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用于3D绘图应用的无人机综述

摘要

无人机（UAV）平台目前是检验、监视、绘图和三维建模问题的宝贵数据来源。由于无人机可以作为传统的载人航空摄影测量的低成本替代品，本文介绍了无人机在短距离和近距离领域的新应用。旋转翼或固定翼无人机可以通过手动、半自动和自主模式飞行，用业余或单反数码相机进行摄影测量数据采集。进而遵循典型的摄影测量工作流程，可以生成三维结果，如数字表面或地形模型、轮廓、纹理三维模型、矢量信息等，甚至在大范围区域上也可以应用。本文介绍了无人机在地理信息应用方面的最新进展，概述了无人机的各种平台、应用和案例研究，并介绍了无人机图像处理的最新进展。也提出了新的观点。

关键词：无人机、摄影测量学、DSM、考古学、农业、急救、城市

序言

根据无人驾驶车辆系统（UVS）的国际定义，无人驾驶飞行器（UAV）是一种通用的飞机设计，无需人工驾驶员操作.。

无人机这一简单的术语通常用于地理信息系统社区，但也有其他术语，如无人机，遥控飞行器（RPV），遥控飞机，遥控飞机系统（RPAS），微型飞行器，无人作战飞行器，小型无人机（SUAV），低空深度穿透无人机，低空长航时无人机，中等高度长航时无人机，遥控直升机和模型直升机经常使用，根据其推进系统，高度/耐力和飞行执行中的自动化水平所使用。无人机系统这一术语包括由飞行器/平台（UAV）和地面控制站（GCS）组成的整个系统。 Sanna和Pralio（2005）将无人机定义为无人驾驶飞行器，而Von Blyenburg（1999）将无人机定义为无人驾驶和可重复使用的机动飞行器。

过去，无人机系统和平台的发展主要是受军事目标和应用的推动，无人侦察、监视、侦察和敌区地图绘制是主要的军事目标。对于地理信息应用，第一次经验是在三十年前进行的，但直到最近，地理信息领域的无人机才成为数据采集的通用平台。无人机摄影测量（Colomina等人2008年；Eisenbeiss 2009年）确实在近距离航空领域开辟了各种新的应用，引入了一种低成本的替代传统的载人航空摄影测量方法，用于大规模地形测绘或详细的地面信息三维记录，并且是陆地采集的有效补充解决方案（图1）。无人机最新的成功和发展可以通过推广低成本平台来解释。利用业余或SRL数码相机和GNSS/INS系统，导航平台、预测采集点并可能执行直接地理参考。虽然传统的航空遥感仍有一些优势，而且高分辨率卫星图像的巨大改进正在缩小航空和卫星测绘应用之间的差距，但无人机平台是研究和探索我们环境的一个非常重要的替代方案和解决方案，特别是对于遗产地点或快速响应应用。目前，私营公司正在投资并提供无人机航空图像的摄影测量产品（主要是数字表面模型（DSM）和正位图像），作为使用具有可变尺寸、低重量和高地面分辨率的飞行无人平台的可能性，这使得飞行操作的成本比传统飞机更低。虽然问题和限制仍然存在，但无人机是一个真正能够为各种应用提供成像数据的来源。

本文综述了无人机在地理信息领域最常见的系统和应用，重点介绍了与法规和数据处理相关的开放性问题和研究问题。对于整个摄影测量处理流程也有不同的事例和评判性的评论。

图1 根据场景的尺寸和复杂性，可用于3D记录的可用地理信息技术、传感器和平台

无人机平台

无人机主要的机身类型是固定式和旋转式机翼，而最常见的发射/起飞方法除了自主模式外，还有空气、手、汽车/轨道、碳罐或蹦极绳发射。一个用于地理信息的典型的无人机平台的成本从1000欧元到50000欧元不等，具体取决于机载仪器、有效载荷、飞行自主性、平台类型以及其特定应用所需的自动化程度。低成本的解决方案通常不能执行自主飞行，但在起飞和着陆阶段，它们总是需要人工协助。低成本开放源代码平台和工具包介绍于在（Benda等人2008；Grenzd_rffer等人2008年；Meier等人2011年；Neitzel和Klonowski 2011年；Stemphuber和Buchholz 2011年）。使用基于微机电系统（MEMS）或C/A代码GPS自动驾驶的简单手动无人机是最便宜的系统（Vallet等人2011年），尽管大风地区的稳定性可能是个问题。

