無人機低空遙感系統(tǒng)傳感器選型研究

吳正鵬，奚歌，柳雨彤，張曉東

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.國家海洋信息中心，天津 300171； 3.天津市勘察院，天津 300191)

無人機低空遙感系統(tǒng)傳感器選型研究

吳正鵬1?，奚歌2，柳雨彤3，張曉東1

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.國家海洋信息中心，天津 300171； 3.天津市勘察院，天津 300191)

針對無人機低空遙感系統(tǒng)所搭載的傳感器選型問題提出了相機重量、傳感器尺寸、視場角、有效像素等參考因素；同時，通過無人機航攝項目模擬對索尼A900、佳能5D-Ⅱ、佳能5D-Ⅲ及尼康D800四款備選傳感器的航空攝影測量效率進行評估；推薦首選尼康D800作為搭建無人機低空遙感系統(tǒng)的傳感器。

無人機；低空遙感；傳感器選型；航攝效率；攝影測量

1 引 言

國家測繪局已明確將“數(shù)字航空攝影、無人駕駛飛行器低空遙感影像等先進的影像獲取技術用于測繪生產(chǎn)”列入了測繪系統(tǒng)工作要點。2010年4月，天津市測繪院購置了CK-GY04型固定翼無人機機載雙相機低空遙感系統(tǒng)，兩年間先后完成了新疆和田地區(qū)策勒、于田和民豐三縣的1/2000地形圖測繪，天津市濱海新區(qū)十大功能區(qū)基礎地理信息數(shù)據(jù)更新，津南區(qū)八里臺鎮(zhèn)土地復墾等測繪項目；2012年11月，天津市測繪院根據(jù)業(yè)務發(fā)展及實際應用需求并結(jié)合新機型重新搭建了一套無人機低空遙感系統(tǒng)。本文主要針對無人機低空遙感系統(tǒng)所搭載傳感器的選型情況進行簡單介紹。

2 無人機低空遙感系統(tǒng)傳感器選型參考因素

常用低空輕型固定翼無人機為保證飛行安全，其有效載荷一般都不超過5 kg，不能搭載一般有人駕駛飛機所使用的重達百公斤量級的專業(yè)航空相機。因此，搭建無人機低空遙感系統(tǒng)時，通常采用稍為高檔的普通數(shù)碼相機作為傳感器，選型過程中，主要參考以下因素:

(1)相機重量

一般情況下，要求數(shù)碼相機重量(包括機身及鏡頭重量)應不高于2 000 g。

(2)傳感器尺寸，即傳感器容量

面陣傳感器容量是數(shù)碼相機的關鍵技術特征，大面陣傳感器價格昂貴，而且不容易買到。當前主流全畫幅相機，其CCD/CMOS尺寸能達到36 mm×24 mm，是無人機低空遙感傳感器的首選。

(3)視場角

視場角是航空相機的重要技術指標。寬視場角有兩個作用:航向的寬視場角可以提高基高比，從而提高高程量測精度；旁向的寬視場角可以增加航帶影像的地面覆蓋寬度，進而提高飛行作業(yè)效率并減少野外控制點的布設數(shù)量。然而，寬視場角也會帶來影像邊緣畸變大的問題，如何選擇，需要綜合考慮二者的效率，權衡利弊，予以取舍。林宗堅老師提出并實現(xiàn)了通過雙拼組合相機擴展旁向視場角，實際生產(chǎn)中航空攝影測量效率大幅度提高，但是該傳感器系統(tǒng)對無人機荷載要求較高。

(4)有效像素

傳感器尺寸固定情況下，有效像素是影響無人機低空遙感系統(tǒng)成像地面分辨率的重要因素之一。測繪行業(yè)規(guī)范《無人機航攝系統(tǒng)技術要求》中要求用于航攝影像獲取的數(shù)碼相機的有效像素應大于2 000萬。

