李鑫楊,辛 巖,曹敬一,哈青辰

（內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市氣象局，內(nèi)蒙古 赤峰024000）

無人機是一種由無線電遙控設備或由自身程序控制裝置操縱的具有自動駕駛能力的執(zhí)行特定任務的飛行器。目前無人機包括多旋翼無人機、固定翼無人機、直升機結(jié)構(gòu)無人機、復合翼無人機，其中多旋翼無人機更加機動靈活，起降方便，成本較低，操作簡單，易于維護，是小范圍航空攝影測量的最佳選擇[1]。

無人機遙感測量技術工作流程就是飛行器通過搭載可量測相機對規(guī)定區(qū)域進行信息采集，飛后對采集信息的分析，獲取地表信息及高分辨率數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)[2]。做好航線規(guī)劃工作是開展無人機遙感測量外業(yè)的基礎，也是保障內(nèi)業(yè)質(zhì)量的有效措施。航線規(guī)劃可以指定無人機嚴格按照預先規(guī)劃的航線飛行，并指定云臺相機嚴格按照預定的姿態(tài)采集影像，這關系著航飛成本以及航飛精度。要想降低航飛成本，提高遙感應用質(zhì)量，對無人機航線進行科學、合理的設計規(guī)劃是非常必要的。

1 航線規(guī)劃

航線規(guī)劃可分為預先規(guī)劃和實時規(guī)劃。預先規(guī)劃是根據(jù)任務要求、地理環(huán)境、電池容量和無人機載荷等因素，在無人機執(zhí)行任務前由地面控制站制定特定路徑、高度以及姿態(tài)的飛行計劃；實時規(guī)劃是在無人機飛行過程中，根據(jù)實際的飛行情況和周邊環(huán)境制定出一條可飛航跡，也包括對預先規(guī)劃計劃的修改以及應急方案的制定（即飛中重規(guī)劃）[3]。預先規(guī)劃的飛行計劃在進行外業(yè)實操時難免遇到預判與實際情況有偏差的情況，所以實時規(guī)劃也很重要。

圖1 航線規(guī)劃流程圖

1.1 預先規(guī)劃

1.1.1 航高與分辨率的關系。進行航線規(guī)劃前，首先需要確定的參數(shù)是圖像分辨率，即圖像一個像元做代表的地面實際距離，然后根據(jù)下述公式計算指定分辨率所需的航高。

35 mm等效焦距與真實焦距的轉(zhuǎn)化：

其中：Sw是傳感器寬度，單位為mm；FR是真實焦距，單位為mm；F35是35 mm等效焦距，單位為mm；trans是焦距轉(zhuǎn)換系數(shù)，表示35 mm底片的相機焦距除以轉(zhuǎn)換系數(shù)相當于當前使用相機的真實焦距，兩者此時可以得到同樣的視角，但景深不同，因此不同傳感器尺寸比例的trans不同，無人機兩個較常用傳感器尺寸比例對應的trans如下表所示（表中的trans是基于視角的對角線計算得到的）。

表1 不同傳感器尺寸比例對應的焦距轉(zhuǎn)換系數(shù)

通過相機真實焦距、傳感器寬度以及圖像寬度（imW，單位：pixels）計算的地面采樣距離（GSD，是兩個連續(xù)像元中心的距離，單位為cm/pixels），可以再計算出飛行高度：

圖2 SW、FR、H、DW關系圖示

從圖1中可以看出，SW、FR、H（飛行高度，單位為m）、DW（一張圖像在垂直于航向的方向上所覆蓋的地面寬度，即軌跡寬度，單位為m）的關系如下：

因此，高度與地面分辨率的關系為：

若給定的是35 mm等效焦距，則高度與地面分辨率的關系為：

1.1.2 重疊度與拍照間隔的關系。確定航高后，圖像的航向、旁向重疊度也是無人機起飛前需要確定的關鍵參數(shù)，通常情況下，航向重疊度至少要達到75%，旁向重疊度至少達到60%，如果遇到表面紋理重復度較高的地表，航向重疊度至少要達到85%，旁向重疊度至少達到70%。

