劉業(yè)林　易南洲

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院　　長(zhǎng)沙市　410007）

洞庭湖區(qū)重要一般垸治理工程中的無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)

劉業(yè)林易南洲

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院長(zhǎng)沙市410007）

文章通過(guò)洞庭湖區(qū)水利工程實(shí)踐，討論了無(wú)人機(jī)航攝參數(shù)計(jì)算、航線設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵問(wèn)題，總結(jié)了無(wú)人機(jī)在水利工程應(yīng)用中航空攝影的一般方法。

無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)航攝參數(shù)計(jì)算

1 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

無(wú)人駕駛飛行器（UnmannedAerialVehicle）簡(jiǎn)稱為無(wú)人機(jī)（UAV），是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛、可重復(fù)使用的航空器，具有無(wú)線電遙控或半自主、自主三種飛行控制方式［1］。無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)是以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，搭載影像傳感器為任務(wù)設(shè)備，進(jìn)行航空攝影作業(yè)的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。其系統(tǒng)基本構(gòu)成：飛行平臺(tái)、飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)（飛控系統(tǒng)）、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、地面保障設(shè)備、傳感器?，F(xiàn)階段無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)影像傳感器，主要是數(shù)碼相機(jī)、多拼CCD相機(jī)，少數(shù)為多波段傳感器。

無(wú)人機(jī)具有體積小、重量輕、成本低、機(jī)動(dòng)性好、飛行時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，空中飛行操作全過(guò)程在電子設(shè)備自動(dòng)控制下進(jìn)行，如今無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)已經(jīng)成為傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量手段的有力補(bǔ)充，其獲得高分辨率影像數(shù)據(jù)可應(yīng)用于多種領(lǐng)域，在小范圍和飛行困難地區(qū)（傳統(tǒng)航攝平臺(tái)）高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢(shì)［2］。

2 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的應(yīng)用

2015年湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院引進(jìn)某公司DM150型測(cè)繪無(wú)人機(jī)，成功地應(yīng)用于洞庭湖區(qū)重要一般垸整治工程中，快速獲取了洞庭湖區(qū)相應(yīng)工程堤垸的高分辨率影像，并以此完成像控測(cè)量后用于數(shù)字線畫圖（DLG）生產(chǎn)，縮短了測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間，節(jié)省了測(cè)繪工期，產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)需求。

（1）DM150型無(wú)人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)（附表）。

附表　DM150型無(wú)人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

（2）DM150型無(wú)人機(jī)采用普洛特UP30型通用無(wú)人機(jī)自駕儀進(jìn)行飛行控制，其主要參數(shù)：

集成3軸MEMS加速度計(jì)、速率陀螺、高靈敏度GPS，數(shù)字氣壓高度計(jì)，空速傳感器；具有5種飛行模式：RC、RPV、UAV、CPV、CRPV；

100個(gè)飛行航路點(diǎn)，7種飛行制式，制式時(shí)間可設(shè)定；照片POS容量：2978。

（3）無(wú)人機(jī)的機(jī)體坐標(biāo)系［3］（圖1）：

圖1　機(jī)體坐標(biāo)系

飛機(jī)繞機(jī)體縱軸、機(jī)體立軸和機(jī)體橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，分別稱為滾轉(zhuǎn)（roll）、偏轉(zhuǎn)（yaw）、俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)（pitch）。飛行控制系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)姿態(tài)控制，飛行質(zhì)量評(píng)價(jià)，飛機(jī)POS數(shù)據(jù)等都要以飛機(jī)軸向?yàn)闇?zhǔn)，所以有必要明確飛機(jī)的坐標(biāo)軸定義。

3 航攝參數(shù)的確定

（1）航攝相機(jī)SONYA7R像元大小的計(jì)算。

W、H是相機(jī)CMOS（或CCD）的寬度和高度，NW、NH為對(duì)應(yīng)方向像元個(gè)數(shù)。

（2）相對(duì)航高H。與傳統(tǒng)航攝作業(yè)參照攝影比例尺制定飛行航高略有區(qū)別，無(wú)人機(jī)低空航攝一般選用地面分辨率設(shè)計(jì)飛行航高，可參考規(guī)范5.2.1地面分辨率章節(jié)進(jìn)行選擇。

