張守峰 單 丹 丁志敏

（嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興314001）

1 航拍技術(shù)概況

航拍又稱空中攝影或航空攝影，可以不受地面障礙物的遮擋，清晰地俯瞰并記錄拍攝對(duì)象及其所在地理環(huán)境的外部信息。近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，航拍、航測(cè)技術(shù)日趨成熟。以航拍技術(shù)為基礎(chǔ)的信息采集平臺(tái)在影視制作宣傳、國(guó)土資源管理、城市規(guī)劃勘測(cè)、環(huán)境保護(hù)和自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域,展現(xiàn)了其高效率采集影像信息等優(yōu)越性。

2 載人航拍與無(wú)人機(jī)航拍

航拍包括載人航拍和運(yùn)用遙感技術(shù)遠(yuǎn)程操控的無(wú)人機(jī)航拍，都是借助飛行器搭載拍攝器材升空，從不同高度、角度俯瞰拍攝地面物體的活動(dòng)，最大區(qū)別在于飛行員和攝影師是否搭乘在飛行器上。載人航拍的搭載平臺(tái)有運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī)、動(dòng)力傘、熱氣球、飛艇等，其優(yōu)點(diǎn)為續(xù)航能力強(qiáng)，拍攝高度較高等，但也有運(yùn)行成本高，機(jī)動(dòng)靈活性較差等缺點(diǎn)；而無(wú)人機(jī)航拍是指遙控飛行器和攝影器材的拍攝活動(dòng)。雖然受油、電等傳統(tǒng)能源動(dòng)力的局限，目前大部分民用無(wú)人機(jī)都存在續(xù)航時(shí)間較短的缺點(diǎn)，但是無(wú)人機(jī)航拍屬于飛行高度低于一千米航空管制高度的低空攝影，與衛(wèi)星航拍、載人航拍等高空攝影和地面攝影、測(cè)繪相比較，在某些方面還具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3 無(wú)人機(jī)低空攝影的比較優(yōu)勢(shì)

1）云下攝影，飛行器受天氣和地形影響較小，即使在陰天和輕霧天氣情況下也可以拍攝。

2）飛行高度較低，能夠獲取大比例尺、高分辨率的圖像數(shù)據(jù)，較好的顯示所拍攝物體輪廓、結(jié)構(gòu)。

3）飛行器采取高效快速的操作系統(tǒng)，機(jī)動(dòng)靈活，運(yùn)行方便，拍攝或測(cè)量運(yùn)行周期短。

4）設(shè)備組裝及攜帶簡(jiǎn)便，人工成本較低；飛行安全系數(shù)相對(duì)較高，更靈活機(jī)動(dòng)。對(duì)文物建筑非接觸的攝影測(cè)繪，既不會(huì)破壞建筑本身，也降低了外業(yè)強(qiáng)度[1]。而且隨著拍攝器材和測(cè)量?jī)x器等的發(fā)展進(jìn)步，航測(cè)數(shù)據(jù)可以更方便、高效地滿足古建筑測(cè)繪等需求。

4 兩種常用無(wú)人機(jī)航拍性能比較

目前民用航拍無(wú)人機(jī)主要分為固定翼與旋翼機(jī)兩大類，而旋翼機(jī)又主要分為傳統(tǒng)直升機(jī)和多旋翼飛行器，二者飛行原理大致相同，但近年來(lái)多旋翼飛行器迅速發(fā)展?jié)u成主流。

4.1 旋翼機(jī)

多旋翼飛行器又稱多軸飛行器，屬于旋翼式無(wú)人機(jī)的一種，其自重較輕但強(qiáng)度高。[2]與傳統(tǒng)直升機(jī)相對(duì)復(fù)雜的主體及傳動(dòng)裝置相比較，多軸飛行器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，沒(méi)有傳動(dòng)裝置。

4.1.1 結(jié)構(gòu)組成

目前，多軸航拍飛行器主要由動(dòng)力載機(jī)、云臺(tái)、拍攝器材、遙控器及圖像傳輸系統(tǒng)組成。

動(dòng)力載機(jī)——即多旋翼飛行器本體，主要由電機(jī)、電子調(diào)速器、飛行控制系統(tǒng)、機(jī)架及動(dòng)力鋰電池組成。

云臺(tái)——拍攝器材的穩(wěn)定器，其作用在于使拍攝器材在飛行過(guò)程中保持水平穩(wěn)定，避免飛行器在飛行過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)和晃動(dòng)對(duì)拍攝的不良影響，保障穩(wěn)定的拍攝效果。

拍攝器材——拍攝器材種類很多，可以是相機(jī)，也可以是專業(yè)的攝像機(jī)等。目前最為流行微型拍攝器材非GOPRO莫屬，主要因?yàn)槠渚哂畜w積小巧，畫質(zhì)清晰等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于載重量較小的飛行器，它的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯；但如果對(duì)拍攝畫質(zhì)有更高的要求，可能就需要佳能、索尼等更為專業(yè)的品牌拍攝器材了。

遙控——是運(yùn)用遙感技術(shù)對(duì)飛行器的飛行軌跡和姿態(tài)遠(yuǎn)程控制，起到變換拍攝視角、調(diào)整視頻構(gòu)圖的作用。

