80%的旁向和末端重叠。

表2 飞行计划参数

两架无人机都是在完全自主模式下完成测量，并带有持续的监控。这两种无人机上搭

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