1. 引言
无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)是一种机上无人驾驶的航空器，其具有动力装置和导航模块，在一定范围内靠无线电遥控设备或计算机预编程序自主控制飞行 [1] 。无人机最早于1917年登上历史舞台，最初只服务于军事领域，伴随着航空遥感技术的发展和智能芯片的小型化，相机、雷达等遥感设备在无人机上搭载，无人机作为一项技术手段逐渐应用于各领域，从战场的侦察监视到农业的检测监控，从灾难的预测与预防到交通巡逻与巡视，无人机都发挥起了重要的作用 [2] [3] [4] 。
我国的无人机研制开始于二十世纪五十年代后期 [5] ，最初像国外一样研制是为应用于军事的靶机，目前我国的无人机研发制造体系已经走向成熟，性能指标不断提升，无人机在各方面的应用也日益广泛。在民用方面，利用无人机进行航拍摄影、对农业生产进行监控、利用无人机进行气象观测、根据无人机遥感数据制作地形图等 [6] 。在新冠疫情期间，警方使用无人机进行警务巡检、治安防控、物质运输、喷洒消毒和红外测温，无人机充分发挥了潜在价值 [7] 。在军事方面，可以当靶机进行军事训练，根据其限制少、隐蔽性好、效费比高等特点进行军事打击，也利用无人机测绘技术进行战场勘测。其低人员伤亡的优点，被各个国家广泛应用，在现代战争中的地位和作用日渐突出 [8] [9] 。
数字正射影像(digital orthophoto map, DOM)是具有正射投影性质的遥感影像 [10] 。DOM具有信息量丰富，直观性强的优点，并且数据结构简单，有良好的判读与量测性能及具有生产、更新周期短与低成本高效率的优势 [11] 。数字地表模型(digital surface model, DSM)是构建地形表面空间位置与其相关属性信息的数字化表示，它是对地形表面在地形采样数据基础上的表面重构。它可应用在城市规划、地形勘察、路径选取、灾害预测等各个方面 [12] [13] 。传统用于制作DOM和DSM数据来源有人工外业测量、航空摄影测量、遥感影像等，这些方法分别存在着耗时长、成本高、精度低等缺点，在战时或遭受自然灾害等紧急情况下，如何快速获取高精度的地理信息数据是亟需解决的问题，无人机测绘很可能是解决这一问题的有效途径。
本研究基于大疆四旋翼无人机，使用Altizure软件进行航线规划，在位于大连市西岗区的付家庄公园附近开展航测作业，获取航测影像共576幅，之后使用Pix4Dmapper和ArcGIS for Desktop软件对照片进行内业处理，使用Google Earth的高程数据进行交叉验证，实现免像控快速绘制该地区的DOM和DSM，探究在紧急情况下地理信息数据的快速获取及制图方法。
2. 数据源与方法
本研究选择的研究区大连付家庄公园附近海岸区域(图1)，是大连市内著名的旅游区，测区整体呈东西走向的矩形，该区域沙滩宽度大、坡度低、沙质细腻，海水清澈透明，风浪小，地理条件十分优越，区域地形东西两侧为丘陵海岸，中部区域为开阔的海滩地带，海部和陆地要素具备，海部包括海洋、水下岸坡和礁石等要素；陆部包括森林、海滩、公园设施区、居民区、道路等要素。海部与陆部的分界线清晰可见，便于人工识别，且该区域无重要军事保密目标，无少数民族同胞居住。该区域距离大连周水子国际机场小于20 km，属于限飞区，在进行120 m以下无人机作业时无需办理特别手续。综上，该区域满足本研究的整体条件，因此将区域选为本研究的研究区。
Figure 1. Schematic diagram of research area
图1. 研究区示意图
本研究所采用的无人机为深圳市大疆创新科技有限公司(SZ DJI Technology Co., Ltd.)生产的大疆Mavic 2 Zoom，该无人机发布于2018年8月23日，为民用消费级无人机。起飞重量905 g，尺寸为214 × 91× 84 mm (折叠)，322 × 242 × 84 mm (展开)。根据中国民用航空局关于无人机的分类，该无人机属轻型无人机。无人机的动力来源为锂电池供电，在无风环境下测得一个架次飞行最大飞行时间为31分钟(25 km/h匀速飞行)，最大续航里程为18 km (50 km/h匀速飞行)，最大抗风能力为5级。无人机飞行的控制方式为使用Altizure航摄软件来设定计划航线，并通过遥控器连接手机来控制飞行。