無人飛行器低空遙感系統機載傳感器搭配方案研究

陳云波，劉義志，蔣小蕾，翁鵬飛

(1.昆明市測繪研究院，云南昆明650051;2.杭州快鳥遙感科技有限公司，浙江杭州310000;3.浙江華東建設工程有限公司，浙江杭州310000)

無人飛行器低空遙感系統機載傳感器搭配方案研究

陳云波1，劉義志2，蔣小蕾2，翁鵬飛3

(1.昆明市測繪研究院，云南昆明650051;2.杭州快鳥遙感科技有限公司，浙江杭州310000;3.浙江華東建設工程有限公司，浙江杭州310000)

根據生產實踐經驗比較幾種常用無人飛行器低空航測系統影像傳感器的優缺點，并提出提高無人機測量精度、多源傳感器集成和跨行業應用的一些實用解決方案。

無人機;傳感器集成;5D Mark II;P65+;H4D-60

無人機低空遙感技術以其快速、低成本、全天候等特點，在近年內得到了迅速推廣，為地理信息產業增添了不少亮點和活力。但是其缺點和局限性也在生產中不斷顯露。筆者根據大量的無人機低空遙感項目實踐，圍繞如何突破無人機在精確測量方面的瓶頸，如何提高作業效率，如何拓展行業應用等問題，對傳感器與飛行平臺的搭配、影像傳感器改進、多源傳感器集成方面進行探討，以期能為同行應用提供一些參考。

一、無人飛行器平臺及其特點

國內的無人飛行器平臺主要包括固定翼無人機、旋翼無人機(無人直升機)、無人飛艇3類。

(1)固定翼無人機

固定翼型無人機結構簡單，動力強，抗風能力強，飛行可控性更高，并且航時長，起飛方式有滑跑、彈射、火箭助推等，適用于大面積航攝，是目前低空遙感領域應用最廣泛的無人飛行平臺。

(2)無人直升機

無人直升機能夠定點起飛、降落，對起降場地的條件要求也不高，其飛行可以人工操作，也可自駕飛行，起降靈活。但無人駕駛直升機的結構相對來說比較復雜，抗風能力弱，穩定性差，姿態控制較難。目前主要應用于300 m以下、小面積的超低空飛行。

(3)無人飛艇

小型無人飛艇可以實現低空、低速飛行，作為一種獨特的飛行平臺其能夠獲取高分辨率的遙感影像，且操控比較容易，安全性好，可以使用運動場或城市廣場等作為起降場地，特別適合在建筑物密集的城市地區和地形復雜地區應用，如城市地形圖的修測、補測，建筑物精細紋理的采集、城市交通監測、通信中繼等。

二、應用現狀:常用影像傳感器搭載方案及其特點

(1)Canon 5D Mark II

Canon 5D Mark II是目前無人機平臺上搭載應用最普及的影像傳感器，其最大像素為2100萬，傳感器為36 mm×24 mm的 CMOS，采用了全新的DIGIC 4影像處理器，較好地提高了產品拍攝的速度與畫質，最高連拍速度能達到3.9張/s。它支持全高清視頻短片拍攝功能，配合高速CF卡，在拍攝1080 dpi高清影片的時候按下快門還能記錄靜態照片。基于這些特點，其特別適合于各種監測，并能與其他非測量用途的傳感器進行集成應用，但是其支持的鏡頭沒有后兩款豐富。

(2)Phase One P40+、P65+

Phase One P40+和P65+的傳感器都為645中畫幅全幅面陣CCD，像元為6 μm×6 μm。P40+最大像素為4000萬，連拍速度為60張/min;P65+最大像素為6048萬，連拍速度為60張/min。它們都不具備視頻拍攝功能，但是能搭配數碼后背，解像能力稱得上完美，像點量測精度大大提高。因此，它適合測量精度高、外業控制布設稀少的項目。但經過大量的飛行檢校證明，這兩款像機的內方位元素不穩定，飛行條件、飛行起落架次都會對其有很大影響，需要經常檢校相機參數來實時改正畸變差。

(3)哈蘇H4D-60

哈蘇H4D-60是目前最先進的中畫幅數碼單反，最大有效像素為6000萬，連拍速度為33張/ min。哈蘇自然色彩解決方案(HNCS)使用單一的色彩描述文件便能夠準確地重現色彩，而其數碼鏡頭校正技術(DAC)，則使得每只HC/HCD鏡頭所拍攝的圖像更為完美，并能將圖像中輕微的桶形畸變、四角暗角或色散現象消除。但是H4D-60改裝電子快門的難度較大。

(4)生產應用經驗總結

根據筆者多年的生產實踐，總結經驗如表1、表2所示。

表1 幾種常用相機的特點及應用總結

表2 不同相機像幅與外業像控、量測精度分析

由表1可以看出，對于一般精度要求的應用，5D Mark II具有較高的性價比，但在高精度方面，顯然是力不從心的。結合表2所總結的外業工作量與采用相機相幅的關系，可以得出:在控制飛行風險的前提下，采用大相幅像機，能夠減少外業布測像控點的工作量，提高工作效能與測量精度。

三、改進與拓展思路:多源傳感器集成及量測相機輕型化

盡管前文所述的大畫幅相機的應用在改進無人機低空航測成果精度和作業效率方面起到了不小的成效，擴大了無人機低空遙感系統的應用范圍，但是與量測相機相比，高程精度還有待提高。另外，目前無人機低空航測系統的應用也比較單一，沒有較好地把影像獲取與其他應用結合。筆者所在的團隊，正在進行以下幾個方面的研究和實踐。

