无人机遥感航线规划技术应用——以赤峰市喀喇沁旗夏家营子为例

李鑫杨,辛 岩,曹敬一,哈青辰

（内蒙古自治区赤峰市气象局，内蒙古 赤峰024000）

无人机是一种由无线电遥控设备或由自身程序控制装置操纵的具有自动驾驶能力的执行特定任务的飞行器。目前无人机包括多旋翼无人机、固定翼无人机、直升机结构无人机、复合翼无人机，其中多旋翼无人机更加机动灵活，起降方便，成本较低，操作简单，易于维护，是小范围航空摄影测量的最佳选择[1]。

无人机遥感测量技术工作流程就是飞行器通过搭载可量测相机对规定区域进行信息采集，飞后对采集信息的分析，获取地表信息及高分辨率数字影像和高精度定位数据[2]。做好航线规划工作是开展无人机遥感测量外业的基础，也是保障内业质量的有效措施。航线规划可以指定无人机严格按照预先规划的航线飞行，并指定云台相机严格按照预定的姿态采集影像，这关系着航飞成本以及航飞精度。要想降低航飞成本，提高遥感应用质量，对无人机航线进行科学、合理的设计规划是非常必要的。

1 航线规划

航线规划可分为预先规划和实时规划。预先规划是根据任务要求、地理环境、电池容量和无人机载荷等因素，在无人机执行任务前由地面控制站制定特定路径、高度以及姿态的飞行计划；实时规划是在无人机飞行过程中，根据实际的飞行情况和周边环境制定出一条可飞航迹，也包括对预先规划计划的修改以及应急方案的制定（即飞中重规划）[3]。预先规划的飞行计划在进行外业实操时难免遇到预判与实际情况有偏差的情况，所以实时规划也很重要。

图1 航线规划流程图

1.1 预先规划

1.1.1 航高与分辨率的关系。进行航线规划前，首先需要确定的参数是图像分辨率，即图像一个像元做代表的地面实际距离，然后根据下述公式计算指定分辨率所需的航高。

35 mm等效焦距与真实焦距的转化：

其中：Sw是传感器宽度，单位为mm；FR是真实焦距，单位为mm；F35是35 mm等效焦距，单位为mm；trans是焦距转换系数，表示35 mm底片的相机焦距除以转换系数相当于当前使用相机的真实焦距，两者此时可以得到同样的视角，但景深不同，因此不同传感器尺寸比例的trans不同，无人机两个较常用传感器尺寸比例对应的trans如下表所示（表中的trans是基于视角的对角线计算得到的）。

表1 不同传感器尺寸比例对应的焦距转换系数

通过相机真实焦距、传感器宽度以及图像宽度（imW，单位：pixels）计算的地面采样距离（GSD，是两个连续像元中心的距离，单位为cm/pixels），可以再计算出飞行高度：

图2 SW、FR、H、DW关系图示

从图1中可以看出，SW、FR、H（飞行高度，单位为m）、DW（一张图像在垂直于航向的方向上所覆盖的地面宽度，即轨迹宽度，单位为m）的关系如下：

因此，高度与地面分辨率的关系为：

若给定的是35 mm等效焦距，则高度与地面分辨率的关系为：

1.1.2 重叠度与拍照间隔的关系。确定航高后，图像的航向、旁向重叠度也是无人机起飞前需要确定的关键参数，通常情况下，航向重叠度至少要达到75%，旁向重叠度至少达到60%，如果遇到表面纹理重复度较高的地表，航向重叠度至少要达到85%，旁向重叠度至少达到70%。

图3 x、v、D关系图示

以航向重叠度为例，由图2得到相机移动距离与航行速度以及航向重叠度的关系（旁向相机移动距离可用相似的方法求出）：

其中，overlap航向重叠度，%；x相机航向位置移动距离，单位为m；v航行速度，单位为m/s；t拍照间隔，单位为s。

1.1.3 参数说明。在无人机的技术参数列表里可以找到以上公式对应的参数，此处以大疆Phantom 4 Pro、Mavic 2 Pro以及ZENMUSE X5S云台为例进行说明：

表2 不同传感器尺寸与焦距技术参数

数码成像元件领域中的1英寸为16 mm，不是传统意义上的25.4 mm，在技术参数里的“1英寸CMOS”“1/2英寸CMOS”“CMOS,4/3”即为16 mm乘以对应比例，表示的是传感器原件的对角线长度，其对应的长宽如表3所示。通过传感器尺寸以及焦距转换系数即可以求出感光元件的真实焦距，然后计算出上述的航高、分辨率、拍照间隔等关键参数。

