弹射式无人机航摄系统的研究

段朋辉

（河南大学黄河中下游数字地理技术实验室，河南 开封475004）

无人机航摄系统是利用先进的无人机技术、遥感传感器技术、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，自动化、智能化、专业化快速获取国土、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］。近些年，电子技术飞速发展，轻型无人机突破了众多技术问题，比如飞控导航、航片质量提升、续航时间增加等，成为应用越来越广泛的新型测绘手段，也得到了市场的普遍认可。

1 发展现状

近年来测绘地理信息行业在伴随着国家经济社会大发展的同时面临着巨大的机遇和挑战。随着国家遥感、测绘技术的大力推动，无人机作为一种新型的遥感平台，目前逐渐在国家基础测绘、国土资源调查、矿产资源开发、水利资源利用、农作物监测、城市规划、土地利用调查、海洋环境监测、公共安全、数字城市建设、国防等领域得到广泛应用，提供了便捷高效的空间数据的获取手段。

2 弹射式无人机航摄系统的组成

弹射式无人机航摄系统包括无人机机体、酬载装置、机载飞控装置、地面电脑端监控站、弹射装置以及地面运输保障系统。无人机机体包括机身以及动力和通讯装置。酬载是经过检校，可以执行航拍任务的数码相机。飞行控制系统由机载GPS、存储POS数据以及航片的内存卡、导航系统以及传感器等部件组成。地面电脑端监控站包括工作台、电脑硬件、监控软件、导控站和操作手柄等。弹射系统包括飞机弹射起飞所需的弹射架以及弹射绳装置，地面保障系统主要由运输车和后勤安全保障车组成。

3 无人机航摄系统的优势

3.1 获取的数据时效性强

低空无人机航摄遥感技术拥有快速、高效的反馈信息的能力，这些在传统的测绘技术中是无法实现的。对于山体滑坡、洪水泛滥、森林救火、海上污染等自然灾害的发生，由于时间紧、任务急、情况特殊，利用传统的遥感测绘手段获取灾区实时影像资料用于灾情分析和救援工作的开展就显得时效性不够。在突发事件发生后，无人机可以快速响应，对自然条件复杂，人力无法到达的区域执行航拍任务，获取资料，作为有关部门救灾指挥的参考依据。

3.2 机动灵活性高

弹射式无人机对起降场地要求较低，而且安装、调试、起飞作业快捷，得到广泛认可和应用。应用无人机能够在地形复杂、客观起降条件差等困难地区快速获取高精度影像数据和资料，提高了测绘应急保障服务能力。

3.3 受天气影响较小

无人机作业对天气等条件要求较少。无人机是在云空下低空飞行，天气不下雨且风速小于4级均可执行任务，还能对漏洞区域进行补充航拍，与常规大飞机航摄相结合，能够较好地减少天气条件对于航摄的影响。

3.4 运行成本低

低空无人机既能够像大飞机一样执行航测任务，而且获取的数据有较高的价值。常规有人航空摄影测量作业飞行范围大，需要较高的人力物力，带来的是高成本。而无人机航摄作业程序简单，所需人力物力较少，飞行成本相对大飞机来说较低。

4 弹射式低空无人机航摄的实践过程

4.1 航摄设计

无人机航摄作业前，可以通过谷歌地球等了解摄区地形地貌，通过实地考察摄区周围是否有机场或其他重要设施，分析评估飞行区域的安全系数，制订详细可行的航摄实施计划。需要对地面分辨率、航线重叠度以及飞行高度等重要参数根据任务要求以及地形条件进行设置。

表1 航摄比例尺与地面分辨率的关系

飞机的航高需要根据地面分辨率以及所使用相机的焦距来确定，公式如下：

公式（1）中，f为焦距，H为飞机的航高，d为像素值。此处的航高是相对高程值，指飞机相对于地面基准面的高度。

用像幅边长的百分数来表示航片重叠度，计算表达式如下所示：

公式（2）、（3）中，Lx，Ly分别表示沿航线方向和垂直航线方向在地面上的长度；qx，qy分别表示航向重叠和旁向重叠度。

相对于平原地区来说，山地地形设计航线时最低地面分辨率和最高点重叠度也要考虑在内，计算公式如下所示：

公式（4）、（5）中，

RL：测区最低地面分辨率

ER：基准面高程值

EL：最低点高程值

HR：相对航高

d：象元大小

f：相机焦距

LH：最高点重叠度

LC：航向重叠度

EH：最高点高程值

4.2 无人机航摄实施

4.2.1 飞行前检查

无人机由于其自身的局限性，作业时带有一定的危险性，所以为了确保飞机能够安全降落，在每次执行飞行任务之前，按照制定的详细的检查表，在不同的准备阶段逐项对飞机各部件进行检查，对电路系统、动力系统、无线电系统应重点检查，确保正常。根据现场的光照条件等对相机进行调试，使相机的感光度和快门满足要求。

