彈射式無人機航攝系統的研究

段朋輝

（河南大學黃河中下游數字地理技術實驗室，河南 開封475004）

無人機航攝系統是利用先進的無人機技術、遙感傳感器技術、通訊技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術，自動化、智能化、專業化快速獲取國土、資源、環境等空間遙感信息，完成遙感數據處理、建模和應用分析的應用技術［1］。近些年，電子技術飛速發展，輕型無人機突破了眾多技術問題，比如飛控導航、航片質量提升、續航時間增加等，成為應用越來越廣泛的新型測繪手段，也得到了市場的普遍認可。

1 發展現狀

近年來測繪地理信息行業在伴隨著國家經濟社會大發展的同時面臨著巨大的機遇和挑戰。隨著國家遙感、測繪技術的大力推動，無人機作為一種新型的遙感平臺，目前逐漸在國家基礎測繪、國土資源調查、礦產資源開發、水利資源利用、農作物監測、城市規劃、土地利用調查、海洋環境監測、公共安全、數字城市建設、國防等領域得到廣泛應用，提供了便捷高效的空間數據的獲取手段。

2 彈射式無人機航攝系統的組成

彈射式無人機航攝系統包括無人機機體、酬載裝置、機載飛控裝置、地面電腦端監控站、彈射裝置以及地面運輸保障系統。無人機機體包括機身以及動力和通訊裝置。酬載是經過檢校，可以執行航拍任務的數碼相機。飛行控制系統由機載GPS、存儲POS數據以及航片的內存卡、導航系統以及傳感器等部件組成。地面電腦端監控站包括工作臺、電腦硬件、監控軟件、導控站和操作手柄等。彈射系統包括飛機彈射起飛所需的彈射架以及彈射繩裝置，地面保障系統主要由運輸車和后勤安全保障車組成。

3 無人機航攝系統的優勢

3.1 獲取的數據時效性強

低空無人機航攝遙感技術擁有快速、高效的反饋信息的能力，這些在傳統的測繪技術中是無法實現的。對于山體滑坡、洪水泛濫、森林救火、海上污染等自然災害的發生，由于時間緊、任務急、情況特殊，利用傳統的遙感測繪手段獲取災區實時影像資料用于災情分析和救援工作的開展就顯得時效性不夠。在突發事件發生后，無人機可以快速響應，對自然條件復雜，人力無法到達的區域執行航拍任務，獲取資料，作為有關部門救災指揮的參考依據。

3.2 機動靈活性高

彈射式無人機對起降場地要求較低，而且安裝、調試、起飛作業快捷，得到廣泛認可和應用。應用無人機能夠在地形復雜、客觀起降條件差等困難地區快速獲取高精度影像數據和資料，提高了測繪應急保障服務能力。

3.3 受天氣影響較小

無人機作業對天氣等條件要求較少。無人機是在云空下低空飛行，天氣不下雨且風速小于4級均可執行任務，還能對漏洞區域進行補充航拍，與常規大飛機航攝相結合，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

低空無人機既能夠像大飛機一樣執行航測任務，而且獲取的數據有較高的價值。常規有人航空攝影測量作業飛行范圍大，需要較高的人力物力，帶來的是高成本。而無人機航攝作業程序簡單，所需人力物力較少，飛行成本相對大飛機來說較低。

4 彈射式低空無人機航攝的實踐過程

4.1 航攝設計

無人機航攝作業前，可以通過谷歌地球等了解攝區地形地貌，通過實地考察攝區周圍是否有機場或其他重要設施，分析評估飛行區域的安全系數，制訂詳細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根據任務要求以及地形條件進行設置。

表1 航攝比例尺與地面分辨率的關系

飛機的航高需要根據地面分辨率以及所使用相機的焦距來確定，公式如下：

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

用像幅邊長的百分數來表示航片重疊度，計算表達式如下所示：

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。

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

公式（4）、（5）中，

RL：測區最低地面分辨率

ER：基準面高程值

EL：最低點高程值

HR：相對航高

d：象元大小

f：相機焦距

LH：最高點重疊度

LC：航向重疊度

EH：最高點高程值

4.2 無人機航攝實施

4.2.1 飛行前檢查

無人機由于其自身的局限性，作業時帶有一定的危險性，所以為了確保飛機能夠安全降落，在每次執行飛行任務之前，按照制定的詳細的檢查表，在不同的準備階段逐項對飛機各部件進行檢查，對電路系統、動力系統、無線電系統應重點檢查，確保正常。根據現場的光照條件等對相機進行調試，使相機的感光度和快門滿足要求。