式中H——攝影航高（m）；

f——鏡頭焦距（mm）；

a——像元尺寸（mm）；

GSD——地面分辨率（m）。

SONYA7R原裝鏡頭是帶OIS光學(xué)防抖功能鏡頭，無(wú)法精確定焦，故采用經(jīng)專業(yè)公司定制改裝的35mm定焦鏡頭，檢定合格提交檢定證書后投入使用。

洞庭湖區(qū)重要一般垸治理工程在可研階段需要1∶2000比例尺帶狀地形圖，航飛限制條件又和天氣情況密切相關(guān)，而湖南本地區(qū)冬春季雨期長(zhǎng)、下雨天氣多、霧霾重，有風(fēng)天氣多、云層高度低，實(shí)際可實(shí)施航飛時(shí)間更少，在選擇低分辨率GSD（15cm～20cm）多次航飛時(shí)無(wú)人機(jī)都進(jìn)入云層，嚴(yán)重阻礙了航攝工作，所以綜合考慮確保成圖精度、縮短成圖周期、降低成本和飛行氣象條件后，一般GSD選用（10～12）cm，個(gè)別堤垸選用15cm。計(jì)算結(jié)果如下：

GSD=10cm時(shí)，H=717.2m；GSD=12cm時(shí)，H= 860.6cm；GSD=15cm時(shí)，H=1075.8m。

（3）航攝分區(qū)和航攝基準(zhǔn)面選擇。參考文獻(xiàn)［5］航攝分區(qū)劃分，合理的進(jìn)行航攝分區(qū)。湖南洞庭湖區(qū)海拔低，地勢(shì)平坦，工程可研各堤垸堤身內(nèi)外相對(duì)高差小，一般（30～50）m即為較大高差，遠(yuǎn)小于規(guī)范［4］1/6相對(duì)航高的高差要求。在充分考慮實(shí)際堤垸堤線長(zhǎng)度、無(wú)人機(jī)的航程、鄰近區(qū)域氣象因素等，通常將一個(gè)縣、區(qū)劃分為一個(gè)航攝分區(qū)，一般的設(shè)計(jì)一個(gè)飛行架次。

航攝分區(qū)基準(zhǔn)面高程的計(jì)算：

式中h最高、h最低——分區(qū)內(nèi)最高、最低高程。

（4）根據(jù)規(guī)范［4］7.1飛行質(zhì)量要求和數(shù)據(jù)后期處理要求，合理的選定相片重疊度。無(wú)人機(jī)一般搭載的影像傳感器是非量測(cè)型相機(jī)，其相片相幅小、云臺(tái)相對(duì)簡(jiǎn)單，空中飛行姿態(tài)穩(wěn)定性較大飛機(jī)差，飛行易受氣流影響而航線偏轉(zhuǎn)、俯仰、滾轉(zhuǎn)，為保證航攝數(shù)據(jù)可用性，經(jīng)洞庭湖工程航攝實(shí)踐，航向重疊度P×一般選70%～80%，旁向重疊度qY一般選40%～50%。

4 攝影基線與航線間隔

式中LX、LY——相幅長(zhǎng)度和寬度（mm）；

bX——相片上攝影基線長(zhǎng)度（mm）；

dY——相片上航線間隔寬度（mm）；

BX——實(shí)地上攝影基線長(zhǎng)度（m）；

DY——實(shí)地上航線間隔寬度（m）。

無(wú)人機(jī)航攝時(shí)照片拍照方式一般有三種：等時(shí)拍照、等距拍照、定點(diǎn)拍照。航飛時(shí)無(wú)人機(jī)空速因氣流、氣壓、發(fā)動(dòng)機(jī)等原因會(huì)發(fā)生變化，又空氣氣流運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性，無(wú)人機(jī)地速是時(shí)刻變化的，所以一般不選擇等時(shí)拍照，而是選擇等距拍照。根據(jù)上式計(jì)算出BX、DY，繪制航線時(shí)輸入以上參數(shù)。當(dāng)采用DEM進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可采用定點(diǎn)拍照方式，減小相片冗余。