同时，Altizure航摄软件还可支持在飞行中对飞行速度与高度进行实时调整。在对实验的航线规划设计时需要充分考虑测区的地形条件，再根据成图精度要求来确定飞行高度、航向重叠度、旁向重叠度等参数，本次实验由于测区面积较大，单架次飞行航拍作业，以确保飞行作业的安全稳定。为满足数据精度需求，将航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为80%，以保证不同幅航拍照片能准确地进行镶嵌。飞行相对高度为80 m，倾斜角为90˚，镜头垂直向下。本研究进行数据采样时所采用的飞行航线如图2所示。无人机所搭载的光学相机在24 mm焦段下的视场角为83˚，单张照片的最大尺寸为4000 × 3000像素，根据计算可得到单个像元的分辨率为0.028 m。
Pix4Dmapper是瑞士Pix4D公司生产的全自动快速无人机数据处理软件，是目前市场上独一无二的集全自动、快速、专业精度为一体的无人机数据和航空影像处理软件。研究使用Pix4Dmapper对影像进行处理，后续使用ArcGIS for Desktop软件对成图进行修饰加工。
3. 数据处理与分析
对航拍影像进行处理后得到，覆盖地表总面积约为0.17 km2，576幅影像中有526幅进行过校准，可用于DOM和DSM制图。经过对相机参数进行校正后，初始和优化的内部相机参数之间的相对差异为4.29%，每张校准图像中的匹配特征点中位数为4473个，对于一个区域的影像而言，具有的特征点数量越多，则生成的成果质量越高，具体的2D特征点信息见表1。
在研究区内选取10个具有明显地物特点的点位作为控制点，采用该地区的Google Earth高精度无偏移影像的方式来对进行无人机测绘所得DOM纠偏，之后对比通过两种数据源所得到的高程(表2)。
Table 2. Elevation obtained from UAV mapping and Google Earth
表2. 无人机测绘与Google Earth所得高程
通过无人机测绘所得到的大比例尺DOM (1:1000)见图3，DSM (1:500)见图4，对两种方法得到的高程进行皮尔森相关性分析，得出到拟合优度R2为0.953，两者呈现极强的正相关。在后续添加地面控制点进行纠正的情况下，可以得到更为准确的DSM。
Figure 3. Digital orthophoto map (1:1000)
图3. 数字正射影像(1:1000)
Figure 4. Digital surface model (1:500)
图4. 数字地表模型(1:500)
通过下载常见的DOM数据源Google Earth和Landsat 8 OLI_TIRS卫星影像数据来制作DOM，与无人机测绘制作DOM进行对比(图5)。不难发现，无人机DOM分辨率最高，对部分区域进行放大，各种地物地貌仍然清晰可见(图3)，Google Earth的影像数据只能模糊的看见地物的大致轮廓，而Landsat 8 OLI_TIRS卫星影像数据则是一个个像素，对于具体的地物几乎无法辨认。由此可见无人机制的DOM精度最高，可以用作大比例尺制图。
Figure 5. DOM based on different data sources
图5. 基于不同数据源制作的DOM
4. 结论
本文通过对成果的精度和误差分析，证明了采用无人机方法具有高分辨率、周期短、效率高等优点，能够制作出符合要求的大比例尺DOM和DSM，可用于特殊情形下紧急制图，在时间紧迫的情况下快速出图。在对小区域进行测量制图任务时，传统的人工方法进行地面测绘数据采集方法成图，作业量大且耗时长；大飞机航空摄影测量成本高，受天气和空域管理的限制较多；卫星遥感影像分辨率低、重复周期长。而将无人机遥感系统进行工程化、实用化开发，则可以利用它机动、快速、经济等优势，在阴天、轻雾天也能获取精度合格的影像，从而将大量节省野外工作的时间，既能减轻劳动强度，又能提高作业的效率和精度。在军事领域，用无人机测绘技术进行情报侦察，测绘海洋、透明战场，能及时有效地保障战场环境，给指挥官一份有力的信息保障，是打胜仗的第一步，无人机正逐渐成为测绘部门的新宠儿，随着更多地方及军队测绘部门、地理信息单位的引进和使用，无人机测绘将成为今后基础地理信息数据获取的“新途径”。
基金项目
国家自然科学基金(42071439)：滚动球变换的高保真TIN_DDM构建及多尺度表达。
NOTES
*通讯作者。