畢 凱，丁曉波

（1.國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心，北京 100830；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100039）

遠(yuǎn)海島礁是國(guó)家領(lǐng)土的重要組成部分，其影像圖、地形圖等精確的基礎(chǔ)地理信息是劃分領(lǐng)海、維護(hù)國(guó)家主權(quán)和國(guó)家安全的重要依據(jù)[1]。我國(guó)遠(yuǎn)海島礁數(shù)量多、分布廣，大多無(wú)法登島測(cè)繪[2-3]。長(zhǎng)期以來(lái)，遠(yuǎn)海島礁的基礎(chǔ)地理信息主要依靠衛(wèi)星和通用有人機(jī)航空攝影測(cè)量等技術(shù)手段獲得。盡管衛(wèi)星影像的分辨率已經(jīng)達(dá)到0.31 m，但該分辨率仍無(wú)法滿足大比例尺測(cè)繪成果的生產(chǎn)要求；通用有人機(jī)航空攝影易受敏感空域、機(jī)場(chǎng)條件、天氣、啟動(dòng)程序復(fù)雜性等限制，同樣難以完全滿足需要[4]。因此，如何獲取我國(guó)遠(yuǎn)海島礁精確的大比例尺基礎(chǔ)地理信息，是現(xiàn)階段急需解決的技術(shù)問(wèn)題。

相比衛(wèi)星遙感和通用有人機(jī)航空攝影，輕小型無(wú)人機(jī)具有隱蔽性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、受天氣影響小、影像獲取分辨率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可成為我國(guó)遠(yuǎn)海島礁遙感數(shù)據(jù)獲取的有效補(bǔ)充技術(shù)手段[5-8]。但利用輕小型無(wú)人機(jī)開(kāi)展遠(yuǎn)海島礁高分辨率立體測(cè)繪工作仍存在技術(shù)問(wèn)題：一是如何確保輕小型無(wú)人機(jī)續(xù)航里程足夠從岸基起降獲取數(shù)百公里外的島礁影像，且能保證全航測(cè)實(shí)施飛行監(jiān)控，減少作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)；二是如何針對(duì)遠(yuǎn)海島礁的特點(diǎn)開(kāi)展航攝技術(shù)設(shè)計(jì)，避免大量航攝像片主點(diǎn)落水，確保航攝成果能滿足后續(xù)數(shù)據(jù)處理要求；三是如何不登島即完成輕小型無(wú)人機(jī)所獲影像的攝影測(cè)量處理，生產(chǎn)符合精度要求的大比例尺影像圖、地形圖等測(cè)繪產(chǎn)品。

針對(duì)遠(yuǎn)海島礁高分辨率立體測(cè)繪工作存在的實(shí)際困難，本文提出了一種利用輕小型無(wú)人機(jī)開(kāi)展遠(yuǎn)海島礁高分辨率影像獲取與無(wú)控測(cè)圖的測(cè)繪技術(shù)方法。重點(diǎn)研究解決輕小型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)遠(yuǎn)距離續(xù)航、全航程實(shí)時(shí)通信導(dǎo)航和無(wú)控制測(cè)圖等關(guān)鍵技術(shù)，探索建立顧及島礁特征的無(wú)人機(jī)航攝設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)多個(gè)遠(yuǎn)海島礁影像獲取與影像處理驗(yàn)證該方法的可行性，這對(duì)于提升我國(guó)遠(yuǎn)海島礁大比例尺遙感測(cè)繪技術(shù)與裝備能力具有重要意義。

1 遠(yuǎn)海島礁航測(cè)基本要求

1.1 影像分辨率要求

明確遠(yuǎn)海島礁的影像分辨率是其航測(cè)工作的首要工作。隨著衛(wèi)星遙感影像資料的增多，形成了30～0.31 m從低到高分辨率光學(xué)衛(wèi)星遙感影像集合，利用其測(cè)制的中小比例尺基礎(chǔ)地理信息成果，基本滿足了遠(yuǎn)海島礁遙感識(shí)別的需要。