圖像傳輸系統(tǒng)——主要包括圖像發(fā)射、接收和地面顯示器，可將飛行器拍攝的畫面實(shí)時(shí)地傳回地面，以便操控者對(duì)飛行器實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整拍攝軌跡、飛行器姿態(tài)。

4.1.2 飛行原理

多軸無(wú)人機(jī)的飛行原理在于通過(guò)遙控系統(tǒng)給飛行器發(fā)出指令，由飛行器上搭載的接收器接收后傳送給中央控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)，再將這些信號(hào)傳送給電子調(diào)速器，從而調(diào)節(jié)多個(gè)動(dòng)力輸出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以改變旋翼所產(chǎn)生的扭矩和升力，達(dá)到穩(wěn)定機(jī)身和控制飛行方向的目的。除了手動(dòng)發(fā)出指令操控飛行器之外，飛行器還可以通過(guò)飛行控制系統(tǒng)內(nèi)自帶定位系統(tǒng)自主飛行，通過(guò)GPS、高度儀、航向傳感器等精密設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主起降，改變飛行高度和飛行路線[3]。

4.1.3 主要特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域

多軸飛行器最主要的特點(diǎn)在于垂直起降，可懸停，飛行靈活。在視頻、照片拍攝方面，多軸飛行器可在低空環(huán)境下靈活控制，拍攝角度多變，并能夠做到精確懸停，定位拍攝，結(jié)合參照物定位和遠(yuǎn)近景物對(duì)比等手法，拍攝效果將達(dá)到最佳。而且，飛行器本身的優(yōu)勢(shì)在于受天氣影響較小，通過(guò)調(diào)整拍攝器材的光圈和感光度，或后期軟件調(diào)整光線和消霧處理，即使在陰天或輕霧天也能達(dá)到良好的拍攝效果。顯然，多軸飛行器對(duì)復(fù)雜的地理環(huán)境、天氣有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

多軸飛行器的發(fā)展趨勢(shì)是更加智能化和載重量越來(lái)越大，作為良好的空中搭載平臺(tái)，更多應(yīng)用于救災(zāi)、農(nóng)業(yè)播種、工程測(cè)繪等領(lǐng)域。

4.2 固定翼飛行器

4.2.1 結(jié)構(gòu)組成

固定翼航拍無(wú)人機(jī)主要由動(dòng)力載機(jī)、云臺(tái)、拍攝器材和圖像傳輸系統(tǒng)組成。

固定翼無(wú)人機(jī)的動(dòng)力載機(jī)包括機(jī)身、電機(jī)、電子調(diào)速器、舵機(jī)、電池、飛行控制系統(tǒng)。而云臺(tái)、拍攝器材以及圖像傳輸系統(tǒng)的組成與功用與多軸飛行器大致相同，不同的是由于民用固定翼無(wú)人機(jī)載重量有限，目前只能搭載如GOPRO、卡片機(jī)之類體積小、質(zhì)量輕的拍攝器材；另外，由于固定翼無(wú)人機(jī)可以滑翔飛行，航程比旋翼機(jī)大大增加。相應(yīng)地，固定翼需要支持更遠(yuǎn)距離的圖像傳輸系統(tǒng)。

4.2.2 飛行原理、主要特點(diǎn)與適用范圍

目前，固定翼航拍除了一些專業(yè)的航測(cè)隊(duì)伍運(yùn)用無(wú)人機(jī)搭載專門研制的拍攝器材測(cè)量和拍照，民用固定翼航拍無(wú)人機(jī)FPV（FIRST PERSONAL VIEW）——第一視角飛行占絕大多數(shù)，其航拍也是在第一視角飛行的同時(shí)起到記錄作用，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是：

1）飛行時(shí)機(jī)身晃動(dòng)幅度較大，與之配套的云臺(tái)調(diào)節(jié)能力有限，導(dǎo)致鏡頭在飛行過(guò)程中除了滑翔時(shí)較為穩(wěn)定，機(jī)動(dòng)飛行時(shí)晃動(dòng)較為明顯，可用的視頻素材較少。

2）載重量有限，對(duì)拍攝器材限制較大。

3）無(wú)法懸停，只能掠過(guò)式拍攝，復(fù)雜的拍攝構(gòu)圖是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的——固定翼能實(shí)現(xiàn)的拍攝角度，多軸飛行器都是可以完成的，但反之則未必可行。

5 結(jié)語(yǔ)

從視頻拍攝的穩(wěn)定性和畫面質(zhì)量等要求出發(fā)，選擇多軸無(wú)人機(jī)小范圍、短距離地航拍古建筑、村鎮(zhèn)民居聚落等漸成主流。但其續(xù)航能力只有幾分鐘至多二、三十分鐘，而可以無(wú)動(dòng)力滑翔的固定翼飛行器續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)，飛行距離遠(yuǎn)至近百公里，二者比較相差懸殊,顯然固定翼無(wú)人機(jī)更適用于大范圍、遠(yuǎn)距離的城市景觀、山區(qū)公路的航拍、航測(cè)以及災(zāi)情監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

［1］李嚴(yán)，李哲，張玉坤.建筑攝影測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用案例[J].新建筑，2010,05：130-135.

［2］田衛(wèi)軍,李郁,何扣芳,劉恒,殷銳.四軸旋翼飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模態(tài)分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2014,04：37-39.

［3］江斌,孫志鋒.四旋翼飛行器自主航行的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2012,02：10-12.