基于固定翼無人機的航空影像獲取方法

劉 輝

（遼寧省自然資源事務服務中心—遼寧省基礎測繪院，遼寧 錦州 121003）

0.引言

近些年，無人機以低費用、靈活性強、風險低、操作便捷等優勢越來越多地應用到各個行業領域，日益貼近我們的生活，該項技術也處于高速發展期，逐漸趨于成熟。固定翼無人機在測量領域里的運用非常廣泛，攜帶相機等測繪設備，一架續航時間2.5h、時速80km的電動固定翼無人機，一個架次就可以測繪20km2的面積，這在地震、洪水等自然災害發生后的應急救援中的優勢尤為明顯[1]。固定翼的氣動效率特別高，因此續航長、活動范圍大，在大范圍監控中，特別是森林防火中的表現尤為突出，同時，固定翼無人機還是偏遠地區的輸電線路、石油管道等長距離巡檢的利器[2]。

UV20無人機系統是基于GPS導航的全自主無人駕駛航空飛行器系統，電動航時1:30，系統通過攜帶任務載荷（佳能5D III數碼相機）執行遙感飛行任務，能夠全自動、高精度地獲取遙感數據，起飛回收方式為彈射起飛、傘降回收，按照程序自動完成彈射和開傘過程。

1.UV20無人機系統構成

UV20無人機系統主要由飛行器、飛行控制系統、數據鏈系統、地面站系統、任務載荷系統、彈射器系統組成。

飛行器包括飛機機體（機身、機翼、尾翼等）、動力推進裝置、飛行操縱裝置、供電系統。

飛行控制系統也稱自駕儀，飛機的飛行控制主要由自動駕駛儀完成。負責無人機導航與控制，完成無人機的自主起飛、爬升、巡航、降高及回收，是系統最關鍵的部件，UV20無人機航攝系統的飛行控制系統使用加拿大Micropilot公司MP2028型號自動駕駛儀，集成了無人機自動駕駛儀的全部功能。

數據鏈系統是使用電臺（遙控發射器）通過天線發射無線電，與飛機實現數據通訊，完成數據傳輸實現控制和監測飛機狀態等作用。

地面站系統主要是利用地面控制軟件，配合地面的數據通訊系統，完成對無人機飛行的航線規劃、各類狀態檢測、關鍵數據監測、飛行數據（如，無人機位置、速度、高度等）、航線的實時監測和更改、控制任務載荷等。地面站軟件界面包括三大功能區，分別為地圖顯示區、控制區、實時測控區。顯示地圖、航線、飛行軌跡、飛機位置、姿態、高度等信息。控制飛行和任務載荷功能（如，相機試拍、緊急返回、取消作業）。監控飛機當前位置、高度、飛機的姿態、空速、地速、相機曝光位置、飛行時間、動力電池余量等。

任務載荷就是無人機平臺搭載的各種任務設備，如，攝像機、雷達等。傳感器的搭載要根據工作需要，當然也得考慮無人機平臺的載荷，還要具體傳感器的工作條件要求[3]。本套UV20無人機系統搭載了佳能5D markⅢ數碼相機，配備35mm定焦鏡頭。

彈射器由滑道、橡皮繩和小車絞盤、拉力計等組成。為了方便運輸，滑道為3段可折疊式設計，每段1m，滑道組裝完成后，總長3m；位于彈射架后端的絞盤，則是通過12v蓄電池驅動下，拉動小車增加彈力的裝置。

2.UV20無人機系統最低作業條件

通過多次測試，總結該套UV20無人機系統應用在各類影像獲取工作中的經驗，得出了固定翼無人機在作業時需具備天氣、地理環境等的最低條件。

2.1 起降場地的要求

2.1.1 地形和障礙物因素

由于UV20無人機系統需要依靠彈射器起飛，依靠降落傘自然落體降落。起飛時有一段低空滑起的過程，降落時有一段開傘飄落的過程，因此對起飛場地周邊環境的要求非常高。我們通過大量的實際飛行，總結分析了起飛、降落相關數據，確定了起降場要求為：地勢平坦[4]，起飛方向1000m、左右500m不能有障礙物（如，旗桿、電線桿、樹木等）。

2.1.2 風速、風向等因素

風對于起飛、傘降的影響都是非常大的，起降場位置要求風速和風向一定穩定，一般要選擇山坡的迎風面，盡量不選擇在山坡的背風面和山谷內，因為這里的風在受到地面起伏影響時會形成亂流，風速、風向都極為不穩定，影響飛機起飛甚至摔壞飛機。在飛機降落過程中，容易出現場地里的風速和風向與空中的不一致情況，導致操作人員在預判飛機的空中開傘點不準確，造成飛機降落時飄向無法控制的區域，嚴重的可能損壞飛機。

2.1.3 地面站電臺鏈路因素

地面電臺需要實時監控無人機的飛行姿態，并在發生緊急情況時對無人機進行操控，最好要保持電臺與飛機之間沒有遮擋，確保鏈路通暢。因此要求起降場地與任務區的連線方向不能有高大的建筑物和山體等遮擋。另外，電臺的發射半徑為30km，因此起降場與任務區距離應不超過30km。