但遠(yuǎn)海島礁精細(xì)地表覆蓋分類(lèi)[9]、圍填海監(jiān)測(cè)、工程監(jiān)測(cè)等需要更高分辨率的影像支撐。由于衛(wèi)星影像分辨率的限制，當(dāng)前遠(yuǎn)海島礁航測(cè)工作使用地面分辨率不低于0.2 m的航攝影像，重點(diǎn)島礁或重點(diǎn)工程監(jiān)測(cè)所需的影像地面分辨率甚至更高，有的甚至需要0.05～0.1 m。

1.2 航攝范圍確定原則

遠(yuǎn)海島礁航測(cè)的另一項(xiàng)重要工作是明確航攝范圍。劃定航攝范圍時(shí)，對(duì)于面積小于500 m2的單礁型海島礁，以海岸線為基線、L=50 m為劃定擴(kuò)展區(qū)，若擴(kuò)展區(qū)與面積≥500 m2海島礁的岸線不相交，將擴(kuò)展區(qū)界線作為島礁的航測(cè)范圍；若擴(kuò)展區(qū)與面積≥500 m2海島礁的岸線相交，則單礁型海島礁作為其一部分劃定航攝范圍。

對(duì)于海島礁擴(kuò)展區(qū)與相鄰海島礁岸線相交組成的叢礁型海島礁，所有海島礁的擴(kuò)展區(qū)界線與面積≥500 m2海島礁的岸線均不相交，該叢礁型海島礁作為航攝范圍。所有或部分海島礁的擴(kuò)展區(qū)界線與面積≥500 m2海島礁的岸線相交，該叢礁型海島礁作為其一部分劃定航攝范圍[10]。必要時(shí)可也考慮將水下礁盤(pán)范圍一并作為航攝區(qū)域，數(shù)據(jù)處理時(shí)可通過(guò)雙介質(zhì)攝影測(cè)量技術(shù)反演礁盤(pán)區(qū)域的水下地形[11]。圖1是單礁型和叢礁型海島礁示意圖。

圖1 單礁型和叢礁型海島礁示意圖

1.3 航測(cè)實(shí)施技術(shù)要求

與常規(guī)陸地航測(cè)或近岸島礁航測(cè)相比，遠(yuǎn)海島礁航測(cè)工作有著特殊的技術(shù)要求，具體概括為：“飛得到、看得見(jiàn)、飛得好、無(wú)控制”。其中：

“飛得到”是前提，要求飛行平臺(tái)的續(xù)航時(shí)間和續(xù)航里程滿足工作要求。遠(yuǎn)海島礁航攝飛行以岸基起飛居多，要求無(wú)人機(jī)作業(yè)半徑應(yīng)在1 000 km以上，往返航程與航攝作業(yè)總里程應(yīng)大于2 400 km，以巡航速度100 km/h計(jì)算，要求飛行平臺(tái)的總續(xù)航時(shí)間大于24 h，總續(xù)航里程不少于2 400 km。

“看得見(jiàn)”是關(guān)鍵，要求跨海飛行過(guò)程中地面監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的飛行狀況，無(wú)人機(jī)能向地面監(jiān)控系統(tǒng)回傳飛行數(shù)據(jù)，地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)需要可向無(wú)人機(jī)發(fā)送有關(guān)飛行指令。

“飛得好”是基礎(chǔ)，要求航攝規(guī)劃能顧及海島礁特點(diǎn)，避免大量影像主點(diǎn)落水。在航攝分區(qū)、航線敷設(shè)、航攝時(shí)間選擇、飛行指標(biāo)和影像質(zhì)量等方面體現(xiàn)遠(yuǎn)海島礁的航攝特點(diǎn)。

“無(wú)控制”是核心，要求實(shí)現(xiàn)不登島施測(cè)像控點(diǎn)就能完成影像攝影測(cè)量處理。需要對(duì)無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，優(yōu)化航線敷設(shè)設(shè)計(jì)、增加檢校場(chǎng)飛行和構(gòu)架航線，形成輕小型無(wú)人機(jī)無(wú)控測(cè)圖的技術(shù)方案。

2 輕小型無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)海島礁航測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 航測(cè)實(shí)施技術(shù)要求