表3 传感器尺寸对照表

1.1.4 注意事项。预先规划包括：（1）区分椭球高、海拔高度、相对高度、气压高度：高程系统包括正高、正常高、力高和大地高程。其中，正高即地面点沿铅垂方向至大地水准面的距离，从数学上看，大地水准面是一个连续但不规则的闭合曲面，是不受潮汐、风浪及大气压的变化影响，仅在地球引力和因地球自转产生的离心惯性力的作用下保持平衡假想的海水面，将该平均海水面所处的重力等位面延伸到陆地内部，形成的闭合曲面即为大地水准面，通过重力场模型进行表达；正常高是为了解决正高系统中重力不能精确测定（因为地球内部的质量和重力分布情况未知）而使用的平均正常重力代替而得到的一种系统的高程，是地面点沿铅垂方向至大地水准面的距离。与正高相比，正常高可以精确求得，数值不随水准路线的不同而不同。中国国家的高程系统使用的就是正常高系统，“1985国家高程基准”中水准原点的高程为72.2604 m，位于青岛观象山；当进行空间位置的计算（如计算GPS等全球卫星导航系统中的卫星位置）时，使用的高度是相对于参考椭球面（一个理想化的球椭面，比如WGS 84基准面是以地心为中心的全球通用的椭球面，各国也有最贴近本国地面的基准面）的距离，称为大地高或椭球高，大地高等于正高与大地水准面高之和。无人机所拍摄出来图像的EXIF数据中的POS信息记录的高程就是椭球高。

通常所说的海拔高度，即绝对高度，是某点距离海平面的高度，通常以平均海平面（MSL）做标准计算为平均海拔，在中国其平均海平面参考的是1985国家高程基准。有些航线规划软件在起飞前需要校准的高度为海拔高度；相对高度为两个任意地点的垂直距离，对于无人机来说就是飞行的海拔高度与所在地海拔高度之差，以所在地或起飞点为参照面，不是以海平面为参照面的海拔高度。所以，通常所说的限高区120 m、飞机上升的高度等等都是相对高度；气压高度是当气压高度表的基准设定为29.92inHg或1013.25 mb时，高度表指示的就是气压高度。气压高度是在国际标准大气条件下，以标准海平面气压为基准测量出来的高度。无人机在飞行过程中飞控数据记录的高度为气压计测量的相对于海平面的高度。

图4 参考椭球体与大地水准面

（2）预估环境相对高度：无人机的起降点需要寻找平整的地面，飞行前需要对感兴趣区域的基本地形地貌有了解，也就是需要计算起降点、感兴趣区最低点与感兴趣区的较高点之间的海拔高度之差，还要避免去危险的地方进行拍摄。根据无人机的飞行目的，若飞行器预设高度远远大于地表起伏，则无需使用仿地飞行；若飞行器飞行高度在1～10 m之间，则需使用仿地飞行（又称变高、地形跟随，无人机仿地飞行需要已知基准的DSM数据进行航线规划）。仿地飞行可以解决地势起伏大导致相邻影像重叠度不够的问题。需要注意的是，若飞行器飞行高度在300 m以上，就需要谨慎使用仿地飞行，因为以Phantom4P为例，飞行器的极限爬升高度为500 m，有可能遇到系统检测到高度过高无法起飞或起飞后失联等问题。由于机型不同，预先设定的分辨率相同但飞行高度不同，比如同样的15 m分辨率，Mavic2P的飞行高度就高于Phantom4P，此时的Phantom4P可以顺利起飞，但是Mavic2P由于超过极限高度无法起飞。

（3）感兴趣区：在预先规划中框选出感兴趣区范围后，设计航线时感兴趣区四周需要多出1～2个航线，便于后期内业处理进行畸变矫正。若需要飞行的区块较大，必须进行区块分割，并保证小区块之间需要有足够的重叠度。同时在框选感兴趣区的时候还要避开禁飞区，注意限高区，否则无人机无法起飞。

（4）控制点：根据航拍目的不同，决定是否要布设地面控制点，免像控与像控的结果相比空间位置精度会降低，如果只关注航拍影像，可以免像控。

（5）兼顾无人机性能：航线规划必须满足无人机的性能要求，在兼顾电池容量的基础上最大化地扩展飞行距离与面积，确保飞行计划安全可靠地执行。通常情况下，规划一次飞行的航线距离在8～10 km之间，覆盖面积0.4～0.7 km2之间，飞行时间（包括起降时间）在15～20 min之间。为了达到最优的飞行效果（航程越短越好，覆盖面积越大越好），要多次调整航线角度以达到最佳效果。

（6）航线规划软件：航线规划软件搭配地面站进行使用，预先规划都是通过航线规划软件进行实现，目前可以使用的规划软件较多，比如eMotions3、UP30、RockyCapture、RoutePlan、DJI Pilot、DJI GS GO、Pix4Dcapture、致睿智控、飞马等。

实时规划包括：（1）节省电量：实际飞行时，由于调试无人机、天气状况差等其他原因会消耗一些电量，此时的电量可能无法完成预估的飞行时间，因此可以考虑起飞点选在第一个航点附近，降落点选在最后一个航点附近，这样就会减少飞行时间。需要注意的是必须刷新返航点或者手动干预打杆返航，这个会因规划软件不同而异。也可以考虑起降点选在第一个航点与最后一个航点的连线处，若电池够用，可以使用断点续航。