2.2 最低的天氣條件要求

雷雨、陰雨天氣不能飛行，主要是因為UV20無人機系統由很多電子元件組成，很多元件沒有進行防水設計。

風速大于為8m/s不能飛行。因為風速大于8m/s時，飛機按照巡航速度飛行時，順風空速會降低到飛行速度標準以下，導致飛機無法保持姿態發生危險。

受地面電臺功率發射半徑大約30km的限制，總結出起降場地距離任務區需要低于30km。

3.影像獲取與處理

固定翼無人機航攝系統作業流程分別為前期準備、實施航攝、數據分析和檢查及成果整理（如圖1所示）：

圖1 影像獲取作業流程

本文以在遼寧省北票市炒米甸子村開展的航飛試驗為例，按照上述作業流程進行數據獲取。

3.1 影像獲取區域概覽

飛行區域位于北票市炒米甸子村，測區內地形主要為丘陵地，面積約60km2，地面分辨率15cm。根據對場地和周邊環境的要求，設計飛行高度1200m。攝區范圍示意圖（如圖2所示）：

圖2 影像獲取范圍示意圖

3.2 前期準備

3.2.1 機載動力電源充電

調整充電器充電電流為2A到3A，對電池進行充電，直至充電器自動判斷充電完成。緊急情況下，任務十分緊急，使用快速充電電流5A對電池進行補充電操作，為了提高電池的壽命和確保性能的可靠性，不建議頻繁的大電流充電操作。

3.2.2 地面站計算機

外場作業前，對便攜式計算機的可靠性進行評估，不應使用存在故障隱患的計算機，包括：計算機啟動或運行過程中系統長時間失去響應、計算機啟動或運行過程中藍屏、計算機輸入輸出設備故障或疑似故障、可能存在病毒或蠕蟲入侵、計算機響應速度過慢。確保計算機電量充足，以滿足外場作業筆記本電腦的供電需要。

3.2.3 彈射架蓄電池充電

外場作業前，保證彈射器絞盤供電蓄電池電量足夠，確保彈射器正常工作。

3.2.4 彈射架檢查

檢查彈射架的滑軌是否有變形，橡筋是否有破損，發射扳機能否正常打開、關閉。

3.2.5 測區地圖緩存

打開地面站軟件，找到任務區域，標繪范圍點至地面站軟件中，下載范圍內地圖（緩存至15層），下載完成后，預先規劃航拍航線，在任務區域30km范圍內，預選滿足條件的起、降場地，備選2-3個。

3.3 實施航攝

3.3.1 起飛點、起飛方向確認

綜合考慮起降場地的地理條件、風向、風速等多方面因素，將起飛點選在起降場地長邊的下風處，起飛方向對準場地內迎風方向或長邊方向，即起飛方向對著東北方向。

3.3.2 彈射架組裝

將三折式彈射架安置在起飛點位置上，將彈射架拉開并鎖定緊固螺栓，調整方向使其對準起飛方向，再將彈射架后方腳位固定到場地上，在其后方釘入固定銷子，以防止其反彈，將前方腳位調整至合適高度，使其仰角滿足UV20無人機的起飛角度。調整后方腳位，確保彈射架滑道的后端處于水平狀態；調整彈射架前方腳位，確保彈射架滑道的前端處于水平狀態。

3.3.3 彈射架測試

將組裝好的彈射架安置好后，對其進行檢測。首先，將小車拉至彈射架底端，鎖定小車開關，插上安全銷，將試射鐵鳥安置到小車上，然后，使用絞盤將橡皮繩加力，當絞盤拉力顯示為210N時，拔出安全銷，打開小車開關，將鐵鳥釋放出去；最后，量取鐵鳥從彈射架頂端至落地點的距離，距離超過20m，證明彈射架姿態良好，可以正常使用。

3.3.4 飛機組裝

彈射架安置好后，進行飛機的組裝，主要包括機翼、尾翼、動力電池、飛機回收裝置（降落傘和氣囊等），任務載荷（數碼相機）等的安裝。

3.3.5 地面站設置

在地面站架好天線，將天線的同軸電纜與電臺端口連好，再將電臺的數傳USB連接線接口接到地面站電腦的USB口上，并安裝好電臺驅動。

3.3.6 起飛前UV20無人機檢查

將組裝好的UV20無人機安置在彈射架的小車上，鎖死小車后開始檢查飛機狀態。先將地面站通過電臺與飛機連接，建立連接后在地面站上檢查數傳狀態，檢查飛機傳給地面站的信息是否正確，包括飛機的位置、空速等信息，著重在地面站上檢查動力電源是否高于25v；測試發動機轉速，給飛機起飛指令、檢查飛機轉速是否高于6900r/s；檢查無人機回收裝置，測試降落傘打開功能，檢查傘艙蓋是否能正確打開，檢查氣囊充氣功能；檢查任務載荷（航攝相機），試拍像片，檢查相機是否正常拍照。一切檢查和準備就緒后，等待執行任務。

