段朋輝

（河南大學(xué)黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)實驗室，河南 開封475004）

無人機(jī)航攝系統(tǒng)是利用先進(jìn)的無人機(jī)技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，自動化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)［1］。近些年，電子技術(shù)飛速發(fā)展，輕型無人機(jī)突破了眾多技術(shù)問題，比如飛控導(dǎo)航、航片質(zhì)量提升、續(xù)航時間增加等，成為應(yīng)用越來越廣泛的新型測繪手段，也得到了市場的普遍認(rèn)可。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來測繪地理信息行業(yè)在伴隨著國家經(jīng)濟(jì)社會大發(fā)展的同時面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著國家遙感、測繪技術(shù)的大力推動，無人機(jī)作為一種新型的遙感平臺，目前逐漸在國家基礎(chǔ)測繪、國土資源調(diào)查、礦產(chǎn)資源開發(fā)、水利資源利用、農(nóng)作物監(jiān)測、城市規(guī)劃、土地利用調(diào)查、海洋環(huán)境監(jiān)測、公共安全、數(shù)字城市建設(shè)、國防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，提供了便捷高效的空間數(shù)據(jù)的獲取手段。

2 彈射式無人機(jī)航攝系統(tǒng)的組成

彈射式無人機(jī)航攝系統(tǒng)包括無人機(jī)機(jī)體、酬載裝置、機(jī)載飛控裝置、地面電腦端監(jiān)控站、彈射裝置以及地面運輸保障系統(tǒng)。無人機(jī)機(jī)體包括機(jī)身以及動力和通訊裝置。酬載是經(jīng)過檢校，可以執(zhí)行航拍任務(wù)的數(shù)碼相機(jī)。飛行控制系統(tǒng)由機(jī)載GPS、存儲POS數(shù)據(jù)以及航片的內(nèi)存卡、導(dǎo)航系統(tǒng)以及傳感器等部件組成。地面電腦端監(jiān)控站包括工作臺、電腦硬件、監(jiān)控軟件、導(dǎo)控站和操作手柄等。彈射系統(tǒng)包括飛機(jī)彈射起飛所需的彈射架以及彈射繩裝置，地面保障系統(tǒng)主要由運輸車和后勤安全保障車組成。

3 無人機(jī)航攝系統(tǒng)的優(yōu)勢

3.1 獲取的數(shù)據(jù)時效性強(qiáng)

低空無人機(jī)航攝遙感技術(shù)擁有快速、高效的反饋信息的能力，這些在傳統(tǒng)的測繪技術(shù)中是無法實現(xiàn)的。對于山體滑坡、洪水泛濫、森林救火、海上污染等自然災(zāi)害的發(fā)生，由于時間緊、任務(wù)急、情況特殊，利用傳統(tǒng)的遙感測繪手段獲取災(zāi)區(qū)實時影像資料用于災(zāi)情分析和救援工作的開展就顯得時效性不夠。在突發(fā)事件發(fā)生后，無人機(jī)可以快速響應(yīng)，對自然條件復(fù)雜，人力無法到達(dá)的區(qū)域執(zhí)行航拍任務(wù)，獲取資料，作為有關(guān)部門救災(zāi)指揮的參考依據(jù)。

3.2 機(jī)動靈活性高

彈射式無人機(jī)對起降場地要求較低，而且安裝、調(diào)試、起飛作業(yè)快捷，得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。應(yīng)用無人機(jī)能夠在地形復(fù)雜、客觀起降條件差等困難地區(qū)快速獲取高精度影像數(shù)據(jù)和資料，提高了測繪應(yīng)急保障服務(wù)能力。

3.3 受天氣影響較小

無人機(jī)作業(yè)對天氣等條件要求較少。無人機(jī)是在云空下低空飛行，天氣不下雨且風(fēng)速小于4級均可執(zhí)行任務(wù)，還能對漏洞區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充航拍，與常規(guī)大飛機(jī)航攝相結(jié)合，能夠較好地減少天氣條件對于航攝的影響。

3.4 運行成本低

低空無人機(jī)既能夠像大飛機(jī)一樣執(zhí)行航測任務(wù)，而且獲取的數(shù)據(jù)有較高的價值。常規(guī)有人航空攝影測量作業(yè)飛行范圍大，需要較高的人力物力，帶來的是高成本。而無人機(jī)航攝作業(yè)程序簡單，所需人力物力較少，飛行成本相對大飛機(jī)來說較低。