5 航線設(shè)計(jì)過(guò)程

（1）航線繪制采用“UP30系列無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)地面站軟件”進(jìn)行，該軟件基于Mapinfo公司MapX二次開發(fā)，功能強(qiáng)大，適合無(wú)人機(jī)監(jiān)控及航線規(guī)劃。根據(jù)重要一般垸的堤垸堤線成圖范圍，首先在GoogleEarth上用“路徑”或“多邊形”工具，將實(shí)際堤線或范圍描繪出來(lái)。

（2）使用globalmapper軟件導(dǎo)入堤線或工程范圍，可根據(jù)需要進(jìn)行緩沖分析、疊加分析等，并根據(jù)航攝需要添加一些輔助線輔助航線設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理后輸出mapinfo格式（.TAB、.DAT、.MAP、.ID、.IND）文件，作為標(biāo)志層電子底圖在UP30地面站軟件中使用。

（3）在UP30軟件中導(dǎo)入標(biāo)志層數(shù)據(jù)，新建航線層，確定起飛場(chǎng)地1點(diǎn)。在起飛場(chǎng)地尚未確定時(shí)或多個(gè)場(chǎng)地備選時(shí)，1點(diǎn)之后可根據(jù)實(shí)際情況修改。輸入航線絕對(duì)航高（當(dāng)海拔高度＜3km時(shí)，氣壓高度使用地面絕對(duì)高度標(biāo)定時(shí)）和航線間隔，使用航線設(shè)計(jì)工具繪制航線。

航線繪制一定要考慮相幅的覆蓋度，在不利條件下，如無(wú)人機(jī)在風(fēng)力影響下航偏、滾轉(zhuǎn)，要保證滿足規(guī)范的重疊度。洞庭湖區(qū)堤垸多為線狀區(qū)域，無(wú)人機(jī)飛行時(shí)無(wú)可避免的要根據(jù)堤線走向轉(zhuǎn)彎，航線繪制時(shí)要合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)出航線和轉(zhuǎn)入航線，在保證無(wú)人機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑的條件下進(jìn)行航線連接，不出現(xiàn)航攝漏洞。航攝相幅X約（700～800）m（GSD=10cm時(shí)）以上，而實(shí)際成圖需要為堤線兩側(cè)200m左右范圍，所以一般將航線設(shè)計(jì)在堤線正上方，保證了傳感器鏡頭正下方的影像變形最小。圖2為某幾個(gè)堤垸實(shí)際航線和航攝照片曝光POS點(diǎn)位圖。

圖2　某堤垸的實(shí)際航線及對(duì)應(yīng)POS點(diǎn)位圖（局部）

6 總　結(jié)

本文論述了無(wú)人機(jī)（固定翼）用于洞庭湖區(qū)水利工程航線設(shè)計(jì)的一般方法，通過(guò)實(shí)踐證明了無(wú)人機(jī)航攝可以應(yīng)用于水利工程可研等階段，可縮短工期，降低生產(chǎn)成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。但無(wú)人機(jī)航攝仍屬于新興技術(shù)，實(shí)用時(shí)以下多個(gè)方面需要注意：

（1）航線設(shè)計(jì)時(shí)必須充分研究相關(guān)規(guī)范，及相應(yīng)工程的項(xiàng)目設(shè)計(jì)書、專業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)書，進(jìn)行精度估算，以必要的精度進(jìn)行。

