论文专区┃海岸地形无人机测绘系统选型分析

【编者按：根据海洋测绘的技术要求和特点，论述无人机测绘技术的发展及其性能指标，分析无人机航摄作业的主要难点和要求，提出海岸地形无人机测绘系统选型条件，并针对国内典型的无人机测绘系统进行选型分析，得出明确结论，为海洋测绘无人机测绘系统建设提供支撑。发表在《海洋测绘》2014年第3期上，无人机用于基础测绘、国土调查、应急保障等领域，当前在测绘单位非常普遍，有些单位则刚刚起步，本文正好给有此需求的测绘单位提供了技术指导，请朋友们阅读分享与推广传播。滕惠忠，1963年出生，男，吉林长春人，高级工程师，硕士，主要从事海洋遥感与摄影测量研究。】

文/滕惠忠 辛宪会 于波 李海滨 郭忠磊 闸旋

一、引言

世界上无人机技术发展经历了上百年的历史，分三个阶段：无人靶机、无人侦察机/监视机、多用途无人机。无人机种类繁多、型号各异，基本型号300多个，按无人机起飞重量可以划分为大、中、小三种型号，即大于500kg、200～500kg、小于200kg。随着航空技术、数控技术和计算机技术的迅速发展以及各种新型传感器的不断面世，无人机的应用范围和应用领域迅速拓展。长航时无人机和专用无人机成为当前无人机研究的热点。我国无人机技术研究和发展历时40余年，类型已达数十种之多，续航时间从一个小时延长到几十个小时，任务载荷从几千克到几百千克，为搭载多种传感器和执行多样化任务创造了有利条件。无人机在测绘领域的应用非常成熟，各省市测绘部门装备了200多套无人机测绘系统，作为传统航空摄影测量的补充，担负1:1000～1:5000等大比例尺地形图测绘任务，广泛应用于基础测绘、国土调查、应急保障等领域。无人机测绘系统机动灵活、高效便捷和作业成本低的特点对海洋测绘部门实现海岸带、海岛礁地形自主按需测绘具有重要意义。

海岸地形测绘是海洋测绘的重要内容，按照《海道测量规范》要求，需定期测绘或修测18000km长的大陆海岸线和14000km长的岛礁海岸线。如此巨大的工作量，无论采用常规海岸地形测绘技术，还是航空摄影测量技术，都无法实现全覆盖、全要素测绘的要求，因此，海洋测绘规定了海岸带有限的测绘范围和重点测绘要素，突出重点区域和变化区域测绘，保障海图编绘需求，以此满足《海道测量规范》要求，提高海图现势性。由于待测区域往往面积较小、分布零散、外业条件艰苦，而且海岸带蜿蜒曲折，海岛礁登岛困难，在技术上给海岸地形测绘平添了更大的难度。无人机测绘系统利用航空摄影测量的技术优势，结合其结构简单、体积小、重量轻、机动性好、成本低，适用于小范围地域测绘的特点，实现海岸带、海岛礁地形高效、快速测绘目的，为海洋测绘提供了新技术和新设备。

国内传统的无人机不是专门为摄影测量目的设计的，同样，通用航空摄影测量设备，如传感器、导航仪等也不是专门为无人机设计的，而海岸地形测绘无论是对无人机还是对传感器，都提出了特殊的要求。目前，国内与海洋测绘需求相匹配的无人机测绘系统尚属空白，迫切需要构建专业、适用的无人机测绘系统，所以，海岸地形无人机测绘系统选型分析非常必要。

二、国内无人机测绘技术

近20年来，国内无人机在测绘领域的应用有了跨越式的发展，2010年，国家测绘地理信息局颁布政策，明确要求并积极鼓励全国各省(市、区)推广应用无人机测绘系统，并推荐了ZC系列、LT系列和中遥系列等实用性较强的系统。全国无人机测绘任务累计飞行超过3000架次，获取影像超过200万余张，特别是在特殊区域测绘以及玉树地震、舟曲特大泥石流等重大自然灾害应急测绘保障中发挥了关键作用。

无人机测绘系统以获取高分辨率空间数据为应用目标，通过3S技术和专业数据处理软件，达到空间数据快速处理和地形图产品制作能力。目前国内无人机测绘系统以小型机和微型机为主，具有运行成本低、执行任务灵活性高等优点，作为通用航空摄影测量系统的补充，逐渐成为空间数据获取的重要工具。无人机测绘系统普遍采用非专业的Cannon5D MarkII和Nikon D800等数码相机，突出了经济、实用的特点，但增加了数据处理的难度。