3.3.7 執行任務

將航攝計劃上傳到無人機飛行控制器中，按照放飛程序將UV20無人機彈射升空。無人機彈出后，由飛行控制器進行自動控制，爬升到300m高度后空中待命盤旋，地面站操作員確認系統工作正常后，點擊作業按鈕，安排無人機進行航拍作業，無人機到達預定航線和預定高度后，開始逐航線獲取像片，完成一個架次后，自動返航，并在起飛點上空300m高度盤旋。

3.3.8 UV20無人機的回收

無人機在自動返航后，在上空盤旋等待指令，這時，綜合考慮場地地理條件和風速、風向（影響飛機開傘后飄落方向和距離）后，確定降落傘的開傘位置，然后啟動回收程序，降落傘打開后，地勤人員第一時間趕到飛機落地位置，將降落傘和飛機快速分離，防止降落傘拉扯飛機在地面上拖拽，造成飛機受損。

3.4 航攝設計

飛行區域面積60km2，按照UV20無人機的性能特點和航攝相關技術要求設置參數如下：分辨率為15cm，旁向重疊度50%，航向重疊度80%，航線角度為35°。按4個架次規劃航線，4個架次的航線設計分別如下，架次1：覆蓋范圍8km2，航線角度340°，航線數量8條，航線總長114km；架次2：覆蓋范圍16km2，航線角度340°，航線條數8條，航線總長59km；架次3：覆蓋范圍19km2，航線角度340°，航線條數8條，航線總長58 km；架次4：覆蓋范圍18km2，航線角度340°，航線條數9條，航線總長60km。

3.5 數據分析和數據檢查

數據分析和檢查主要包括：數據下載、數據檢查、數據質量評估、測區覆蓋情況檢查等。

3.5.1 數據下載

主要包括像片數據和機載POS數據下載，本測區共拍攝像片1226張，記錄POS點位信息1226個，通過對POS數據與下載像片的數量進行分析比對，數量一致，可以將POS點位信息與像片號相對應，制作mark文件。

3.5.2 數據檢查

數據檢查主要含測區覆蓋情況、像片效果檢查。使用ArcGIS軟件將POS的經緯度數據，繪制展點圖檢查測區覆蓋情況。之后逐片進行像片質量檢查，本測區的航攝像片均十分清晰、層次分明、沒有污點、云霧等遮擋等情況，質量合格。使用POS數據檢查像片獲取范圍（如圖3所示）：

圖3 使用POS數據檢查像片獲取范圍

3.6 使用PhotoScan軟件快速生成影像

使用PhotoScan軟件制作影像數據共分為三個主要步驟，分別為數據準備、數據解算工作流和數據成果輸出。

3.6.1 數據前期準備

先將原始像片（JPG或者TIF格式）和POS參數文件（.TXT后綴）引入到軟件中，打開地理參考選項卡、匹配像片和POS數據，完成數據加載工作。

3.6.2 影像制作

影像制作的流程包含對齊像片（像片的相對定向）、優化對齊方式（無約束空中三角測量）、量測像控點、再次優化對齊方式（約束空中三角測量）、空三精度分析、生成密集點云、生成網格、建立DOM等。

對齊像片的精度參數可設置為最低、低、中、高、超高，隨著相對定向精度的提高，效率逐漸降低，一般選擇中等或高等精度即可。在進行13個共線方程參數的設置和優化后即完成了無約束空中三角測量。量測像控點時，將像控點坐標導入地理參考選項卡中，逐點位進行量測，準確量測像片上像控點的同名點位后，再進行一次優化對齊，完成約束空中三角測量。統計并分析像控點精度情況，剔除粗差，保存空三成果。制作影像需要逐步生成密集點云、網格（DSM），最后生成正射影像（DOM），一般情況下，選擇像片原始分辨率生成DOM。

3.6.3 成果輸出

輸出正射影像成果時，在軟件中配置輸出參數，包括影像格式、地面分辨率、建立TFW文件和金字塔文件、是否裁切等，最后，導出正射影像（DOM）成果。后續可以按需導出包括項目概況、相機標定、地面控制點精度、處理參數等信息在內的項目生產報告。

3.7 成果整理

將檢查后的數據成果封裝起來，建立專用目錄，包括：“原始數據（POS數據、像片數據）”影像資料（TIFF格式）”等文件。

4.結論與展望

通過上述對固定翼無人機詳細地分析和闡述，總結出以下的飛行使用條件：通常航線長度超過200km，并且周圍30km范圍內能夠找到適合的起降場，天氣適合的條件下就可以優先考慮使用固定翼無人機進行航攝；當風力達到4級以上時，一般只考慮使用固定翼無人機；當航攝面積較大，超過60km2，地面分辨率可以放寬到15cm及以上時，多數考慮使用固定翼無人機。

無人機以其廣闊的發展前景和應用領域受到了越來越多地關注，固定翼無人機作為無人機家族中重要的一員，只有不斷總結并優化操作方法，才能發揮其做大效能。本文總結的固定翼無人機作業流程具有普適性和較強的實用性，能夠對類似項目的實施提供一些參考。