4 彈射式低空無人機(jī)航攝的實踐過程

4.1 航攝設(shè)計

無人機(jī)航攝作業(yè)前，可以通過谷歌地球等了解攝區(qū)地形地貌，通過實地考察攝區(qū)周圍是否有機(jī)場或其他重要設(shè)施，分析評估飛行區(qū)域的安全系數(shù)，制訂詳細(xì)可行的航攝實施計劃。需要對地面分辨率、航線重疊度以及飛行高度等重要參數(shù)根據(jù)任務(wù)要求以及地形條件進(jìn)行設(shè)置。

表1 航攝比例尺與地面分辨率的關(guān)系

飛機(jī)的航高需要根據(jù)地面分辨率以及所使用相機(jī)的焦距來確定，公式如下：

公式（1）中，f為焦距，H為飛機(jī)的航高，d為像素值。此處的航高是相對高程值，指飛機(jī)相對于地面基準(zhǔn)面的高度。

用像幅邊長的百分?jǐn)?shù)來表示航片重疊度，計算表達(dá)式如下所示：

公式（2）、（3）中，Lx，Ly分別表示沿航線方向和垂直航線方向在地面上的長度；qx，qy分別表示航向重疊和旁向重疊度。

相對于平原地區(qū)來說，山地地形設(shè)計航線時最低地面分辨率和最高點重疊度也要考慮在內(nèi)，計算公式如下所示：

公式（4）、（5）中，

RL：測區(qū)最低地面分辨率

ER：基準(zhǔn)面高程值

EL：最低點高程值

HR：相對航高

d：象元大小

f：相機(jī)焦距

LH：最高點重疊度

LC：航向重疊度

EH：最高點高程值

4.2 無人機(jī)航攝實施

4.2.1 飛行前檢查

無人機(jī)由于其自身的局限性，作業(yè)時帶有一定的危險性，所以為了確保飛機(jī)能夠安全降落，在每次執(zhí)行飛行任務(wù)之前，按照制定的詳細(xì)的檢查表，在不同的準(zhǔn)備階段逐項對飛機(jī)各部件進(jìn)行檢查，對電路系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、無線電系統(tǒng)應(yīng)重點檢查，確保正常。根據(jù)現(xiàn)場的光照條件等對相機(jī)進(jìn)行調(diào)試，使相機(jī)的感光度和快門滿足要求。

4.2.2 影像獲取

航攝任務(wù)一般需要兩到三人配合完成。在完成飛機(jī)聯(lián)測以及彈射架的架設(shè)之后，確保飛機(jī)狀態(tài)正常，可以起飛。操控手利用手柄在無人機(jī)彈射起飛之后，遙控飛機(jī)爬升高度，爬升一定高度之后，地面監(jiān)控站人員可以切換至導(dǎo)引模式，此時無人機(jī)會自動盤旋爬升高度。當(dāng)無人機(jī)達(dá)到任務(wù)高度時，電腦端發(fā)出命令，無人機(jī)開始進(jìn)入攝區(qū)，執(zhí)行航拍任務(wù)。航拍任務(wù)結(jié)束，監(jiān)控站人員點擊歸航，飛機(jī)自動前往事先設(shè)定好的歸航點。在盤旋過程中，為了節(jié)約飛機(jī)能耗，操作手可以在飛機(jī)接近自己上空時切換由手柄操作，人工操作可以使飛機(jī)快速地降低高度。操作手按照逆風(fēng)的原則來調(diào)整飛機(jī)的降落航向，當(dāng)飛機(jī)盤旋至降落點高度，操控飛機(jī)至選定的降落場地，開傘降落。飛行控制過程中，操作手需要不斷詢問監(jiān)控站人員飛機(jī)在空中的飛行參數(shù)，例如飛機(jī)高度、風(fēng)速、電壓等，以便其做出正確判斷。

4.3 無人機(jī)影像質(zhì)量檢查

完成航攝任務(wù)后，要對相片的質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查指標(biāo)包括相片重疊度、航帶彎曲度、旋偏角等方面。人工選取同名點來計算重疊度和旋偏角，使用飛行控制數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)來檢查路線的曲率，飛行高差等參數(shù)，被存儲在相應(yīng)文件夾中的圖像上的名稱按照無人機(jī)曝光順序命名。相機(jī)參數(shù)主要包括相機(jī)焦距、鏡頭畸變、像元大小等也需要提交給內(nèi)業(yè)，可以保證內(nèi)外業(yè)連貫性。

5 彈射式無人機(jī)航攝實踐需要注意的若干問題

5.1固定翼無人機(jī)彈射起飛和傘降對場地要求相對較小，只需要有一塊比較空曠平整的場地。起飛降落場地周圍不能大功率無線電發(fā)射設(shè)備，否則會影響地面站與無人機(jī)之間的通信。