更大和更稳定的系统，通常基于内燃机（ICE），对于电动发动机无人机具有更长的耐久性，并且，由于有效载荷更高，它们允许使用中型（反射）摄像机或激光雷达或SAR仪器（Nagai等人2004年；Vierling等人2006年；Wang等人2009年；Berni等人2009a；Kohoutek和Eisenbeiss 2012；Grenzdoffer等人2012）。

硬件和平台级别的开发和改进在机器人、航空和光学领域进行，寻求突破性的解决方案，以使光学系统小型化、提高有效载荷、实现完全自主导航并提高飞行性能（Huckridge和Ebert 2008；Schafroth等。2009）。研究人员还对飞行无脊椎动物进行了研究，以了解它们的运动能力、避障能力或自主着陆/起飞能力（Franceschini等人2007年；Moore等人2011）。根据尺寸、重量、续航力、航程和飞行高度，uvs international定义了三大类无人机，如下所示：

1. 战术无人机包括微型、微型、近程、短程、中程、中程、低空深穿透、低空长续航和中高空长续航系统。质量从几公斤到1000公斤不等，飞行范围从几公里到500公里不等，飞行高度从几百米到5公里不等，续航时间从几分钟到2-3天不等。
2. 战略无人机，包括高空长续航能力、平流层和外平流层系统，飞行高度超过20000米，续航时间为2-4天。
3. 特殊任务无人机，如无人作战自动车辆、致命和诱饵系统。

用于地理信息应用的无人机可根据其发动机/推进系统在以下方面进行短期分类：

1. 无动力平台:如气球、风筝、滑翔机、滑翔伞
2. 动力平台:如飞艇、滑翔机、螺旋桨、电动、内燃机

或者，它们可以根据空气动力学和“物理”特征进行分类，如下所示：

1. 比空气轻，如气球、飞艇
2. 旋转翼，电动或带内燃机，例如单转子、同轴、四冲程、多转子
3. 固定翼，无动力，电动或带冰，如滑翔机或高翼

在表1中，根据文献综述和作者的经验，提出了不同无人机类型的优缺点：将旋和固定翼无人机与传统的航空低成本风筝和气球进行比较。

无人机在地理学中的应用

Niranjan等人提到了一些无人机的民用应用。（2007年），而Everarets（2008年）报告了无人机在地图领域的项目、法规、分类和应用。无人机图像和摄影测量衍生DSM或正位图像的应用领域通常包括：

1. 农业：生产商可以做出可靠的决策，以节省金钱和时间（例如，精确农业），快速准确地记录损害情况，或确定该领域的潜在问题（Newcombe 2007）。
2. 林业：可以准确地进行林地评估、火灾监测、植被监测、物种识别、体积计算和造林（Grenzd_rffer等人2008；Martinez等人2006；R_stas 2006；Berni等人2009B）。
3. 考古学和建筑学：可以使用基于低海拔图像的方法（_abuk et al.2007年；Lambers等人2007年；Oczipka等人2009年；Verhoeven 2009年；Chiabrando等人2011年；Rinaudo等人2012）。
4. 环境：快速便宜的定期航行允许在多个时间段监测陆地和水（Thamm和Judex 2006；Niethammer等人2010年），道路测绘（zhang 2008），地籍测绘（Manyoky等人2011年），热分析（Hartmann等人2012年），开挖量计算，火山监测（Smith等人2009年），海岸线监测，或地质分析的自然资源文件也是可行的。
5. 应急管理：无人机能够快速获取图像，用于早期影响评估和救援计划（Chou等人2010年；Haarbrink和Koers 2006年；Molina等人2012）。飞行可以在污染区域进行，不会对操作员或者长时间的飞行操作造成任何危险。
6. 交通监控：最需要的信息是监视、行程时间估计、轨迹、车道占用率和发生率响应（puri等人2007）。

无人机图像还经常与地面测量结合使用，以缩小可能的三维建模间隙并创建

正位图像（Pueschel等人2008年；Remondino等人2009）。无人机也可用于工业应用（如空气污染监测、监视、测量等）。

表1 根据文献和作者的经验，对一些用于地理信息应用的无人机平台

进行评估。评估从1（低）到5（高）

历史框架与法规

无人机最初是为在敌方地区具有飞行识别能力，对飞行员没有任何风险的军事应用而开发的。70年代末（Przybilla和Wester-Ebbinghaus，1979年），民用和地理信息应用的第一次经验得以实施，由于平台、通信技术和软件的快速改进以及可能的应用数量的不断增加，这些经验在过去几十年中的使用大大增加。因此，在民用应用中使用这种飞行平台，是为了提高无人机飞行的安全性，避免对人类造成危险。几年前，国际社会开始为无人机定义安全标准。特别是，北约和欧洲控制组织于1999年开始合作，为无人机平台和飞行制定法规。但是这项工作还没有形成一个共同的国际标准，特别是民事应用。但是，新型无人机系统的大规模扩散和商业化推动了几个国家和国际协会对无人机的运行安全进行分析。每个国家都有一个或多个独立运作的无人机管理机构。由于所有这些当局之间缺乏合作（至少在过去），很难在不丧失普遍性的情况下描述每个当局的具体目标。在表2中，简要介绍了几个国家已有的法规。

