基于無人機平臺的數碼相機應用分析

樂黎明

（1.武漢航天遠景科技股份有限公司，湖北 武漢 430205）

基于無人機平臺的數碼相機應用分析

樂黎明1

（1.武漢航天遠景科技股份有限公司，湖北 武漢 430205）

就無人機平臺對航攝儀的要求，探討了目前無人機平臺上的普通數碼相機應用情況以及應用中存在的問題，為無人機的攝影系統配置提供參考。

無人機；數碼相機；參數比較

操縱的無人駕駛飛行器[1]。無人機遙感與衛星遙感、航空航天遙感相比，有著獨特的優勢：①對場地要求低，作業方式靈活快捷，能快速響應拍攝任務；②平臺構建、維護以及作業成本低；③因其飛行高度低，能夠獲取大比例尺高精度影像，在局部信息獲取方面有著巨大優勢；④飛行高度一般低于1 000 m，不必申請空域；⑤能夠獲取高重疊度影像，增強了后續處理的可靠性；⑥便于攜帶，轉移方便。無人機遙感也有不足，比如對載荷的體積、重量有嚴格限制，對載荷的抗震性能有較高要求，受風速影響較大等。因此其搭載的成像設備為非量測型相機，在拍攝方式和后期處理上都與傳統的航空攝影測量有所不同：①航攝儀的重量要適中。普通的數碼單反相機，具有重量輕、體積小等特點，比較容易與目前的無人機平臺結合，便于安裝與拆卸。②航攝儀的抗震性要好。大多數無人機平臺只有一個發動機，依靠前驅的動力飛行，在飛行過程中震動比較大，因而對航攝儀的抗震性要求較高。③航攝儀的價格不能太貴。由于無人機通常在復雜惡劣的天氣狀況下作業，起降場地大多是臨時安排，環境比較復雜，耗損比較常見，因此航攝儀的價格不能太貴。

1 基于無人機平臺的數碼相機應用情況

1.1 常用的數碼相機及特點

根據無人機平臺對航攝儀的綜合考慮，比較常見的數碼相機有Canon5DMarkⅡ、NikonD800E、PhaseOne等。

1）Canon5DMarkⅡ。2008年汶川地震后，無人機在測繪領域得到快速發展，Cannon5DMarkⅡ作為第一款應用于航測的數碼單反相機被廣泛應用。其有如下優點：①采用佳能自主研發的35 mm全畫幅CMOS圖像感應器，實現了約2 110萬有效像素的高畫質；②配備了更高速、更高畫質的新一代數字影像處理器DIGIC ；③擁有約2 110萬有效像素、約3.9張/s的高畫質、高速連拍性能；④高速高精度的9個自動對焦點加6個輔助對焦點，可快速精準捕捉被攝體；⑤視野率約為98%的全新取景器。

2）NikonD800E。隨著數碼單反相機的發展，作為佳能競爭對手的尼康也推出了一款高性能的數碼單反相機NikonD800E。其特點如下：①尼康FX 格式CMOS 圖像傳感器，具備3 630萬有效像素；② 從ISO100～6 400 的標準ISO感光度，可擴展為ISO50～25 600 相當值；③14 位A/D 轉換和16 位圖像處理帶來豐富的色調和自然的色彩；④進一步改善的高速、多功能、高性能圖像處理工具EXPEED 3；⑤ 玻璃五棱鏡取景器具有約100%的視野率（FX格式）以及約0.7倍的放大倍數；⑥新開發的快門裝置經過200 000次測試，快門速度高達1/8 000 s，閃光同步已達1/250 s。

3）PhaseOne相機。這款可以適用于無人機平臺的PhaseOne數碼單反相機的基本情況如下：①可充電鋰電池，單次充電可提供高達10 000張拍攝；②高達1/4 000 s的高速快門；③最長60 min的長時間曝光；④焦平面式快門模式與葉片式快門模式的自動切換；⑤結構可靠，可用于大批量拍攝；⑥行業內最寬的鏡頭及配件范圍，適用于多種場景拍攝。

1.2 3款相機的比較

1.2.1 基本參數比較

飛思相機使用的是645DF+相機再配上P65和IQ180的相機后背，形成兩款相機。在基本性能指標中，飛思相機的分辨率要比佳能和尼康相機高出一個級別。其中，佳能和尼康相機采用的是CMOS圖像感應器，而飛思相機采用的是CCD圖像感應器。在曝光時間的控制上，飛思相機比佳能和尼康相機要靈活很多。數碼相機基本參數比較如表1。