影響飛行平臺(tái)續(xù)航能力的關(guān)鍵因素之一是發(fā)動(dòng)機(jī)性能。通過(guò)研制四沖程風(fēng)冷微型發(fā)動(dòng)機(jī)，配置高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合螺旋槳，研究油路靜電節(jié)油技術(shù)，保障油氣暢通，燃料充分燃燒，節(jié)約燃油消耗。

提升續(xù)航能力的另一個(gè)關(guān)鍵因素是優(yōu)化飛行平臺(tái)的氣動(dòng)布局，突破無(wú)人機(jī)機(jī)身高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料一體化成形技術(shù)和大展弦比薄型扭轉(zhuǎn)機(jī)翼V型尾翼等技術(shù)，增大升力系數(shù)減小阻力，提高持續(xù)飛行能力及可靠性。

此外，通過(guò)集成大容量、高性能鋰離子蓄電池，增強(qiáng)飛行平臺(tái)的持續(xù)供電性能，開(kāi)展振動(dòng)、電磁、高低溫、水汽雨雪、鹽霧、沙塵等環(huán)境下的綜合性測(cè)試。通過(guò)內(nèi)陸模擬飛行實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了飛行平臺(tái)油電消耗及整體可靠性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性。表1是輕小型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)在內(nèi)蒙古庫(kù)倫、山西大同等地開(kāi)展油電測(cè)試情況的統(tǒng)計(jì)。

表1 輕小型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)油電測(cè)試情況表

表2是ZC-7型輕小型長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)主要性能指標(biāo)參數(shù),該型無(wú)人機(jī)無(wú)需使用機(jī)場(chǎng)，可彈射起飛、機(jī)腹擦地回收，有效載荷5 kg，續(xù)航時(shí)間30 h，滿足1 000 km作業(yè)半徑的遠(yuǎn)海島礁航攝飛行要求。

表2 ZC-7型輕小型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)主要性能指標(biāo)表

2.2 遠(yuǎn)距離全航程實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

輕小型無(wú)人機(jī)多使用無(wú)線電通信、GNSS導(dǎo)航，此種方式易受地形影響，通信距離一般較短，導(dǎo)航易丟星失鎖。遠(yuǎn)距離飛行時(shí)需要選擇架設(shè)中繼站通信，無(wú)法架設(shè)中繼站時(shí)只能選擇盲飛。在執(zhí)行遠(yuǎn)海島礁航攝任務(wù)時(shí)，由于距離太遠(yuǎn)，無(wú)法架設(shè)中繼站實(shí)施通信保障，為減少盲飛風(fēng)險(xiǎn)，需要研究解決遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)飛行監(jiān)控的相關(guān)技術(shù)。

（1）研究輕小型無(wú)人機(jī)的北斗通信模式[12]。利用北斗短報(bào)文通信協(xié)議的預(yù)留字段設(shè)計(jì)并確定飛行諸元的格式和傳輸協(xié)議，包括：數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間、經(jīng)度、緯度、高度、航向、速度等核心要素，通過(guò)北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控站與機(jī)載北斗通信設(shè)備之間通信信息的實(shí)時(shí)上傳與下載。

（2）建立GNSS/北斗衛(wèi)星雙星雙冗余度導(dǎo)航新模式，一方面設(shè)定GNSS失鎖的閾值，在GNSS失鎖時(shí)，觸發(fā)閾值開(kāi)關(guān)后機(jī)載導(dǎo)航信息自動(dòng)切換，及時(shí)自動(dòng)更改為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航。另一方面也可人工切換，無(wú)人機(jī)地面監(jiān)控系統(tǒng)將導(dǎo)航切換信息以短報(bào)文的方式傳輸至北斗衛(wèi)星，再由北斗衛(wèi)星發(fā)送至機(jī)載北斗導(dǎo)航模塊，無(wú)人機(jī)接收任務(wù)信息后自動(dòng)切換，利用新的導(dǎo)航系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行飛行任務(wù)。北斗/GNSS雙冗余度導(dǎo)航，大大降低了遠(yuǎn)距離飛行過(guò)程中GNSS失鎖、單系統(tǒng)導(dǎo)航失效等造成的墜機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，是保障遠(yuǎn)海島礁飛行安全的重要保護(hù)手段。圖2是集成北斗通信系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)飛行實(shí)時(shí)監(jiān)控示意圖。