彈射式無人機(jī)應(yīng)該逆風(fēng)起飛，所以彈射架在有風(fēng)的情況下應(yīng)該朝向逆風(fēng)方向，有陡坡的地方要安置在陡坡邊上。如果有一定的高差，可以在彈射失敗的情況下給操作手預(yù)留空間來應(yīng)急開傘，從而減小對無人機(jī)的損害。降落場地一定要平坦開闊，降落點周圍200米內(nèi)沒有高大障礙物，以保證無人機(jī)降落安全。同起飛的原則一樣，降落也要求逆風(fēng)降落。

5.2無人機(jī)的相片質(zhì)量檢查時的要求為航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%；相鄰航線的像片旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%[2]?，F(xiàn)在市場上的無人機(jī)普遍重量較輕，在空中作業(yè)時很容易受風(fēng)的影響而偏離設(shè)定航線，偏離航線造成的后果就是出現(xiàn)航攝漏洞。同時，受風(fēng)的影響，無人機(jī)姿態(tài)不平穩(wěn)，翻滾出現(xiàn)異常就會導(dǎo)致旁向重疊度的忽大忽小。因此，在設(shè)計航線時，旁向重疊度一般設(shè)置在40%以上，航向重疊度在65%以上。

5.3由于飛機(jī)動力系統(tǒng)所采用的是大容量鋰電池，同時鋰電池在冬季使用效能會隨著氣溫的降低而降低。所以在外出執(zhí)行任務(wù)期間，一定要注意電池的保暖，不要使電池過早暴露在寒冷的空氣中使電池效能在飛行過程中迅速降低。另外就是室外溫度低于5℃的情況下要謹(jǐn)慎選擇飛行任務(wù)，一個架次的任務(wù)區(qū)域要適中，不能過大，要充分考慮電池受氣溫影響后的續(xù)航能力。

5.4在正常情況下，負(fù)重5KG的飛機(jī)起飛彈射力度需要40KG。在冬季作業(yè)時，由于彈射繩在寒冷的空氣中長期保持緊繃狀態(tài)會導(dǎo)致彈性降低，影響起飛。所以要選擇更多地彈射力度，保持在60～70KG，這樣可以避免飛機(jī)由于彈射繩彈性降低而出現(xiàn)彈射不成功的情況。

6 討論

目前國內(nèi)無人機(jī)航攝行業(yè)發(fā)展越來越快，技術(shù)也逐漸趨于成熟，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。但是，其自身仍然存在一些缺陷：

6.1航空攝影測量的成果質(zhì)量如何是取決于航片的質(zhì)量，航片質(zhì)量的提高需要有一個穩(wěn)定的平臺，而無人機(jī)體積小，重量輕，抗風(fēng)能力差，在低空作業(yè)很容易受天氣情況的影響。增加飛機(jī)的重量可以提高其抗風(fēng)能力，但是無人機(jī)不管采用電動還是油動方式，載重都很有限，所以在不增加飛機(jī)載重的情況下如何通過改進(jìn)設(shè)計和提高飛行控制技術(shù)來提高抗風(fēng)性能，保證飛行的穩(wěn)定性以及保證航片的高質(zhì)量，是無人機(jī)成為理想的遙感平臺亟須解決的問題[3]。

6.2一個行業(yè)的發(fā)展壯大必須有自己的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前的無人機(jī)航攝市場還不成熟，存在一些亂象，自身要增加技術(shù)投入，提高技術(shù)水平，同時也需要政府部門聯(lián)合企業(yè)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，治理亂象，有利于促進(jìn)無人機(jī)航攝行業(yè)的積極發(fā)展。

6.3相對于大飛機(jī)航空攝影測量來說，無人機(jī)體積小、載重輕，無法使用專業(yè)航空相機(jī)以及姿態(tài)記錄儀等輔助設(shè)備，導(dǎo)致航片的技術(shù)參數(shù)較少，后期內(nèi)業(yè)處理比較繁瑣，處理結(jié)果的精度離工程實際要求還有一定差距。

6.4無人機(jī)的續(xù)航時間一般較短，而起飛和降落過程又占用了較多的時間，縮短了航攝有效作業(yè)的時間。并且由于無人機(jī)起降場地對于凈空條件要求較高，限制了無人機(jī)在城市和山區(qū)執(zhí)行任務(wù)的可行性。

［1］李德仁，關(guān)澤群.空間信息系統(tǒng)的集成與實現(xiàn)［M］.武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，2002.

［2］何敬，李永樹，魯恒，等.無人機(jī)影像的質(zhì)量評定及幾何處理研究［J］.測繪通報，2010（4）：22-24.

［3］金偉，葛宏立，杜華強(qiáng)，等.無人機(jī)遙感發(fā)展與應(yīng)用概況［J］.遙感信息，2009（1）：88-92.