圖3 x、v、D關系圖示

以航向重疊度為例，由圖2得到相機移動距離與航行速度以及航向重疊度的關系（旁向相機移動距離可用相似的方法求出）：

其中，overlap航向重疊度，%；x相機航向位置移動距離，單位為m；v航行速度，單位為m/s；t拍照間隔，單位為s。

1.1.3 參數(shù)說明。在無人機的技術參數(shù)列表里可以找到以上公式對應的參數(shù)，此處以大疆Phantom 4 Pro、Mavic 2 Pro以及ZENMUSE X5S云臺為例進行說明：

表2 不同傳感器尺寸與焦距技術參數(shù)

數(shù)碼成像元件領域中的1英寸為16 mm，不是傳統(tǒng)意義上的25.4 mm，在技術參數(shù)里的“1英寸CMOS”“1/2英寸CMOS”“CMOS,4/3”即為16 mm乘以對應比例，表示的是傳感器原件的對角線長度，其對應的長寬如表3所示。通過傳感器尺寸以及焦距轉(zhuǎn)換系數(shù)即可以求出感光元件的真實焦距，然后計算出上述的航高、分辨率、拍照間隔等關鍵參數(shù)。

表3 傳感器尺寸對照表

1.1.4 注意事項。預先規(guī)劃包括：（1）區(qū)分橢球高、海拔高度、相對高度、氣壓高度：高程系統(tǒng)包括正高、正常高、力高和大地高程。其中，正高即地面點沿鉛垂方向至大地水準面的距離，從數(shù)學上看，大地水準面是一個連續(xù)但不規(guī)則的閉合曲面，是不受潮汐、風浪及大氣壓的變化影響，僅在地球引力和因地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心慣性力的作用下保持平衡假想的海水面，將該平均海水面所處的重力等位面延伸到陸地內(nèi)部，形成的閉合曲面即為大地水準面，通過重力場模型進行表達；正常高是為了解決正高系統(tǒng)中重力不能精確測定（因為地球內(nèi)部的質(zhì)量和重力分布情況未知）而使用的平均正常重力代替而得到的一種系統(tǒng)的高程，是地面點沿鉛垂方向至大地水準面的距離。與正高相比，正常高可以精確求得，數(shù)值不隨水準路線的不同而不同。中國國家的高程系統(tǒng)使用的就是正常高系統(tǒng)，“1985國家高程基準”中水準原點的高程為72.2604 m，位于青島觀象山；當進行空間位置的計算（如計算GPS等全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的衛(wèi)星位置）時，使用的高度是相對于參考橢球面（一個理想化的球橢面，比如WGS 84基準面是以地心為中心的全球通用的橢球面，各國也有最貼近本國地面的基準面）的距離，稱為大地高或橢球高，大地高等于正高與大地水準面高之和。無人機所拍攝出來圖像的EXIF數(shù)據(jù)中的POS信息記錄的高程就是橢球高。

通常所說的海拔高度，即絕對高度，是某點距離海平面的高度，通常以平均海平面（MSL）做標準計算為平均海拔，在中國其平均海平面參考的是1985國家高程基準。有些航線規(guī)劃軟件在起飛前需要校準的高度為海拔高度；相對高度為兩個任意地點的垂直距離，對于無人機來說就是飛行的海拔高度與所在地海拔高度之差，以所在地或起飛點為參照面，不是以海平面為參照面的海拔高度。所以，通常所說的限高區(qū)120 m、飛機上升的高度等等都是相對高度；氣壓高度是當氣壓高度表的基準設定為29.92inHg或1013.25 mb時，高度表指示的就是氣壓高度。氣壓高度是在國際標準大氣條件下，以標準海平面氣壓為基準測量出來的高度。無人機在飛行過程中飛控數(shù)據(jù)記錄的高度為氣壓計測量的相對于海平面的高度。