圖2 集成北斗通信系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)飛行實(shí)時(shí)監(jiān)控示意圖

2.3 輕小型無(wú)人機(jī)無(wú)控測(cè)圖關(guān)鍵技術(shù)

無(wú)控測(cè)圖是遠(yuǎn)海島礁測(cè)繪工作的核心，是不登島測(cè)繪即可生產(chǎn)基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的前提。輕小型無(wú)人機(jī)無(wú)控測(cè)圖的技術(shù)重點(diǎn)是獲取每張影像的外方位元素，難點(diǎn)在于硬件系統(tǒng)上的升級(jí)改造。即需要在飛行控制系統(tǒng)中集成使用雙頻GNSS，同時(shí)在飛行控制系統(tǒng)中集成與輕小型無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、飛行控制系統(tǒng)等相匹配的小型IMU設(shè)備。

（1）將通用輕小型無(wú)人機(jī)使用的單頻GNSS升級(jí)至雙頻測(cè)量型GNSS，雙頻GNSS的OEM板與飛行控制系統(tǒng)有效集成，并將雙頻GNSS天線安置于無(wú)人機(jī)機(jī)頭位置。航空攝影時(shí)，利用雙頻測(cè)量型GNSS記錄曝光時(shí)刻的信息，利用基站數(shù)據(jù)進(jìn)行事后差分或采用GNSS精密單點(diǎn)定位的方法計(jì)算求得每張像片曝光時(shí)刻的精確三維坐標(biāo)，可作為約束條件參與自由網(wǎng)平差解算，以達(dá)到減少地面控制測(cè)圖目的。雙頻GNSS飛控?cái)?shù)據(jù)輸出率優(yōu)于10 Hz，精度達(dá)到10 cm級(jí)別。圖3是集成雙頻GNSS設(shè)備的飛行控制系統(tǒng)示意圖。

圖3 集成雙頻GNSS設(shè)備的飛行控制系統(tǒng)示意圖

（2）根據(jù)無(wú)控測(cè)圖的需要，在調(diào)研市場(chǎng)微小型IMU設(shè)備情況的基礎(chǔ)上，選擇重量輕，體積小，性?xún)r(jià)比高，具備EventMark接口、EventMark反饋接口和數(shù)據(jù)輸出接口功能的小型IMU設(shè)備。解決IMU與雙頻GNSS時(shí)間同步、IMU數(shù)據(jù)與GNSS數(shù)據(jù)緊耦合處理、IMU數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、IMU設(shè)備供電及電磁兼容等技術(shù)問(wèn)題[13]。小型IMU設(shè)備的測(cè)姿精度俯仰角、側(cè)滾角中誤差不超過(guò)0.05°，航偏角中誤差不超過(guò)0.1°，重量小于1 kg、功耗低于5 W、連續(xù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)超過(guò)30 h。

（3）飛行完成后，首先利用IE（Inertial Explorer）軟件實(shí)現(xiàn)GNSS原始數(shù)據(jù)與IMU原始數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，獲取每張影像曝光時(shí)刻高精度的位置和姿態(tài)信息。其次，利用檢校場(chǎng)影像和像控點(diǎn)資料，通過(guò)空三軟件解算檢校場(chǎng)影像的外方位元素。第三，將檢校場(chǎng)影像的外方位元素導(dǎo)入IE軟件，解算偏心分量和偏心角系統(tǒng)誤差改正。第四，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)GNSS和IMU解算的位置和姿態(tài)信息進(jìn)行偏心改正，獲取影像的外方位元素。

3 顧及海島礁特征的航空攝影技術(shù)設(shè)計(jì)