4.2.2 影像获取

航摄任务一般需要两到三人配合完成。在完成飞机联测以及弹射架的架设之后，确保飞机状态正常，可以起飞。操控手利用手柄在无人机弹射起飞之后，遥控飞机爬升高度，爬升一定高度之后，地面监控站人员可以切换至导引模式，此时无人机会自动盘旋爬升高度。当无人机达到任务高度时，电脑端发出命令，无人机开始进入摄区，执行航拍任务。航拍任务结束，监控站人员点击归航，飞机自动前往事先设定好的归航点。在盘旋过程中，为了节约飞机能耗，操作手可以在飞机接近自己上空时切换由手柄操作，人工操作可以使飞机快速地降低高度。操作手按照逆风的原则来调整飞机的降落航向，当飞机盘旋至降落点高度，操控飞机至选定的降落场地，开伞降落。飞行控制过程中，操作手需要不断询问监控站人员飞机在空中的飞行参数，例如飞机高度、风速、电压等，以便其做出正确判断。

4.3 无人机影像质量检查

完成航摄任务后，要对相片的质量进行检查，检查指标包括相片重叠度、航带弯曲度、旋偏角等方面。人工选取同名点来计算重叠度和旋偏角，使用飞行控制数据和导航数据来检查路线的曲率，飞行高差等参数，被存储在相应文件夹中的图像上的名称按照无人机曝光顺序命名。相机参数主要包括相机焦距、镜头畸变、像元大小等也需要提交给内业，可以保证内外业连贯性。

5 弹射式无人机航摄实践需要注意的若干问题

5.1固定翼无人机弹射起飞和伞降对场地要求相对较小，只需要有一块比较空旷平整的场地。起飞降落场地周围不能大功率无线电发射设备，否则会影响地面站与无人机之间的通信。

弹射式无人机应该逆风起飞，所以弹射架在有风的情况下应该朝向逆风方向，有陡坡的地方要安置在陡坡边上。如果有一定的高差，可以在弹射失败的情况下给操作手预留空间来应急开伞，从而减小对无人机的损害。降落场地一定要平坦开阔，降落点周围200米内没有高大障碍物，以保证无人机降落安全。同起飞的原则一样，降落也要求逆风降落。

5.2无人机的相片质量检查时的要求为航向重叠度一般应为60%～80%；相邻航线的像片旁向重叠度一般应为15%～60%[2]。现在市场上的无人机普遍重量较轻，在空中作业时很容易受风的影响而偏离设定航线，偏离航线造成的后果就是出现航摄漏洞。同时，受风的影响，无人机姿态不平稳，翻滚出现异常就会导致旁向重叠度的忽大忽小。因此，在设计航线时，旁向重叠度一般设置在40%以上，航向重叠度在65%以上。

5.3由于飞机动力系统所采用的是大容量锂电池，同时锂电池在冬季使用效能会随着气温的降低而降低。所以在外出执行任务期间，一定要注意电池的保暖，不要使电池过早暴露在寒冷的空气中使电池效能在飞行过程中迅速降低。另外就是室外温度低于5℃的情况下要谨慎选择飞行任务，一个架次的任务区域要适中，不能过大，要充分考虑电池受气温影响后的续航能力。

5.4在正常情况下，负重5KG的飞机起飞弹射力度需要40KG。在冬季作业时，由于弹射绳在寒冷的空气中长期保持紧绷状态会导致弹性降低，影响起飞。所以要选择更多地弹射力度，保持在60～70KG，这样可以避免飞机由于弹射绳弹性降低而出现弹射不成功的情况。

6 讨论

目前国内无人机航摄行业发展越来越快，技术也逐渐趋于成熟，在很多领域都得到了广泛应用。但是，其自身仍然存在一些缺陷：

6.1航空摄影测量的成果质量如何是取决于航片的质量，航片质量的提高需要有一个稳定的平台，而无人机体积小，重量轻，抗风能力差，在低空作业很容易受天气情况的影响。增加飞机的重量可以提高其抗风能力，但是无人机不管采用电动还是油动方式，载重都很有限，所以在不增加飞机载重的情况下如何通过改进设计和提高飞行控制技术来提高抗风性能，保证飞行的稳定性以及保证航片的高质量，是无人机成为理想的遥感平台亟须解决的问题[3]。

6.2一个行业的发展壮大必须有自己的行业标准，当前的无人机航摄市场还不成熟，存在一些乱象，自身要增加技术投入，提高技术水平，同时也需要政府部门联合企业制定行业标准，治理乱象，有利于促进无人机航摄行业的积极发展。

6.3相对于大飞机航空摄影测量来说，无人机体积小、载重轻，无法使用专业航空相机以及姿态记录仪等辅助设备，导致航片的技术参数较少，后期内业处理比较繁琐，处理结果的精度离工程实际要求还有一定差距。

6.4无人机的续航时间一般较短，而起飞和降落过程又占用了较多的时间，缩短了航摄有效作业的时间。并且由于无人机起降场地对于净空条件要求较高，限制了无人机在城市和山区执行任务的可行性。

［1］李德仁，关泽群.空间信息系统的集成与实现［M］.武汉：武汉测绘科技大学出版社，2002.

［2］何敬，李永树，鲁恒，等.无人机影像的质量评定及几何处理研究［J］.测绘通报，2010（4）：22-24.

［3］金伟，葛宏立，杜华强，等.无人机遥感发展与应用概况［J］.遥感信息，2009（1）：88-92.