【簡(jiǎn)介：】目前，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)和攝影測(cè)量成像應(yīng)用正在快速增長(zhǎng)。這其實(shí)并不奇怪，因?yàn)榕c使用配備了攝像測(cè)量設(shè)備的飛行器相比，使用配備了GPS的無(wú)人機(jī)（UAV）進(jìn)行空中測(cè)量更具成本效益。
由于

目前，無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)和攝影測(cè)量成像應(yīng)用正在快速增長(zhǎng)。這其實(shí)并不奇怪，因?yàn)榕c使用配備了攝像測(cè)量設(shè)備的飛行器相比，使用配備了GPS的無(wú)人機(jī)（UAV）進(jìn)行空中測(cè)量更具成本效益。

由于無(wú)人機(jī)相對(duì)便宜，可以在有需要的大型區(qū)域進(jìn)行快速勘察。此外，使用配備了GPS、數(shù)碼相機(jī)以及強(qiáng)大計(jì)算機(jī)的無(wú)人機(jī)，可以進(jìn)行精度達(dá)1至2厘米的測(cè)量。

本文全面介紹了這種無(wú)人機(jī)繪圖技術(shù)。此外，還將對(duì)利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行攝影測(cè)量和激光雷達(dá)測(cè)繪的領(lǐng)域進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

什么是無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量？

攝影測(cè)量是通過(guò)照片進(jìn)行測(cè)量的科學(xué)。攝影測(cè)量的結(jié)果通常是一些現(xiàn)實(shí)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(cè)量中構(gòu)建3D地圖，需要將攝像機(jī)安裝在無(wú)人機(jī)上，并且通常都是垂直指向地面。而使用攝影測(cè)量法構(gòu)建紀(jì)念碑或雕像的3D模型，則需要將攝像機(jī)水平安裝在無(wú)人機(jī)上。

無(wú)人機(jī)飛行途中拍攝的地面或模型的多個(gè)重疊照片（80%至90%重疊），再加上自主編程飛行路徑被稱(chēng)作路標(biāo)點(diǎn)。將物體或地面的照片重疊80至90%，是無(wú)法通過(guò)導(dǎo)航準(zhǔn)確完成的。

那么擁有一個(gè)配備了路標(biāo)點(diǎn)導(dǎo)航技術(shù)的無(wú)人機(jī)則非常重要。

無(wú)人機(jī)繪圖和激光雷達(dá)詳解

無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)主要是通過(guò)在無(wú)人機(jī)上安裝激光掃描儀，以對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝景觀的點(diǎn)高度進(jìn)行測(cè)量。激光雷達(dá)也叫做光感測(cè)距技術(shù)（Lidar）。激光雷達(dá)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(guò)測(cè)量10到80個(gè)點(diǎn)，可以對(duì)所掃描景觀構(gòu)建一個(gè)非常詳細(xì)的數(shù)字模型。

準(zhǔn)確的測(cè)量使得所構(gòu)建的3D模型能用于許多領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、規(guī)劃以及決策過(guò)程。

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

攝影測(cè)量和激光雷達(dá)的用途

通過(guò)使用無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量和激光雷達(dá)測(cè)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?qǐng)D象）；

3D建筑模型；

輪廓地圖；

平面特征（道路邊界、高度、標(biāo)志以及建筑物輪廓等）；

體積調(diào)查。

下面簡(jiǎn)單介紹一下激光雷達(dá)和攝影測(cè)量的一些最佳用途。所有這些領(lǐng)域都收益于各自項(xiàng)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(xiàn)管理；

交通規(guī)劃；

油氣勘探；

采石場(chǎng)和礦產(chǎn)（體積和勘探）；

考古；

蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

攝影測(cè)量術(shù)一開(kāi)始處于默默無(wú)聞的地位，隨著無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)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(dá)傳感器，而不是攝影測(cè)量傳感器。

用于攝影測(cè)量和無(wú)人機(jī)3D繪圖的攝像機(jī)

行業(yè)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了幾款配備了攝像機(jī)、用于3D繪圖的無(wú)人機(jī)。實(shí)際上，任何配備了曝光控制器攝像機(jī)的無(wú)人機(jī)都是合適的。曝光控制器能觸發(fā)相機(jī)快門(mén)。最小照片拍攝數(shù)為每?jī)擅胍粡堈掌?。以下相機(jī)都能很好地用于攝影測(cè)量和繪圖。