當(dāng)前，遠(yuǎn)海島礁航空影像獲取沒(méi)有作業(yè)規(guī)范，參考框幅式航空攝影規(guī)范實(shí)施可能會(huì)使多數(shù)影像主點(diǎn)落水，造成影像處理困難，甚至無(wú)法處理。為保證影像獲取的順利實(shí)施，需要針對(duì)遠(yuǎn)海島礁的特點(diǎn)開(kāi)展航攝規(guī)劃設(shè)計(jì)，系統(tǒng)分析遠(yuǎn)海島礁航攝與常規(guī)航攝在航攝分區(qū)、航線敷設(shè)、航攝時(shí)間選擇、飛行質(zhì)量要求和影像質(zhì)量要求等方面的差異。

3.1 航攝分區(qū)的劃分

劃定航攝分區(qū)是遠(yuǎn)海島礁航空影像獲取實(shí)施的第一步。由于島礁遠(yuǎn)離大陸，面積較小，與常規(guī)陸地航攝相比，航攝分區(qū)應(yīng)不再依照?qǐng)D幅進(jìn)行劃分。鑒于部分遠(yuǎn)海島礁為垂直的山地地形，高差較大，按照地形高差占攝影航高的比例進(jìn)行分區(qū)不再適用。島礁航攝時(shí)，一般情況下，孤立的海島礁可劃分為一個(gè)獨(dú)立的航空攝影分區(qū)[14]，對(duì)于區(qū)域模型連通性較好的多個(gè)海島礁可設(shè)為一個(gè)分區(qū)，應(yīng)避免一個(gè)海島礁被劃分在兩個(gè)或以上不同的航空攝影分區(qū)。分區(qū)界線盡可能囊括工作范圍線。

考慮到遠(yuǎn)海島礁面積較小的特點(diǎn)，當(dāng)島礁整體高差變化不大時(shí)，分區(qū)基準(zhǔn)面高度的確定無(wú)需考慮低點(diǎn)高程的影響，可以直接確定為最高點(diǎn)高程的二分之一，即H基準(zhǔn)=H最高/2。當(dāng)島礁高差較大時(shí)，可采用分區(qū)最高高程和最低高程的二分之一作為基準(zhǔn)面高程，即H基準(zhǔn)=（H最高+H最低）/2，但須盡量確保最低點(diǎn)影像分辨率滿足相應(yīng)比例尺成圖要求。

3.2 航線敷設(shè)

遠(yuǎn)海島礁具有分布零散、形態(tài)不規(guī)則等特點(diǎn)，開(kāi)展島礁航攝敷設(shè)需要注意以下幾點(diǎn)：

（1）保證所有島礁完整覆蓋，盡可能避免像主點(diǎn)落水。以分區(qū)長(zhǎng)邊方位角為飛行方向，并使首末航線敷設(shè)在分區(qū)邊界線上或邊界線外[15-16]。當(dāng)高差過(guò)大且無(wú)法分區(qū)時(shí)，可采用插入航線的方式設(shè)計(jì)。

（2）由于無(wú)法登島施測(cè)像控點(diǎn)，為了提高模型解算精度，盡量采用定點(diǎn)曝光進(jìn)行航線設(shè)計(jì)。除測(cè)圖航線外，還需要在每個(gè)區(qū)域網(wǎng)兩端飛行一條構(gòu)架航線，構(gòu)架航線穿過(guò)所有測(cè)圖航線和島礁，與測(cè)圖航線的航高相同，航向重疊可比測(cè)圖航線稍大。圖4是島礁測(cè)圖航線與構(gòu)架航攝敷設(shè)示意圖。

圖4 島礁測(cè)圖航線與構(gòu)架航攝敷設(shè)示意圖

（3）由于IMU與數(shù)碼相機(jī)之間的角度系統(tǒng)差和GNSS線元素分量偏移值無(wú)法精確測(cè)得，為保證成圖精度，需要每個(gè)架次執(zhí)行任務(wù)航線前飛行一次檢校場(chǎng)，必要時(shí)可執(zhí)行任務(wù)航線前后各飛行一次檢校場(chǎng)。檢校場(chǎng)作業(yè)航線在岸上布設(shè)，檢校場(chǎng)航線敷設(shè)、影像航向與旁向重疊度、飛行高度等設(shè)計(jì)與常規(guī)陸地IMU/GNSS輔助航攝時(shí)一致。