表1 數碼相機基本參數比較

1.2.2 拍攝照片比較

從CCD的尺寸來看，佳能相機和尼康相機屬于小畫幅相機，而飛思相機可以算是中畫幅的相機。隨著分辨率的提高，拍出照片的大小也不斷變大。數碼相機拍照情況比較見表2。

表2 數碼相機拍照比較

1.2.3 實際測繪應用比較

以10 km×10 km的航攝范圍，拍攝0.2 m分辨率的影像為例，對這幾款相機的使用情況作對比。假設所有相機的焦距均為35 mm，地面高程為0 m，航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%，并且天氣狀況良好。

表3 實際測繪應用比較

從表3可以看出，在相同分辨率和相同焦距的情況下，PhaseOne相機需要的高度更高，對天氣的要求更高；在相同航攝條件下，畫幅越大的相機，基線長度和旁向跨度越大，所需的照片數越少，在內業處理上相對更容易一點。但是畫幅越大，相機的存儲也越大，幾乎是成幾何倍數在增長。

2 應用中存在的問題

2.1 Canon5DMarkⅡ相機

Canon5DMarkⅡ是最早使用在無人機平臺上的數碼單反相機，因而使用最久，在應用過程的問題有：

1）像幅小。按1∶2 000的航攝比例尺，Cannon5DMarkII相機的焦距為35 mm，計算地面上的像幅大小為748.8 m×1 123.2 m。由于高山的原因，整張照片都是一片綠色的森林或者全部是水域，這樣會導致空三處理的困難程度成倍增加。同時，由于像幅小，覆蓋一片同樣大小的區域，Canon5DMarkⅡ相機需要拍攝更多的照片，從而導致內業的工作量也變得十分繁重。

2）基高比太小。Canon5DMarkⅡ相機拍攝的照片比較小，在滿足重疊度的情況下，基線長度短，基高比很小。在航空攝影測量中，基高比是影響高程精度的一個重要因素。因而，在實際應用中，往往平面精度可以達到要求，但高程精度比較差。

3）畸變太大。由于Canon5DMarkⅡ相機是一款非量測型數碼單反相機，雖然也經過檢校，但是由于畸變過大，不能完全消除畸變的影響。因而，在后期內業處理時，經常出現由于畸變帶來的影響導致模型重構出現問題，無法進行高精度的立體測圖。

2.2 NikonD800E相機

NikonD800E相機的分辨率和顏色效果要比佳能提高很多，但像幅大小依然沒有太大的改善。

1）像幅小，照片存儲需求大。NikonD800E的照片像幅大小沒變多少，同樣會產生由于像幅小帶來的問題。照片存儲空間大，也會影響數據處理的速度，會對實際生產進度有一定的影響。

2）光線敏感度高。NikonD800E的顏色效果要比Canon5DMarkⅡ好很多，但同時其光線敏感度也比較強。在遇到大面積水域或者強反射體的時候，地面反射光對拍照效果有很大的影響。

2.3 PhaseOne相機

PhaseOne相機，無論是其體積、重量、成像效果還是價格，都大大超過了前兩款相機。但從攝影測量工作的發展來看，引入這樣一種中畫幅的相機是非常有必要的。隨著PhaseOne相機的引進，圍繞它的爭議就從沒停止過。 1）太貴重。由于無人機平臺的穩定性不高，在生產過程中如果出現故障，則需要寄回原廠修理，導致時間和價格成本太高。

2）工作溫度不能太高。PhaseOne相機的工作溫度為-10 ℃～30 ℃，在晴朗的夏天，溫度很多時候都會超過30 ℃，PhaseOne相機就會出現漏片的情況，這種漏片的情況在航空攝影測量中影響非常惡劣，常常需要補飛，情況嚴重的還要重拍。

3 結 語

近年來，無人機技術不斷發展，大量攝影測量工作者不斷實踐，無人機低空遙感平臺的應用已經積累了大量實際經驗。隨著無人機平臺穩定性的提高，以及高質量數碼單反相機相關技術的突破，會有很多更好的相機應用在低空遙感平臺上。

[1] 李毅,唐長增,鐘承志.淺談無人機遙感的發展[C].全國測繪科技信息交流會,北京,2009

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[3] 陳海玉,秦麗,李文君.利用數碼相機進行攝影測量的精度研究[J].湖北文理學院學報,2012(11):22-26

[4] 吳民慶.淺述數字攝影測量的發展與展望[J].中國包裝工業,2013(10):74

[5] 王留召.小型數字航空攝影測量系統——多面陣數碼航攝儀關鍵技術研究[D].昆明: 昆明理工大學,2006

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[7] 王玉鵬.無人機低空遙感影像的應用研究[D].焦作:河南理工大學,2011

P231

B

1672-4623（2016）03-0040-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.013無人機是一種由無線電遙控設備或自身程序控制

樂黎明，研究方向為無人機在攝影測量中的應用。

2015-03-23。

項目來源：國家科技支撐計劃資助項目（2012BAJ23B03）。