（2）航線設(shè)計(jì)必須進(jìn)行多人次獨(dú)立檢查，包括航攝參數(shù)計(jì)算、航線繪制等等，形成相應(yīng)的檢查、修改記錄。航線繪制時(shí)應(yīng)注意整個(gè)航線應(yīng)閉合，航攝分區(qū)時(shí)應(yīng)進(jìn)行高程分析，保證無(wú)人機(jī)航線在最高點(diǎn)安全高度之上。考慮到可能出現(xiàn)的意外情況，航區(qū)毗連區(qū)域至起降場(chǎng)地也應(yīng)進(jìn)行高程分析，保證無(wú)人機(jī)能在緊急情況下安全召回。航攝時(shí)攝區(qū)邊界應(yīng)保證3條以上基線覆蓋，避免邊界區(qū)域無(wú)法形成立體像對(duì)。

（3）無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)搭載傳感器多為非量測(cè)相機(jī)，由于相機(jī)成本、機(jī)體結(jié)構(gòu)、機(jī)身材料原因，相機(jī)穩(wěn)定性較差，相機(jī)參數(shù)可能會(huì)隨溫度、濕度、氣壓等發(fā)生變化，所以有必要采取措施保護(hù)好相機(jī)，使其工作在理想環(huán)境下。水利工程的特殊性對(duì)高程精度要求較高，而航攝平面精度相對(duì)容易達(dá)到，故在像控點(diǎn)的布設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到此情況，另可適當(dāng)?shù)囊氩糠滞鈽I(yè)實(shí)測(cè)高程點(diǎn)參與后期DLG成圖。

（4）無(wú)人機(jī)飛行時(shí)通過(guò)氣壓高度計(jì)控制飛行高度，而航拍時(shí)又通過(guò)機(jī)載導(dǎo)航GPS控制拍照，雖然在起降場(chǎng)地通過(guò)GPS標(biāo)定了氣壓高度，但航線高度可能與設(shè)計(jì)航高不一致，根據(jù)規(guī)范7.1.5航高保持，當(dāng)差值超過(guò)規(guī)范要求時(shí)，需要對(duì)航高進(jìn)行調(diào)整，此項(xiàng)一般在進(jìn)入巡航拍攝前進(jìn)行。

（5）無(wú)人機(jī)航攝作為一種航攝新技術(shù)，應(yīng)積極發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，但用于航攝時(shí)一定要保證安全。航飛作業(yè)必須遵守《中華人民共和國(guó)飛行基本規(guī)定》及相關(guān)法律法規(guī)，按手續(xù)向軍區(qū)司令部、當(dāng)?shù)夭筷?duì)、空管部門申請(qǐng)空域，獲得批準(zhǔn)后再實(shí)施航飛。航線設(shè)計(jì)應(yīng)避免軍事基地、民航機(jī)場(chǎng)等禁飛區(qū)和飛行管制區(qū)、管制分區(qū)，還應(yīng)當(dāng)避開民航飛機(jī)的降落盤旋航線空域。具體實(shí)施航飛前，還應(yīng)當(dāng)做好實(shí)地調(diào)查，

避免航飛時(shí)的無(wú)線電、磁干擾，盡量將潛在的危險(xiǎn)因素降到最低。

［1］CH/Z3002-2010.無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求［S］.

［2］楊愛玲，孫汝岳，徐開明.基于固定翼無(wú)人機(jī)航攝影像獲取及應(yīng)用探討［J］.測(cè)繪與空間地理信息，2010，33（5）：160-162.

［3］劉星，司海青，蔡中長(zhǎng).飛行原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

［4］CH/Z3005-2010.低空數(shù)字航空攝影規(guī)范［S］.

［5］朱肇光，孫護(hù)，崔炳光.攝影測(cè)量學(xué)［M］.北京：測(cè)繪出版社，1995.

［6］SL197-2013.水利水電工程測(cè)量規(guī)范［S］.

劉業(yè)林（1981-），男，寧夏石嘴山人，大學(xué)本科，測(cè)繪工程師，主要從事工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量工作。

（2016-07-11）