基于无人机平台的数码相机应用分析

乐黎明

（1.武汉航天远景科技股份有限公司，湖北 武汉 430205）

基于无人机平台的数码相机应用分析

乐黎明1

（1.武汉航天远景科技股份有限公司，湖北 武汉 430205）

就无人机平台对航摄仪的要求，探讨了目前无人机平台上的普通数码相机应用情况以及应用中存在的问题，为无人机的摄影系统配置提供参考。

无人机；数码相机；参数比较

操纵的无人驾驶飞行器[1]。无人机遥感与卫星遥感、航空航天遥感相比，有着独特的优势：①对场地要求低，作业方式灵活快捷，能快速响应拍摄任务；②平台构建、维护以及作业成本低；③因其飞行高度低，能够获取大比例尺高精度影像，在局部信息获取方面有着巨大优势；④飞行高度一般低于1 000 m，不必申请空域；⑤能够获取高重叠度影像，增强了后续处理的可靠性；⑥便于携带，转移方便。无人机遥感也有不足，比如对载荷的体积、重量有严格限制，对载荷的抗震性能有较高要求，受风速影响较大等。因此其搭载的成像设备为非量测型相机，在拍摄方式和后期处理上都与传统的航空摄影测量有所不同：①航摄仪的重量要适中。普通的数码单反相机，具有重量轻、体积小等特点，比较容易与目前的无人机平台结合，便于安装与拆卸。②航摄仪的抗震性要好。大多数无人机平台只有一个发动机，依靠前驱的动力飞行，在飞行过程中震动比较大，因而对航摄仪的抗震性要求较高。③航摄仪的价格不能太贵。由于无人机通常在复杂恶劣的天气状况下作业，起降场地大多是临时安排，环境比较复杂，耗损比较常见，因此航摄仪的价格不能太贵。

1 基于无人机平台的数码相机应用情况

1.1 常用的数码相机及特点

根据无人机平台对航摄仪的综合考虑，比较常见的数码相机有Canon5DMarkⅡ、NikonD800E、PhaseOne等。

1）Canon5DMarkⅡ。2008年汶川地震后，无人机在测绘领域得到快速发展，Cannon5DMarkⅡ作为第一款应用于航测的数码单反相机被广泛应用。其有如下优点：①采用佳能自主研发的35 mm全画幅CMOS图像感应器，实现了约2 110万有效像素的高画质；②配备了更高速、更高画质的新一代数字影像处理器DIGIC ；③拥有约2 110万有效像素、约3.9张/s的高画质、高速连拍性能；④高速高精度的9个自动对焦点加6个辅助对焦点，可快速精准捕捉被摄体；⑤视野率约为98%的全新取景器。

2）NikonD800E。随着数码单反相机的发展，作为佳能竞争对手的尼康也推出了一款高性能的数码单反相机NikonD800E。其特点如下：①尼康FX 格式CMOS 图像传感器，具备3 630万有效像素；② 从ISO100～6 400 的标准ISO感光度，可扩展为ISO50～25 600 相当值；③14 位A/D 转换和16 位图像处理带来丰富的色调和自然的色彩；④进一步改善的高速、多功能、高性能图像处理工具EXPEED 3；⑤ 玻璃五棱镜取景器具有约100%的视野率（FX格式）以及约0.7倍的放大倍数；⑥新开发的快门装置经过200 000次测试，快门速度高达1/8 000 s，闪光同步已达1/250 s。

3）PhaseOne相机。这款可以适用于无人机平台的PhaseOne数码单反相机的基本情况如下：①可充电锂电池，单次充电可提供高达10 000张拍摄；②高达1/4 000 s的高速快门；③最长60 min的长时间曝光；④焦平面式快门模式与叶片式快门模式的自动切换；⑤结构可靠，可用于大批量拍摄；⑥行业内最宽的镜头及配件范围，适用于多种场景拍摄。

1.2 3款相机的比较

1.2.1 基本参数比较

飞思相机使用的是645DF+相机再配上P65和IQ180的相机后背，形成两款相机。在基本性能指标中，飞思相机的分辨率要比佳能和尼康相机高出一个级别。其中，佳能和尼康相机采用的是CMOS图像感应器，而飞思相机采用的是CCD图像感应器。在曝光时间的控制上，飞思相机比佳能和尼康相机要灵活很多。数码相机基本参数比较如表1。