圖4 參考橢球體與大地水準面

（2）預估環(huán)境相對高度：無人機的起降點需要尋找平整的地面，飛行前需要對感興趣區(qū)域的基本地形地貌有了解，也就是需要計算起降點、感興趣區(qū)最低點與感興趣區(qū)的較高點之間的海拔高度之差，還要避免去危險的地方進行拍攝。根據(jù)無人機的飛行目的，若飛行器預設高度遠遠大于地表起伏，則無需使用仿地飛行；若飛行器飛行高度在1～10 m之間，則需使用仿地飛行（又稱變高、地形跟隨，無人機仿地飛行需要已知基準的DSM數(shù)據(jù)進行航線規(guī)劃）。仿地飛行可以解決地勢起伏大導致相鄰影像重疊度不夠的問題。需要注意的是，若飛行器飛行高度在300 m以上，就需要謹慎使用仿地飛行，因為以Phantom4P為例，飛行器的極限爬升高度為500 m，有可能遇到系統(tǒng)檢測到高度過高無法起飛或起飛后失聯(lián)等問題。由于機型不同，預先設定的分辨率相同但飛行高度不同，比如同樣的15 m分辨率，Mavic2P的飛行高度就高于Phantom4P，此時的Phantom4P可以順利起飛，但是Mavic2P由于超過極限高度無法起飛。

（3）感興趣區(qū)：在預先規(guī)劃中框選出感興趣區(qū)范圍后，設計航線時感興趣區(qū)四周需要多出1～2個航線，便于后期內(nèi)業(yè)處理進行畸變矯正。若需要飛行的區(qū)塊較大，必須進行區(qū)塊分割，并保證小區(qū)塊之間需要有足夠的重疊度。同時在框選感興趣區(qū)的時候還要避開禁飛區(qū)，注意限高區(qū)，否則無人機無法起飛。

（4）控制點：根據(jù)航拍目的不同，決定是否要布設地面控制點，免像控與像控的結(jié)果相比空間位置精度會降低，如果只關注航拍影像，可以免像控。

（5）兼顧無人機性能：航線規(guī)劃必須滿足無人機的性能要求，在兼顧電池容量的基礎上最大化地擴展飛行距離與面積，確保飛行計劃安全可靠地執(zhí)行。通常情況下，規(guī)劃一次飛行的航線距離在8～10 km之間，覆蓋面積0.4～0.7 km2之間，飛行時間（包括起降時間）在15～20 min之間。為了達到最優(yōu)的飛行效果（航程越短越好，覆蓋面積越大越好），要多次調(diào)整航線角度以達到最佳效果。

（6）航線規(guī)劃軟件：航線規(guī)劃軟件搭配地面站進行使用，預先規(guī)劃都是通過航線規(guī)劃軟件進行實現(xiàn)，目前可以使用的規(guī)劃軟件較多，比如eMotions3、UP30、RockyCapture、RoutePlan、DJI Pilot、DJI GS GO、Pix4Dcapture、致睿智控、飛馬等。

實時規(guī)劃包括：（1）節(jié)省電量：實際飛行時，由于調(diào)試無人機、天氣狀況差等其他原因會消耗一些電量，此時的電量可能無法完成預估的飛行時間，因此可以考慮起飛點選在第一個航點附近，降落點選在最后一個航點附近，這樣就會減少飛行時間。需要注意的是必須刷新返航點或者手動干預打桿返航，這個會因規(guī)劃軟件不同而異。也可以考慮起降點選在第一個航點與最后一個航點的連線處，若電池夠用，可以使用斷點續(xù)航。

（2）天氣條件：首先是雨雪天氣不能飛，會給設備造成不可逆的損壞；其次是注意風速的垂直分布，可以實時關注無人機飛控軟件的姿態(tài)球；還要注意飛行時的光照條件變化不大，若飛行時光照條件突變，就需要等待時機重新飛行。

（3）信號：5.8GHz頻段的遙控距離等于圖傳距離，2.4GHz頻段傳輸距離比5.8GHz頻段遠，遙控距離長于圖傳距離。圖傳信號中斷是飛行器與遙控器信號中斷的警示，假如起降點選在第一個航點與最后一個航點的連線處，需要注意的是盡量選在中點處附近，否則距離起飛點近時距離降落點遠，距離降落點近時距離起飛點遠，信號中斷的可能性非常大。當飛行器與遙控器失聯(lián)3 s左右，飛行器就會自動返航，不僅返航與重新起飛會浪費很多電量，整段航拍可能會作廢。

（4）避免誤觸：由于飛行前根據(jù)航/旁向重疊度設置了拍照間隔，所以在飛行期間要注意避免誤觸錄像鍵（導致拍照不工作）、姿態(tài)調(diào)整鍵（導致非正射或傾斜）。