（2）天气条件：首先是雨雪天气不能飞，会给设备造成不可逆的损坏；其次是注意风速的垂直分布，可以实时关注无人机飞控软件的姿态球；还要注意飞行时的光照条件变化不大，若飞行时光照条件突变，就需要等待时机重新飞行。

（3）信号：5.8GHz频段的遥控距离等于图传距离，2.4GHz频段传输距离比5.8GHz频段远，遥控距离长于图传距离。图传信号中断是飞行器与遥控器信号中断的警示，假如起降点选在第一个航点与最后一个航点的连线处，需要注意的是尽量选在中点处附近，否则距离起飞点近时距离降落点远，距离降落点近时距离起飞点远，信号中断的可能性非常大。当飞行器与遥控器失联3 s左右，飞行器就会自动返航，不仅返航与重新起飞会浪费很多电量，整段航拍可能会作废。

（4）避免误触：由于飞行前根据航/旁向重叠度设置了拍照间隔，所以在飞行期间要注意避免误触录像键（导致拍照不工作）、姿态调整键（导致非正射或倾斜）。

2 无人机航线规划试验

图5 实际飞行航线

以赤峰市夏家营子（北纬41°54′21″，东经118°45′10″）为试验区，测区面积0.74 km2，区内耕地较多、有分散的林地，北低南高，高差约为140 m，需要获取比例尺为1∶1000的正射影像图。本次共飞行4个架次，分别使用M600（搭载的ZENMUSE X5S云台）、Phantom4P、Mavic2P采取牛耕往复作业法（图5）[4]进行航拍，由于试验区地表起伏小，所以航向重叠度设置为80%，旁向重叠度设置为60%，共采集图像407张。其中，M600由于电量原因飞行了2个架次才完成整个试验区。

表4所示的是实际航飞数据信息。从表中可以看出，电量在起飞时至少保持在90%左右，大约可以支撑约20 min的飞行时长。当飞到最后一个航点时电量保持在20%至30%，可以支撑飞行器返航至地面，这里仅提供参考数值，具体飞行数据依天气状况、电池性能、飞行器重量等情况不同而变化。

表4 实际飞行参数

3 结果分析

以Phantom4P为例，对无人机的飞控数据进行分析，如图6a所示，由“绝对高度”曲线可以看出，无人机起飞后在海拔841.70 m处停留了88.08 s后，在149.58 s内又上升至海拔1279.43 m处，该处为第1个航点；由“距离Home位置”曲线所示，飞行器在第1个航点处开始与遥控器的间距增大；起飞时，卫星数量随高度升高而增多，降落过程中，卫星数量随高度降低而减小，在飞行高度进行飞行时，卫星数量维持在17颗左右，“GPS等级”曲线值等于5，并且波动较小，表示信号非常好。但是值得注意的是卫星信号强度不仅受卫星数量的影响，还受卫星分布与精度因子等方面的影响，所以有时卫星数量多并不一定代表信号强；电池电量整体呈线性减少，表示电池性能较稳定，无漏电等异常现象；图6b表示了遥控器的数据，由于提前进行了航线规划，并且飞行过程中信号良好，飞行器未偏航，仅在1354.01秒时干预了返航过程，遥控器在该时刻产生输入值。

图6 无人机飞控数据

图7为三种无人机在夏家营子实际航拍结果图，从左至右分别为Phantom4P、Mavic2P、M600的航拍结果，三者进行对比，Mavic2P此次航拍的效果较好，光照均匀，色彩平和；Phantom4P在飞行时有云的覆盖导致拼合的图像左侧色调明显较暗（图7b），与右侧对比明显；M600飞行时使用的相机自动调整白平衡没有准确识别色温，所以无人机飞行时，在光照变化不大时，相机使用手动参数进行拍照较好。

图7 航拍结果—(a)Phantom4P；(b)Mavic2P；(c)M600

4 结论

（1）航线规划的预先规划阶段，在感兴趣区需要预估环境相对高度的情况下来确定图像分辨率，从而得出实际航高，再指定航向/旁向重叠度，计算出拍照间隔，即可进行预先规划（若对结果的空间位置要求较高需要提前找到控制点的大致位置）。通常情况下，规划一次飞行的航线距离在8～10 km，覆盖面积0.4～0.7 km2之间，飞行时间（包括起降时间）在15～20 min之间。

（2）实时规划阶段，找到合适的起降点，避免无人机距离遥控器太远而失联。若起降点不在一起需要开启返航点刷新，并进行返航的手动干预，但是在飞行期间尽量避免误触。

（3）飞行时实时关注图传与天气，若阴晴不定，需要补拍。在光照条件稳定的情况下，尽量使用相机手动调参。