佳能相機(jī) - S110、SX260；

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

松下相機(jī) - GH3。

GoPro相機(jī)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(dá)到400英尺（約120米）以上。

此外，還可以通過(guò)包括Phantom 3、Phantom 4以及Inspire 1在內(nèi)的大疆無(wú)人機(jī)集成攝像頭進(jìn)行攝影測(cè)量圖像的拍攝。下文將會(huì)對(duì)大疆無(wú)人機(jī)進(jìn)行詳細(xì)講解。

用于攝影測(cè)量和3D繪圖的無(wú)人機(jī)

接下來(lái)將盤(pán)點(diǎn)7種配備了自動(dòng)駕駛和GPS（這也是攝影測(cè)量和激光雷達(dá)繪圖的關(guān)鍵技術(shù)）、且非常實(shí)惠的無(wú)人機(jī)。

一、大疆?dāng)z影測(cè)量無(wú)人機(jī)

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

1. 大疆無(wú)人機(jī)—Mavic Pro

這款Mavic Pro非常適用于攝影測(cè)量和激光雷達(dá)測(cè)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(gè)4k穩(wěn)定的集成框架和攝像機(jī)。

通過(guò)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(diǎn)云和完美的3D繪圖。

航路導(dǎo)航對(duì)于構(gòu)建精確的3D攝影測(cè)量圖像非常重要。Mavic Pro使用了“Draw Waypoint”進(jìn)行自動(dòng)飛行。

其飛行距離為4.3英里（7公里），飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)27分鐘。

2. 大疆Matrice 100無(wú)人機(jī)-無(wú)人機(jī)繪圖

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

Matrice 100具有增強(qiáng)的GPS功能，能實(shí)現(xiàn)高精度的攝影測(cè)量。該增強(qiáng)型GPS功能還能實(shí)現(xiàn)Matrix 100位置的實(shí)時(shí)跟蹤，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更快的衛(wèi)星探測(cè)、更準(zhǔn)確的位置控制和飛行計(jì)劃。

3. 用于攝影測(cè)量的Phantom 4 Pro大疆無(wú)人機(jī)

該P(yáng)hantom 4 Pro大疆無(wú)人機(jī)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(huì)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(cè)和防碰撞傳感器。此外，還擁有一個(gè)4k攝像機(jī)。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(cè)量無(wú)人機(jī)

在2015年9月進(jìn)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(wú)人機(jī)目前可以用于攝影測(cè)量。

與DJI無(wú)人機(jī)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(jìn)行攝影測(cè)量。

5. 用于繪圖的大疆Spreading Wings S1000無(wú)人機(jī)

Spreading Wings S1000型號(hào)可以實(shí)現(xiàn)定制，以裝配多種不同類(lèi)型的攝像機(jī)和傳感器。

其他用于攝影測(cè)量的無(wú)人機(jī)

二、SenseFly eBee Pro繪圖無(wú)人機(jī)

EBee繪圖無(wú)人機(jī)是一種擁有固定翼、完全自動(dòng)化的無(wú)人機(jī)，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(dá)12平方公里（4.6平方英里），通過(guò)較低的飛行高度飛過(guò)較小區(qū)域，通過(guò)GSD還可以拍攝低至1.5厘米/像素的圖像。

EBee帶有兩個(gè)軟件包：eMotion（飛行計(jì)劃和控制）和Postflight Terra 3D（專(zhuān)業(yè)攝影測(cè)量）。

三、用于航測(cè)的3DR X8-M無(wú)人機(jī)

3DR X8-M擁有一個(gè)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(jī)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(xiàn)，是精確航測(cè)圖和測(cè)量的完美選擇。X8-M是設(shè)計(jì)和規(guī)劃自動(dòng)飛行任務(wù)并構(gòu)建3D攝影測(cè)量圖最便捷的無(wú)人機(jī)之一。

四、3DR Aero-M固定翼無(wú)人機(jī)

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

Aero-M套件包括佳能S100高分辨率12 MP相機(jī)，功能強(qiáng)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(wú)人機(jī)

3DR SOLO無(wú)人機(jī)于2015年發(fā)布，專(zhuān)為GoPro Hero 4相機(jī)而設(shè)計(jì)。現(xiàn)在可以通過(guò)Pix4Dmapper Mesh軟件，利用該SOLO無(wú)人機(jī)構(gòu)建3D圖像。