表1 数码相机基本参数比较

1.2.2 拍摄照片比较

从CCD的尺寸来看，佳能相机和尼康相机属于小画幅相机，而飞思相机可以算是中画幅的相机。随着分辨率的提高，拍出照片的大小也不断变大。数码相机拍照情况比较见表2。

表2 数码相机拍照比较

1.2.3 实际测绘应用比较

以10 km×10 km的航摄范围，拍摄0.2 m分辨率的影像为例，对这几款相机的使用情况作对比。假设所有相机的焦距均为35 mm，地面高程为0 m，航向重叠度为60%，旁向重叠度为30%，并且天气状况良好。

表3 实际测绘应用比较

从表3可以看出，在相同分辨率和相同焦距的情况下，PhaseOne相机需要的高度更高，对天气的要求更高；在相同航摄条件下，画幅越大的相机，基线长度和旁向跨度越大，所需的照片数越少，在内业处理上相对更容易一点。但是画幅越大，相机的存储也越大，几乎是成几何倍数在增长。

2 应用中存在的问题

2.1 Canon5DMarkⅡ相机

Canon5DMarkⅡ是最早使用在无人机平台上的数码单反相机，因而使用最久，在应用过程的问题有：

1）像幅小。按1∶2 000的航摄比例尺，Cannon5DMarkII相机的焦距为35 mm，计算地面上的像幅大小为748.8 m×1 123.2 m。由于高山的原因，整张照片都是一片绿色的森林或者全部是水域，这样会导致空三处理的困难程度成倍增加。同时，由于像幅小，覆盖一片同样大小的区域，Canon5DMarkⅡ相机需要拍摄更多的照片，从而导致内业的工作量也变得十分繁重。

2）基高比太小。Canon5DMarkⅡ相机拍摄的照片比较小，在满足重叠度的情况下，基线长度短，基高比很小。在航空摄影测量中，基高比是影响高程精度的一个重要因素。因而，在实际应用中，往往平面精度可以达到要求，但高程精度比较差。

3）畸变太大。由于Canon5DMarkⅡ相机是一款非量测型数码单反相机，虽然也经过检校，但是由于畸变过大，不能完全消除畸变的影响。因而，在后期内业处理时，经常出现由于畸变带来的影响导致模型重构出现问题，无法进行高精度的立体测图。

2.2 NikonD800E相机

NikonD800E相机的分辨率和颜色效果要比佳能提高很多，但像幅大小依然没有太大的改善。

1）像幅小，照片存储需求大。NikonD800E的照片像幅大小没变多少，同样会产生由于像幅小带来的问题。照片存储空间大，也会影响数据处理的速度，会对实际生产进度有一定的影响。

2）光线敏感度高。NikonD800E的颜色效果要比Canon5DMarkⅡ好很多，但同时其光线敏感度也比较强。在遇到大面积水域或者强反射体的时候，地面反射光对拍照效果有很大的影响。

2.3 PhaseOne相机

PhaseOne相机，无论是其体积、重量、成像效果还是价格，都大大超过了前两款相机。但从摄影测量工作的发展来看，引入这样一种中画幅的相机是非常有必要的。随着PhaseOne相机的引进，围绕它的争议就从没停止过。 1）太贵重。由于无人机平台的稳定性不高，在生产过程中如果出现故障，则需要寄回原厂修理，导致时间和价格成本太高。

2）工作温度不能太高。PhaseOne相机的工作温度为-10 ℃～30 ℃，在晴朗的夏天，温度很多时候都会超过30 ℃，PhaseOne相机就会出现漏片的情况，这种漏片的情况在航空摄影测量中影响非常恶劣，常常需要补飞，情况严重的还要重拍。

3 结 语

近年来，无人机技术不断发展，大量摄影测量工作者不断实践，无人机低空遥感平台的应用已经积累了大量实际经验。随着无人机平台稳定性的提高，以及高质量数码单反相机相关技术的突破，会有很多更好的相机应用在低空遥感平台上。

[1] 李毅,唐长增,钟承志.浅谈无人机遥感的发展[C].全国测绘科技信息交流会,北京,2009

[2] 张甲龙.低空无人机在测绘中的应用[J].河南科技,2015(1): 135-136

[3] 陈海玉,秦丽,李文君.利用数码相机进行摄影测量的精度研究[J].湖北文理学院学报,2012(11):22-26

[4] 吴民庆.浅述数字摄影测量的发展与展望[J].中国包装工业,2013(10):74

[5] 王留召.小型数字航空摄影测量系统——多面阵数码航摄仪关键技术研究[D].昆明: 昆明理工大学,2006

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[7] 王玉鹏.无人机低空遥感影像的应用研究[D].焦作:河南理工大学,2011

P231

B

1672-4623（2016）03-0040-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.013无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制

乐黎明，研究方向为无人机在摄影测量中的应用。

2015-03-23。

项目来源：国家科技支撑计划资助项目（2012BAJ23B03）。