无人机测绘系统由机体、发动机、航电系统(含飞控系统与数据链路等)、起降系统、任务载荷、地面监控站和数据处理软件等组成，它对无人机平台的定位定姿性能、自主控制能力要求较高。本文针对LT-150、ZC-7和中遥II三型无人机测绘系统的技术参数进行了调研分析，见表1。

三、无人机测绘系统选型标准和要求

海岸带是既受海洋影响，又受陆地影响的海陆转换地带。由于海陆双重影响的时间、范围、程度和作用方式等的差别，造成海岸地理环境动态多变、地貌特征反差较大，海岸地形测绘的要求和标准有自身特点。

⒈ 海岸地形测绘要求

根据《海道测量规范》，实测海岸地形范围为海岸线以上向陆地测进100m的条带区域，岸线以上其余部分由相应比例尺的地形图转绘。测量要素包括：海岸线、干出滩、明礁、岛屿；码头、海堤、渔堰、灯塔、航标；各种显著的塔、房屋、独立树、孤立石；水上建筑、区域界限标志；道路、河流、居民地、植被等。测量精度要求：航行目标的平面精度为图上0.4mm，明显地物及海岸线拐点的平面精度为图上0.6mm；高程注记点和干出高度点的高程中误差为0.2m。由此分析：

⑴按1∶2000测图比例尺计算，海洋测绘对具有导航意义的突出地物目标要求，平面测量精度为0.8m，一般地物目标的平面测量精度为1.2m，基本与航空摄影测量规范要求一致；

⑵高程注记点的测量精度为0.2m，明显高于航空摄影测量规范要求，而且针对滩涂、明礁、航标等特殊地物，目前条件下航空摄影测量技术很难满足应用要求；

⑶海岸线、干出滩、明礁、海堤、渔堰、灯塔、航标等重点要素的判读、识别及其属性信息提取要求较高，对航摄获取影像的时机、分辨率、质量等有更高要求。

⒉ 设备选型要求

海岸地形无人机测绘系统选型的主要目的是担负我国海岸带、近岸海岛礁等小范围大比例尺地形测绘任务，快速获取海岸地形变化信息，为海图数据更新及重大应急测绘保障任务提供必要的地理信息，提升海洋测绘保障能力，因此要求无人机测绘系统突出以下特点和要求，切实满足海洋测绘生产作业需求。

⑴机动性。受海洋潮汐影响，海岸带干出滩大小动态变化，高潮时被水淹没，低潮时露出水面，个别区域相差达到几千米。为选择最低潮时航摄作业，一天中理想的作业时间只有2h，同时兼顾光照条件，即太阳高度角、水面反射强度等众多因素，每天适宜的航摄时间更短，因此对无人机测绘系统的便捷性、机动性和作业效率提出了更高要求。

⑵抗风能力。由于海陆温差效应，造成海岸带风力普遍较强，渤海、黄海平均风速为6～7m/s，东海平均风速为9～10m/s，南海季风较弱，但台风较多，因此要求海上作业的无人机具备更强的抗风能力。

⑶离散岛礁测绘能力。离散岛礁分布杂乱、登岛困难，造成摄影测量布控、测量和调绘难度增大，甚至影响空中三角测量的精度。如果无人机加载双频GPS、三轴云台等定位、测姿设备，会降低对像控的需求，减少登岛测量的工作量。

⑷任务载荷防水设计。在海陆交接地带作业，必须考虑无人机落水的意外情况。要求传感器防水设计；无人机材料比重小、能浮于水面；一旦落水，立即启动应答设备，以便海上搜寻。

⑸起降场地要求。海岸带不比内陆，滩涂、陡崖、丛草是其地理特点，很难找到理想的无人机起降场地，因此要求无人机起降模式多样、环境要求宽松。

⑹数据后处理软件功能要求。通用航摄系统无论是飞行平台还是航摄仪都有统一、明确的标准和指标，获取的航摄数据规范、可靠，而无人机测绘系统平台种类杂、性能差别大，相机不标准、数据质量差，特别是结合海岸带、海岛礁地理特点的空三处理技术、与海图标准兼容的信息形式和数据格式等，都需要创新研究和专业设计，因此要求无人机数据后处理软件具有更高的适应性和二次开发能力。