3.3 航攝時(shí)間選擇

遠(yuǎn)海島礁航攝時(shí)間的選擇與常規(guī)陸地航攝是完全不同的，由于島礁距岸遠(yuǎn)，航攝作業(yè)都是跨海航攝飛行，易受風(fēng)力風(fēng)向的干擾，難以嚴(yán)格遵照太陽(yáng)高度角、潮位等情況執(zhí)行。

（1）估算航攝時(shí)間。既要保證起飛、降落時(shí)的足夠光照條件；也要綜合考慮風(fēng)向、氣流、溫濕度等環(huán)境因素，考慮檢校場(chǎng)飛行和航攝作業(yè)飛行時(shí)的太陽(yáng)高度角的影響，盡量在正午時(shí)間段攝影。

（2）盡量選擇島礁低潮位時(shí)間段攝影。可通過(guò)查詢(xún)相關(guān)資料確定攝區(qū)低潮位時(shí)間段。如遇低潮位時(shí)間攝影，但無(wú)法保證降落光照條件時(shí)，可將攝區(qū)分塊航攝，以確保足起飛降落時(shí)的足夠光照條件。

（3）精確記錄航攝時(shí)間?？赏ㄟ^(guò)航攝時(shí)間段查詢(xún)海況、潮汐及瞬時(shí)水位，在IMU/GNSS輔助的無(wú)控制平差時(shí)可將瞬時(shí)水位線可作為高程控制的基礎(chǔ)[17]。

3.4 飛行質(zhì)量指標(biāo)要求

遠(yuǎn)海島礁航空攝影飛行質(zhì)量要求總體上與常規(guī)陸地航攝一致，不同之處有以下幾點(diǎn)：

（1）盡量保證影像航向和旁向重疊度均勻。在確保能構(gòu)成立體像對(duì)的前提下，適當(dāng)增大影像重疊度，可提高攝影測(cè)量區(qū)域網(wǎng)的加密精度。因此，航向重疊度一般設(shè)定為80%，最小不小于60%，旁向重疊度一般設(shè)定為60%，最小不小于40%。

（2）為保證影像處理精度，根據(jù)大面積水域影像處理經(jīng)驗(yàn)，像片旋偏角一般不超過(guò)15°。實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，局部時(shí)間段受風(fēng)影響嚴(yán)重，可只考慮像片旋角，像片旋角一般不超過(guò)10°，但須確保像片航向和旁向重疊度滿足要求且不得連續(xù)出現(xiàn)。

（3）為了確保成圖精度，根據(jù)常規(guī)影像處理經(jīng)驗(yàn)，像片傾斜角不宜超過(guò)4°。由于飛行平臺(tái)既輕且小、抗風(fēng)能力弱，受風(fēng)影響導(dǎo)致像片傾角偏大，在確保像片航向和旁向重疊度滿足要求的前提下，傾斜角可適當(dāng)放寬至8°。

3.5 影像質(zhì)量要求

遠(yuǎn)海島礁航攝的影像質(zhì)量除要滿足常規(guī)陸地航攝的影像質(zhì)量要求外，還應(yīng)注意朵云和像點(diǎn)位移的影響。如遇影像存在朵云，若未遮擋島礁陸地部分，不影響立體模型的連接和測(cè)繪，可認(rèn)為合格。應(yīng)盡量消除飛機(jī)地速對(duì)影像像點(diǎn)位移的影響，合理設(shè)置數(shù)碼相機(jī)的快門(mén)，將像點(diǎn)位移控制在1個(gè)像素以?xún)?nèi)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取我國(guó)某些海島作為實(shí)驗(yàn)區(qū)，分別以平坦海灘建立岸基起降基地，開(kāi)展無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)海島礁影像獲取與影像處理實(shí)驗(yàn)。圖5是無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)海島礁航測(cè)某實(shí)驗(yàn)區(qū)域位置示意圖。

圖5 無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)海島礁航測(cè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域位置示意圖