2 無人機航線規(guī)劃試驗

圖5 實際飛行航線

以赤峰市夏家營子（北緯41°54′21″，東經(jīng)118°45′10″）為試驗區(qū)，測區(qū)面積0.74 km2，區(qū)內(nèi)耕地較多、有分散的林地，北低南高，高差約為140 m，需要獲取比例尺為1∶1000的正射影像圖。本次共飛行4個架次，分別使用M600（搭載的ZENMUSE X5S云臺）、Phantom4P、Mavic2P采取牛耕往復作業(yè)法（圖5）[4]進行航拍，由于試驗區(qū)地表起伏小，所以航向重疊度設置為80%，旁向重疊度設置為60%，共采集圖像407張。其中，M600由于電量原因飛行了2個架次才完成整個試驗區(qū)。

表4所示的是實際航飛數(shù)據(jù)信息。從表中可以看出，電量在起飛時至少保持在90%左右，大約可以支撐約20 min的飛行時長。當飛到最后一個航點時電量保持在20%至30%，可以支撐飛行器返航至地面，這里僅提供參考數(shù)值，具體飛行數(shù)據(jù)依天氣狀況、電池性能、飛行器重量等情況不同而變化。

表4 實際飛行參數(shù)

3 結(jié)果分析

以Phantom4P為例，對無人機的飛控數(shù)據(jù)進行分析，如圖6a所示，由“絕對高度”曲線可以看出，無人機起飛后在海拔841.70 m處停留了88.08 s后，在149.58 s內(nèi)又上升至海拔1279.43 m處，該處為第1個航點；由“距離Home位置”曲線所示，飛行器在第1個航點處開始與遙控器的間距增大；起飛時，衛(wèi)星數(shù)量隨高度升高而增多，降落過程中，衛(wèi)星數(shù)量隨高度降低而減小，在飛行高度進行飛行時，衛(wèi)星數(shù)量維持在17顆左右，“GPS等級”曲線值等于5，并且波動較小，表示信號非常好。但是值得注意的是衛(wèi)星信號強度不僅受衛(wèi)星數(shù)量的影響，還受衛(wèi)星分布與精度因子等方面的影響，所以有時衛(wèi)星數(shù)量多并不一定代表信號強；電池電量整體呈線性減少，表示電池性能較穩(wěn)定，無漏電等異?，F(xiàn)象；圖6b表示了遙控器的數(shù)據(jù)，由于提前進行了航線規(guī)劃，并且飛行過程中信號良好，飛行器未偏航，僅在1354.01秒時干預了返航過程，遙控器在該時刻產(chǎn)生輸入值。

圖6 無人機飛控數(shù)據(jù)

圖7為三種無人機在夏家營子實際航拍結(jié)果圖，從左至右分別為Phantom4P、Mavic2P、M600的航拍結(jié)果，三者進行對比，Mavic2P此次航拍的效果較好，光照均勻，色彩平和；Phantom4P在飛行時有云的覆蓋導致拼合的圖像左側(cè)色調(diào)明顯較暗（圖7b），與右側(cè)對比明顯；M600飛行時使用的相機自動調(diào)整白平衡沒有準確識別色溫，所以無人機飛行時，在光照變化不大時，相機使用手動參數(shù)進行拍照較好。

圖7 航拍結(jié)果—(a)Phantom4P；(b)Mavic2P；(c)M600

4 結(jié)論

（1）航線規(guī)劃的預先規(guī)劃階段，在感興趣區(qū)需要預估環(huán)境相對高度的情況下來確定圖像分辨率，從而得出實際航高，再指定航向/旁向重疊度，計算出拍照間隔，即可進行預先規(guī)劃（若對結(jié)果的空間位置要求較高需要提前找到控制點的大致位置）。通常情況下，規(guī)劃一次飛行的航線距離在8～10 km，覆蓋面積0.4～0.7 km2之間，飛行時間（包括起降時間）在15～20 min之間。

（2）實時規(guī)劃階段，找到合適的起降點，避免無人機距離遙控器太遠而失聯(lián)。若起降點不在一起需要開啟返航點刷新，并進行返航的手動干預，但是在飛行期間盡量避免誤觸。

（3）飛行時實時關注圖傳與天氣，若陰晴不定，需要補拍。在光照條件穩(wěn)定的情況下，盡量使用相機手動調(diào)參。