⒊ 选型要素

综合无人机测绘系统的特点和海岸地形测绘要求，该系统选型要素主要包括以下几个方面。

⑴无人机飞行安全性

海岸带多为人口密集、经济发达地区，城镇毗连、交通发达、重要设施多，对无人机飞行安全提出了更高的要求。无人机飞行安全性除了发动机性能外，主要考虑伞降功能设置、机体材料、油箱设计、对通用航空干扰情况和抗环境干扰能力。飞行模式和精度符合无人机航空摄影技术规范要求。

⑵海岸地形测绘精度

能够获取0.05～0.2m分辨率的航空影像，影像几何性质、辐射性质以及航空摄影重叠度、倾斜角等属性，满足1:1000～1:5000比例尺地形图测绘要求。成果形式、质量、格式等符合地形图规范要求，以便与海图编绘系统兼容。

⑶环境适应性

系统对工作环境的适应性，包括平台稳定性设计、相机安装方式、云台结构设计、飞控系统稳定性等，以提高抗风能力、离岸自控能力。同时，基于海岸带地理特点，无人机起降能力和转场运输能力，也是系统环境适应性的重要因素。

⑷关键组件性能指标

无人机测绘系统关键组件包括：无人机机体、发动机、飞控系统、数码相机、起降设备、双频GPS 等组件的性能指标，决定系统的先进性和可靠性。

⑸技术指标

无人机测绘系统的主要技术指标：续航能力、测控距离、有效航高、作业航速、相机参数、定位/ 定姿能力、起降方式和抗风能力等指标满足海洋环境特点。

⑹可维护性与技术支持

系统的自主生产能力和配件保障条件，以及改造升级能力、相机检校能力、技术服务效率等。作业人员培训资质、条件和能力。

⑺应用成熟度和市场占有率

软件和硬件的完整性和系统性在航空摄影测量领域应用的情况，年度完成航摄任务量，已经完成航摄任务量，以及用户评价。

⑻风险评估和使用寿命

根据国内应用情况，效益和成果比例，造成危害和事故评估，使用寿命分析。

⑼生产厂家的相关资质

为保证技术设备的标准化、可靠性、专业性以及后继产品的延续性，主要从测绘资质、国军标质量管理体系、军工保密以及技术专利等方面综合检验生产厂家的资质。

无人机属于航空器，具有高使用风险。不规范使用无人机会危及国家公共安全，可能造成人身伤害，以及较大的经济损失。因此无人机选型要素中安全性因素和技术服务保障因素尤为重要，需要高度重视无人机航摄安全作业，规避无人机应用风险。

⒋ 选型分析

针对国内测绘生产应用成熟度较高的LT-150型、ZC-7型和中遥II 型三种型号无人机测绘系统，组织了海岛地形测绘应用试验，进行选型要素综合比较，初步评价见表2。

四、结束语

根据国内典型无人机测绘系统选型要素分析，结合海岛地形测绘应用试验，可得出如下初步结论：LT-150 型、ZC-7型和中遥II型三种型号的无人机测绘系统，总体上代表了国内当前无人机测绘技术的发展水平，其主要性能指标基本满足海岸地形测绘技术要求，可以作为海洋测绘无人机测绘系统设备建设的基础，应用于海岸地形测绘。因此，作为海洋测绘预选设备，三型无人机测绘系统是可行、可靠的。

国内无人机测绘技术的发展是先有无人机技术，然后才发展了测绘应用。随着无人机技术的快速发展，无人机生产简单化，使根据测绘需求而定制无人机成为可能，以此提高系统的专业性能和集成度。就无人机平台而言，无人机测绘系统会向两个截然相反的方向发展：(1)大平台方向。参照通用航空摄影测量技术发展大型的无人机测绘系统，集成专业的航摄仪、LiDAR、POS等测量设备，逐步取代通用航空摄影测量。(2)微型平台方向。集成小型的、非专业的遥感器，如相机、LiDAR、GPS等遥感设备，微型平台大小似方向盘，突出便携机动、简单经济的特点，广泛用于应急保障和机动测量。就系统功能而言，无人机测绘系统的发展方向：一是长航时无人机，续航时间在10h以上，满足大范围作业和远距离岛礁测绘要求；二是无人直升机，用于精细测绘和变化监测，保障凝视和舰载应用需求，拓展无人机应用领域；三是智能化无人机，将航摄作业模式融入无人机智能化设计，每次只需要输入几个主要参数即可自主完成航摄作业流程；四是无人机数据处理软件的自适应水平更高，目前无人机为非常规航摄，影像数量多、质量差别大，后续处理繁杂、困难，离不开人工干预。因此，需要针对无人机航片特点提高自适应处理水平，实现全自动化预处理、空中三角测量、DEM集、DOM制作等，提高作业效率。