4.1 工作流程

遠(yuǎn)海島礁影像獲取及無(wú)控測(cè)圖處理主要包括：顧及島礁特征的航攝規(guī)劃與基站架設(shè)測(cè)量、檢校場(chǎng)飛行與解算、IMU/GNSS輔助航空攝影、數(shù)據(jù)聯(lián)合解算、影像外方位元素計(jì)算、基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品生成等幾個(gè)關(guān)鍵步驟。圖6是輕小型無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)海島礁航測(cè)工作流程圖。

圖6 輕小型無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)海島礁航測(cè)工作流程圖

4.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

利用ZC-7型輕小型無(wú)人機(jī)獲取了海島一、海島二、海島三共3個(gè)攝區(qū)0.1 m分辨率航空影像。每個(gè)攝區(qū)均在岸基設(shè)計(jì)一個(gè)檢校場(chǎng)，并飛行構(gòu)架航線；基準(zhǔn)面高程設(shè)計(jì)為最高高程和最低高程的二分之一；航向和旁向重疊度均按照80%、60%設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)無(wú)控測(cè)圖處理，生產(chǎn)了DEM、DOM、DLG等基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品。經(jīng)海島一、海島二布設(shè)的控制點(diǎn)與檢查點(diǎn)檢測(cè)，無(wú)控測(cè)圖的平面位置限差優(yōu)于1.75m，高程限差優(yōu)于1.0 m，滿足1:5000比例尺丘陵地形的測(cè)圖精度要求。三個(gè)攝區(qū)無(wú)人機(jī)影像獲取及航測(cè)處理的基本情況見(jiàn)表3。

4.3 成果示例

以海島一輕小型無(wú)人機(jī)航測(cè)工作為例，圖7-a至圖7-b是利用輕小型無(wú)人機(jī)無(wú)控測(cè)圖技術(shù)生產(chǎn)的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像產(chǎn)品示意圖。

圖7 某海島輕小型無(wú)人機(jī)無(wú)控測(cè)圖成果示意圖

5 結(jié)論

利用研制的輕小型無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)開(kāi)展了多個(gè)海島高分辨率航空影像獲取及攝影測(cè)量處理實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)是解決遠(yuǎn)海島礁高分辨率航測(cè)作業(yè)的有效技術(shù)裝備。

（1）針對(duì)遠(yuǎn)海島礁的影像獲取需求，研制的輕小型無(wú)人機(jī)長(zhǎng)航時(shí)飛行平臺(tái)，續(xù)航時(shí)間可達(dá)30 h，作業(yè)半徑大于1 000 km，岸基起降能覆蓋我國(guó)99%以上的遠(yuǎn)海島礁，解決了遠(yuǎn)海島礁高分辨率影像的“有無(wú)”問(wèn)題。

（2）為了提高遠(yuǎn)海島礁影像獲取作業(yè)過(guò)程的安全性和可靠性，對(duì)無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，增加北斗衛(wèi)星導(dǎo)航通信功能，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離全航程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，解決了遠(yuǎn)海島礁影像獲取工作中“看得見(jiàn)”的問(wèn)題。

（3）針對(duì)不登島測(cè)繪開(kāi)展遠(yuǎn)海島礁影像攝影測(cè)量處理的工作需求，在現(xiàn)有無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)中集成小型化高精度IMU/GNSS設(shè)備，研究了IMU/GNSS輔助的無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)海島礁無(wú)控測(cè)圖關(guān)鍵技術(shù)，解決了遠(yuǎn)海島礁無(wú)控制也能生產(chǎn)大比例尺基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的難題。

（4）針對(duì)遠(yuǎn)海島礁特點(diǎn)，探索構(gòu)建了顧及海島礁特征的航攝影技術(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容與指標(biāo)，為實(shí)施遠(yuǎn)海島礁影像獲取工作提供了技術(shù)參考。

在下一步研究工作中，將繼續(xù)開(kāi)展輕量化、更高精度IMU與GNSS組合導(dǎo)航的集成研究，進(jìn)一步提高IMU與數(shù)碼相機(jī)之間的角度系統(tǒng)差和GNSS線元素分量偏移值的精度，以提高直接定向的精度，為實(shí)施遠(yuǎn)海島礁工程化的航測(cè)工作提供技術(shù)參考。