无人机规则的基础主要是为了提高平台的可靠性，强调每个平台都需要安全认证，确保公共安全。由于受技术发展和安全标准的制约，规则和认证应与目前适用于可比载人飞机的规则和认证相同。虽然无人机无人驾驶是最重要的问题，但它是在公民安全受到影响的情况下所提及的。

无人机目前根据其尺寸、重量和车载技术的不同，具有不同的安全级别。因此，适用于每个无人机的规则对于所有平台和类别都不可能是相同的。例如，在美国，安全性是根据其用途（公共或公民）来定义的，在一些欧洲国家是根据重量来定义的，因为这个参数直接与发生碰撞时它们可能产生的损坏有关。其他限制条件定义为最低和最高高度、最大有效载荷、待测区域、地面军事系统-车辆连接（即视觉或无线电）等。地面军事系统对飞行员的间接控制可能会导致由于人为错误而导致事故增加。因此，在一些国家，无人机操作员需要一些培训和资格。

表2 几个国家对无人机使用的规定

不管怎样，在过去的几个月里，欧洲共同体已经宣布了三个不同的“Roadmaps”的开始，它们涉及无人机的研发、补充措施和安全条例。这项工作将在欧盟水平共同规则，以确定无人机在欧洲航空系统中的全面集成。这个过程收集了来自几个欧盟国家的许多利益相关者的贡献，包括几个步骤和可交付成果。无人机的飞行将根据飞行高度和地面军事系统控制平台所采用的策略（即视线、无线电视线等）分为不同的类别，以定义不同的规则和技术规定。

“Roadmaps”于2013年开始，将于2028年完成。有关更多信息，请参阅(http:// ec.europa.eu/enterprise/sectors/aerospace/uas/).

图2无人机图像典型采集处理管道

飞行计划和图像采集

飞行和数据采集的任务通常在实验室中使用专用软件进行规划，从感兴趣的区域、所需的地面采样距离（GSD）或足迹以及机载数码相机的固有参数开始。为了得到任务飞行高度，通常需要固定所需的图像比例和所用的相机焦距。计算摄像机透视中心（“航路点”）以固定条带的纵向和横向重叠（例如，80-60%）。所有这些参数根据飞行目标的不同而不同；详细的3D模型生成任务通常要求高重叠和低空飞行来实现小的GSD，而用于紧急测量和管理的快速飞行则需要在几分钟内以较低的分辨率记录更大的区域。

根据任务规格、平台类型和环境条件，飞行器通常以手动、辅助或自主模式进行飞行。GNSS/INS导航设备通常用于自主飞行（起飞、导航和着陆）和引导图像采集。图像网络质量受执行飞行类型的强烈影响（图3）。在手动模式下，图像重叠和采集的几何图形通常非常不规则，而GNSS/INS设备和导航系统的存在可以指导和改进采集。导航系统通常称为自动驾驶仪，由硬件（通常是小型化的）和软件设备组成。自动驾驶仪允许根据计划执行飞行，并在任务期间与平台进行通信。

一些无人机平台的体积小，有效载荷减少，限制了高质量导航设备的运输，如与机载摄像机或激光雷达传感器相连的导航设备。最便宜的解决方案依赖于基于MEMS的惯性传感器，其重量非常轻，但据我们所知，其精度不足以直接进行地理参考（de Agostino等人2010年；Piras等人2010）。更先进和昂贵的传感器可能基于单/双频定位模式，或使用RTK将提高定位质量到分米级，但它们仍然过于昂贵，无法普遍用于低成本解决方案。在飞行过程中，自主平台通常由地面军事系统进行观测，地面军事系统显示实时飞行数据，如位置、速度、姿态和距离、全球导航卫星系统观测、电池或燃料状态、转子速度等。相反，遥控系统由地面站的操作员驾驶。大多数系统都允许图像显示。数据采集遵循计算的路径点，而低成本系统以预定的时间间隔采集图像。使用的设备（平台、自动驾驶仪和地面军事系统）是最终结果质量和可靠性的基础；低成本的仪器可以满足小范围的延伸和低空飞行，而更昂贵的设备必须用于大

资料编号：[3789]