4.2.2 影像獲取

航攝任務一般需要兩到三人配合完成。在完成飛機聯測以及彈射架的架設之后，確保飛機狀態正常，可以起飛。操控手利用手柄在無人機彈射起飛之后，遙控飛機爬升高度，爬升一定高度之后，地面監控站人員可以切換至導引模式，此時無人機會自動盤旋爬升高度。當無人機達到任務高度時，電腦端發出命令，無人機開始進入攝區，執行航拍任務。航拍任務結束，監控站人員點擊歸航，飛機自動前往事先設定好的歸航點。在盤旋過程中，為了節約飛機能耗，操作手可以在飛機接近自己上空時切換由手柄操作，人工操作可以使飛機快速地降低高度。操作手按照逆風的原則來調整飛機的降落航向，當飛機盤旋至降落點高度，操控飛機至選定的降落場地，開傘降落。飛行控制過程中，操作手需要不斷詢問監控站人員飛機在空中的飛行參數，例如飛機高度、風速、電壓等，以便其做出正確判斷。

4.3 無人機影像質量檢查

完成航攝任務后，要對相片的質量進行檢查，檢查指標包括相片重疊度、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，使用飛行控制數據和導航數據來檢查路線的曲率，飛行高差等參數，被存儲在相應文件夾中的圖像上的名稱按照無人機曝光順序命名。相機參數主要包括相機焦距、鏡頭畸變、像元大小等也需要提交給內業，可以保證內外業連貫性。

5 彈射式無人機航攝實踐需要注意的若干問題

5.1固定翼無人機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射設備，否則會影響地面站與無人機之間的通信。

彈射式無人機應該逆風起飛，所以彈射架在有風的情況下應該朝向逆風方向，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留空間來應急開傘，從而減小對無人機的損害。降落場地一定要平坦開闊，降落點周圍200米內沒有高大障礙物，以保證無人機降落安全。同起飛的原則一樣，降落也要求逆風降落。

5.2無人機的相片質量檢查時的要求為航向重疊度一般應為60%～80%；相鄰航線的像片旁向重疊度一般應為15%～60%[2]。現在市場上的無人機普遍重量較輕，在空中作業時很容易受風的影響而偏離設定航線，偏離航線造成的后果就是出現航攝漏洞。同時，受風的影響，無人機姿態不平穩，翻滾出現異常就會導致旁向重疊度的忽大忽小。因此，在設計航線時，旁向重疊度一般設置在40%以上，航向重疊度在65%以上。

5.3由于飛機動力系統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。所以在外出執行任務期間，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℃的情況下要謹慎選擇飛行任務，一個架次的任務區域要適中，不能過大，要充分考慮電池受氣溫影響后的續航能力。

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

6 討論

目前國內無人機航攝行業發展越來越快，技術也逐漸趨于成熟，在很多領域都得到了廣泛應用。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量如何是取決于航片的質量，航片質量的提高需要有一個穩定的平臺，而無人機體積小，重量輕，抗風能力差，在低空作業很容易受天氣情況的影響。增加飛機的重量可以提高其抗風能力，但是無人機不管采用電動還是油動方式，載重都很有限，所以在不增加飛機載重的情況下如何通過改進設計和提高飛行控制技術來提高抗風性能，保證飛行的穩定性以及保證航片的高質量，是無人機成為理想的遙感平臺亟須解決的問題[3]。

6.2一個行業的發展壯大必須有自己的行業標準，當前的無人機航攝市場還不成熟，存在一些亂象，自身要增加技術投入，提高技術水平，同時也需要政府部門聯合企業制定行業標準，治理亂象，有利于促進無人機航攝行業的積極發展。

6.3相對于大飛機航空攝影測量來說，無人機體積小、載重輕，無法使用專業航空相機以及姿態記錄儀等輔助設備，導致航片的技術參數較少，后期內業處理比較繁瑣，處理結果的精度離工程實際要求還有一定差距。

6.4無人機的續航時間一般較短，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的時間。并且由于無人機起降場地對于凈空條件要求較高，限制了無人機在城市和山區執行任務的可行性。

［1］李德仁，關澤群.空間信息系統的集成與實現［M］.武漢：武漢測繪科技大學出版社，2002.

［2］何敬，李永樹，魯恒，等.無人機影像的質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，等.無人機遙感發展與應用概況［J］.遙感信息，2009（1）：88-92.