六、Trimble UX5無(wú)人機(jī)

Trimble UX5能提供最佳圖像質(zhì)量以及最高攝影測(cè)量精度的圖像。UX5相機(jī)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(jī)及其定制光學(xué)元件使UX5能夠獲取精準(zhǔn)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(jì)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(zhuān)為任何需要勘測(cè)級(jí)精度的正射投影、DSMs和從空中或傾斜航空成像點(diǎn)云的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，能與GIS、CAD以及傳統(tǒng)攝影測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫集成。

Aeryon Map無(wú)人機(jī)還包括Aeryon SkyRanger sUAS以及Pix4Dmapper軟件，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)人機(jī)制作地形圖、拍攝大面積的區(qū)域的很多。

無(wú)人機(jī)應(yīng)用最多的測(cè)繪領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)。測(cè)繪領(lǐng)域更多需要的是固定翼等效率高的無(wú)人機(jī)。

一、航線(xiàn)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)做測(cè)繪，需要我們?cè)O(shè)計(jì)好航線(xiàn)，讓無(wú)人機(jī)按照航線(xiàn)飛行，同時(shí)在合適的時(shí)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(jì)平均航高時(shí)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(zhǎng)方形進(jìn)行劃分，易于測(cè)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(zhǔn)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(zhǔn)面高度。

4) 生成航線(xiàn)

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

5) 航攝季節(jié)和航攝時(shí)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(duì)攝影和測(cè)圖的不利影響，確保航攝影像能夠真實(shí)地顯示地面細(xì)部。

b) 航攝時(shí)，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(shí)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(shí)內(nèi)攝影，條件允許時(shí)，可實(shí)施云下攝影。

二、航攝作業(yè)

航攝作業(yè)時(shí)，安全是首要考慮的要素，因此飛機(jī)組裝完成后，要進(jìn)行一系列嚴(yán)格的檢查并進(jìn)行詳細(xì)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(xiàng)包括：

（1）俯仰檢查

檢查陀螺零點(diǎn)正確，俯仰角正確，兩個(gè)數(shù)據(jù)都是向上為正值。UAV模式下，飛機(jī)俯仰變化時(shí)，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(diǎn)正確，滾轉(zhuǎn)角正確，右滾為正值。UAV模式下，繞機(jī)身軸線(xiàn)滾轉(zhuǎn)飛機(jī)時(shí)，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(jī)里面安裝之后，通過(guò)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(jī)姿態(tài)對(duì)應(yīng)起來(lái)。將飛機(jī)機(jī)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(shí)空速顯示值在零附近，否則請(qǐng)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(jì)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(jī)的高度，高度顯示值將隨之變化。

（6）轉(zhuǎn)速檢查

如果飛機(jī)安裝了轉(zhuǎn)速傳感器，用手轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，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(kāi)機(jī)到GPS3D定位的時(shí)間應(yīng)該在1分鐘左右，如果超過(guò)5分鐘還不能定位，檢查GPS天線(xiàn)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(dòng)測(cè)試

發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，在不同轉(zhuǎn)速下觀察傳感器數(shù)據(jù)的跳動(dòng)情況，舵面的跳動(dòng)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(dòng)都必須在很小的范圍內(nèi)，否則改進(jìn)減震措施。

（9）電池測(cè)試

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

（10）數(shù)傳發(fā)射對(duì)傳感器的影響測(cè)試

在UAV模式下，如果影響較大，查看傳感器數(shù)據(jù)中的實(shí)際值，觀察陀螺數(shù)值是否都在零點(diǎn)左右；否則發(fā)射機(jī)天線(xiàn)位置必須移動(dòng)。其他發(fā)射機(jī)也必須這樣測(cè)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(mén)設(shè)置檢查

發(fā)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，捕獲設(shè)置風(fēng)門(mén)最大值，最小值(穩(wěn)定工作怠速偏上)和能夠收風(fēng)門(mén)停車(chē)的位置。確保能夠控制停車(chē)。

（13）動(dòng)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(jì)，空速計(jì)和陀螺。

（14）空速計(jì)系數(shù)

無(wú)風(fēng)天氣飛行中觀察GPS地速與空速，修正空速計(jì)系數(shù)。