提高无人机航空摄影效率的思路及探索

宋树军，刘 锐

（1.广东省国土资源测绘院，广东 广州 510500）

自2008年汶川地震开始，采用“无人机”进行应急测绘逐渐成为国家应对突发自然灾害的重要手段。国家测绘地理信息局大力推广无人机低空航空摄影，快速进行数据获取，提高测绘服务效率。更加高效地获取目标区域的影像，提高无人机低空航空摄影测量的效率，是做好测绘工作、提高服务职能的重要举措。

本文对无人机航空摄影效率的影响因素进行了分析和探索，同时结合实际情况对无人机航摄系统进行了升级改造，对提高无人机航空摄影的效率进行了验证。

1 无人机航空摄影测量系统简介

1.1 无人机低空航空摄影测量系统的定义

无人机遥感是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，自动化、智能化、专用化快速获取国土、资源、环境等空间遥感信息，完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术[1]。

无人机遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势，已经成为世界各国研究的热点课题，现已逐步从研究开发发展到实际应用阶段，成为未来的主要航空遥感技术之一。

1.2 无人机航空摄影测量系统的组成

无人机航摄系统包括无人机飞行平台、数码相机系统、飞行控制系统、地面监控系统、地面保障系统、配套软件系统6部分（见图1）[2]。

图1 无人机航空摄影示意图

1.3 无人机低空航空摄影的优势

无人机低空航空摄影的优势主要有以下5点：

1）运输组装方便。相对于传统航空摄影，无人机航摄不需要专门机场调运、调配，可用小型汽车装载运输，可随时组装。

2）天气影响较小。无人机航摄系统受天气条件影响较小（只要不下雨、风速小于4级均可进行）,还具有云下摄影的优势。

3）起飞方式多样。无人机不需要专门机场和跑道，可在普通公路上滑跑起降或采用弹射方式起飞、伞降方式降落。

4）避免空域管制。传统航摄对空域的要求手续繁多，无人机航摄能很大程度上节省申请手续需要的时间和精力，基本能够做到即到即飞。

5）作业成本较低。相对于传统有人驾驶航摄飞机，无人机航摄系统购置成本及使用、维护费用都较低，无人机航摄无需专业航测设备，普通民用单反相机即可作为影像获取的传感器，可减少投入。

1.4 无人机航空摄影测量的成果及其应用

无人机航测成图的成果种类与传统航空摄影测量基本一致，主要有DOM、DEM、DLG以及相关组合成果和衍生成果（如数字影像地图等）。

2 无人机航摄效率影响因素分析

无人机航摄效率的影响因素主要包括以下4方面：①摄区面积；②无人机续航时间；③相机续航时间；④相机的像幅大小。公式为：

式中，N为摄区飞行架次数；PArea为摄区面积；FArea为单架次航摄面积；Int()表示将数字向下舍去到最接近的整数。

由式（1）可知，航摄架次与摄区面积成正比，与单架次航摄面积成反比。因此，在保障摄区任务的前提下，要提高航摄效率，只有提高单架次的航摄面积。而单架次的航摄面积与以上的②③④因素直接相关。

如果把单架次的航摄面积分摊到每张有效的像片上，那么每张像片的有效面积可以近似认为是单像片扣除单次重叠后的面积，即

单架次航摄面积 = 单像片有效面积×片数 = 单像片长×（1-航线重叠）×单像片宽×（1-旁向重叠）×飞机和相机续航时间的最小值内拍的片数

根据投影关系[3]：

可得到单片贡献面积SArea:

式中，f为焦距，单位为mm；H为相对航高，单位为m；u为像元大小，单位为mm；GSD为地面分辨率，单位为m；Row和Col分别为像片行数和列数；Oc为航向重叠度；Or为旁向重叠度。

以上推理基于固定地面分辨率的情况，而这也是生产中常用的情况。由公式（3）的分析得出结论为：①单架次航摄面积与相机像元大小以及航高的平方成正比，与焦距的平方成反比；②单架次航摄面积与像幅大小成正比；③单架次航摄面积与航摄时间成正比。

要提高无人机的航摄效率，可以采取如下措施：①选择较高的航高和短焦相机；②减少影像重叠度；③选择大容量的相机电池；④增大无人机的载油量；⑤减少单位时间消耗的油量。

实际作业中，相机的焦距是固定的，影像重叠度必须得到保证，因此增大油箱容量和减少单位时间油耗是最可行的办法。

单位时间的油耗，实际体现的是无人机螺旋桨的效率问题。在空气动力学理论中，一般用以下公式来表示：

式中，η为螺旋桨的效率；r为桨叶上任一剖面到旋转轴的距离；θ为剖面角（螺距）；V为前进速度；D为螺旋桨直径；P为旋转阻力[4,5]。

由式（4）可以得出，在机型一定的情况下（此时P为定值），η与 tanθ成正比，即其他条件确定的情况下，螺距越大则螺旋桨效率越高；同时，桨尖处螺距角的影响比靠近旋转轴处的角度影响更大[6]。

因此，在其他条件不变的情况下，通过用砂纸打磨螺旋桨，修改螺旋桨桨叶翼面与旋转平面的交角（重点是桨尖处的角度）的方法，增大螺旋桨的螺距，可提高无人机的效率，减少油耗[7]。

3 设备改造和实际验证

3.1 无人机设备情况

我院购置的无人机航摄系统为ZC-II型，具体设备情况如表1所示。

表1 现有设备情况表

3.2 设备改造

1）拆——拆除原有附加的部分次要零件，减轻总体重量，增加载荷；

2） 装——增加一个附加的小油箱（约0.5 L的容积）；

3）改——修改螺旋桨的螺距，降低飞行过程富余的转速，来达到减少油耗、提高油料利用效率的目的；

4）换——升级相机为全画幅的NikonD800E，像元大小为4.8 μm，焦距仍为35 mm。

通过以上4个步骤的升级改造，无人机续航能力得到提高，航摄能力和效率得到极大的提升。

3.3 效率对比验证

我院在广东省数字县区试点影像数据获取和生产项目中使用无人机进行影像获取，并对无人机改造前后的航摄效率进行了对比。按照项目1︰2 000比例尺要求，地面分辨率不低于20 cm的情况，无人机升级改造前后的效率如表2 所示。

表2 无人机升级改造前后航摄效率对比表

通过对比，改造前后的航摄效率有了4倍的提升，反映到实际生产中，后处理工作量也随之减少，实际效果会更好。

3.4 出现的问题及注意事项

在修改螺旋桨螺距时，一定要结合每台发动机的实际性能进行。逐步微调，找到速度和效率的平衡点，挖掘飞机的潜能。

4 结 语

本文通过对影响无人机航摄效率的相关因素的分析，得到提高其效率的可行性方案，进行无人机的升级改造，挖掘无人机的潜力，并在实践中进行了验证，对航摄效率提高效果明显，使无人机进行大面积航摄作业成为可能。

今后，采用大载荷、装载更多油料和搭载更大像幅的相机的大中型无人机，进一步提高航摄效率值得期待。

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