1.多相機集成

(1)5D Mark II側視組合+無人直升機(無人飛艇)——城市精細三維建模解決方案

由于5D Mark II機身輕巧，性價比高，且具有攝影與視頻同步的功能，因此用三相機按“左中右”組成“側正側”布局，或用五相機按“前后左右中”組成“側側側側正”布局，由電子快門控制同步曝光，搭配在無人直升機或無人飛艇上超低空自駕飛行，可以同步獲得城市表面的精細三維模型，是城市精細建模最好的數據源。目前，這種方案在沿海個別城市已開展應用。

(2)多拼相機+無人機——無人機多拼組合航測系統

林宗堅教授已將雙拼組合觀測系統成熟地運用到了無人機上，有效地提高了基高比，進而提高了無人機航測的高程精度。在足夠荷載的動力和空間支持下，在“雙拼組合”理論的基礎上，擴展多拼相機組合，能夠更加優化無人機的作業效率和精度。這種方案，首先要對無人機的氣動布局和機身結構進行改造，并且系統整體的穩定性也較難控制。

2.多源傳感器集成

總體思路是將相機獲取的影像與其他傳感器獲取的其他類型結合，即將影像紋理與其他專題特征進行空間和時間上的融合，拓展其服務領域。

(1)三維激光掃描儀(探地雷達)+5D Mark II +無人機——三維激光掃描測量方案

小型航掃設備的問世，為基于無人機的三維激光掃描提供了應用條件。如必威易的BL50輕質小型化的激光雷達系統，重量10 kg，可搭載在無人機上，結合5D MarkII的高清影像，通過匹配，可快速形成掃描區域內的DSM、DTM、DEM、DOM、DLG。在地質災害定量監測、橋梁、大壩精確測量和建模方面有著廣泛的前景。

(2)氣體探測儀+紅外相機+電動無人直升機——氣體泄漏應急監測系統

有毒有害等危險氣體的泄漏處置，人員接近有很大危險，采用氣體探測儀+紅外相機，采用電動(防爆防燃)無人直升機作為飛行平臺，能及時為事故處置決策提供綜合的信息作為參考。

(3)數字化能譜儀+5D Mark II+無人機——超低空放射測量系統

在遙感中，航空放射性測量是一種有效的手段，對鈾等礦藏有較高的發現能力。與傳統的大飛機航攝相比，無人機可以作超低空飛行，結合輕型的數字化能譜儀，與航攝影像做空間匹配后，能夠探測獲取更高精度、更直觀的放射性能譜異常。相同的工作原理，該集成系統還能夠用于核電站應急監測，放射污染探測。

(4)大氣采樣儀+多光譜相機+無人機——污染監測系統

空氣污染的監測、地面污染、水體污染的綜合監測，需要一個綜合的探測系統。無人機集宏觀性、靈活性和及時性為一體，配合大氣采樣儀、多光譜相機，可以將多光譜影像進行反演，提取出諸如藍藻、固體垃圾、油污等的范圍，并與大氣采樣數據進行匹配，綜合分析污染的原因和程度，為城市規劃和城市管理提供科學參考。

3.無人機搭載相機的改進

(1)大像幅低畸變專用相機研制

由于現在無人機上使用的相機基本上是民用高端相機，并非專為無人機遙感而設計生產，因此存在諸如像幅小、畸變大、內方位元素不穩定、改裝難度大等不足。而光電技術的飛速發展，為無人機航攝專用相機提供了技術基礎，大像幅、低畸變的無人機專用相機研制已取得突破，且已有少量產品問世。

(2)超輕型量測相機研制

由于鏡頭內方位元素檢校的復雜性和不穩定性，目前非量測相機的畸變差改正方法只是一種理論上的改正，檢定的頻率完全達不到參數變化的速度，所能得到的數學精度相對量測相機差距較大，制約了無人機在1∶500、1∶1000比例尺測繪方面的應用。因此，將量測相機輕型化，使其能夠搭載在飛行姿態穩定、荷載能力大的固定翼無人機或飛艇上，是解決無人機低空航測精度的根本途徑。國內的航攝儀如SWDC已打破了多年被國外壟斷的局面，且國內已有研究機構致力于超輕型量測相機的研制中，相信性能簡單、重量輕、體積小的國產超輕型數字量測相機不久將問世，將會大大提高無人機遙感系統的應用范圍。

四、結束語

盡管無人機低空遙感系統在推廣使用過程中遇到了各種各樣的難題，但是其靈活性、時效性、低成本、超低空優勢是無可替代的。因此，對傳感器搭配方案的研究，對無人機遙感產業具有重大意義。

［1］ 張強.低空無人直升機航空攝影系統設計及實現［D］.鄭州:信息工程大學，2007.

［2］ 林宗堅，蘇國中，支曉棟.無人機雙拼相機低空航測系統［J］.地理信息空間，2010(4):1-3，24.

［3］ 張力.航空數字攝影測量傳感器系統新進展［J］.地理信息世界，2009，7(3):37-49.

［4］ 國家測繪局.CH/Z3005—2010低空數字航空攝影規范［S］.北京:測繪出版社，2010.

Discussion of Unmanned Aerial Vehicle Low Altitude Remote Sensing System of Airborne Sensor Matching Scheme

CHEN Yunbo，LIU Yizhi，JIANG Xiaolei，WENG Pengfei

0494-0911(2012)08-0033-03

P246

B

2012-02-21

陳云波(1971—)，男，云南昆明人，碩士，高級工程師，主要從事地理信息系統及3S技術的研究應用工作。