3 無人機低空遙感系統(tǒng)傳感器攝影測量效率評估

充分考慮上節(jié)所述無人機低空遙感系統(tǒng)傳感器選型參考因素，由于低空無人機載荷有限，賓得、徠卡、飛思、哈蘇等中畫幅相機，鑒于其重量、機身尺寸、價格等因素，并不適合搭載在低空無人機上。因此，初步確定將索尼A900、佳能5D-Ⅱ、佳能5D-Ⅲ及尼康D800四款相機作為備選傳感器，從而進一步開展航空攝影測量效率評估工作，其相關參數(shù)如表1所示:

無人機低空遙感系統(tǒng)備選傳感器參數(shù)簡表 表1

3.1 相同地面分辨率

為了方便評估上述4款備選傳感器及其不同安置方式的航空攝影測量效率，現(xiàn)假定采用無人機低空遙感系統(tǒng)對總面積5.0 km2(東西向2.5 km，南北向2.0 km)的矩形作業(yè)區(qū)域?qū)嵤┖娇諗z影，要求:相機焦距選用24 mm，影像地面分辨率達到0.1 m，航片的航向重疊度70%、旁向重疊度40%。根據(jù)相關公式分別計算利用上述4款相機所搭建的無人機低空遙感系統(tǒng)的航攝參數(shù)，結(jié)果如表2所示:

備選傳感器航攝參數(shù)計算表(相同地面分辨率) 表2

綜合分析表2中4款傳感器的相關航攝參數(shù)，有如下兩方面的結(jié)論:

(1)傳感器安置方式對攝影測量效率及高程精度的影響

①攝影測量效率。無論何種安置方式，同款傳感器所獲取的相片總數(shù)相當。但縱向安置方式的航線數(shù)比橫向安置方式少近1/3，航攝效率優(yōu)勢明顯；同時，有效減少了區(qū)域網(wǎng)空中三角測量對像控點數(shù)量的要求，降低了后期數(shù)據(jù)處理工作量。

②基高比。橫向安置方式優(yōu)勢明顯，能有效幫助提高高程測繪精度，對高程精度有特殊要求的情況下，可考慮此種安置方式。

(2)不同傳感器攝影測量效率對比

①攝影測量效率。地面分辨率相同的情況下，傳感器的有效像素直接決定了單張影像地面覆蓋面積的大小，從而影響到覆蓋作業(yè)區(qū)域的像片數(shù)量。4款備選傳感器中，尼康D800的有效像素為其他3款相機的近1.5倍，因此，覆蓋相同作業(yè)區(qū)域的像片數(shù)量僅為其他3款相機的65%，航線數(shù)減少近20%，能有效提高航攝效率，減少區(qū)域網(wǎng)空中三角測量對像控點數(shù)量的要求，降低后期數(shù)據(jù)處理工作量。

3.2 相同攝影比例尺

與相同地面分辨率情況相似，假定作業(yè)區(qū)域不變，要求:相機焦距選用24 mm，航高500 m，航片的航向重疊度70%、旁向重疊度40%。相關航攝參數(shù)計算結(jié)果如表3所示:

備選傳感器航攝參數(shù)計算表(相同航攝比例尺) 表3

由于4款傳感器所采用的傳感器尺寸大小近似相等，航高、焦距相同的情況下(即攝影比例尺相同)，其單張影像地面覆蓋情況類似，面積幾乎相同；在航攝效率、區(qū)域網(wǎng)空中三角測量對像控點的數(shù)量要求及后期數(shù)據(jù)處理工作量等方面沒有差別。但由于4款傳感器在有效像素方面存在較大差異，導致其所獲取的影像的地面分辨率有較大差異，尼康D800最優(yōu)，索尼A900次之，佳能5D-Ⅱ、佳能5D-Ⅲ近似，地面分辨率最低；而高分辨率能有效幫助提高無人機低空遙感系統(tǒng)的平面和高程測繪精度。

3.3 小結(jié)

從4款備選傳感器的相關參數(shù)看，尼康D800在有效像素、最大分辨率、像元尺寸方面存在明顯優(yōu)勢；綜合分析其航空攝影測量效率，尼康D800在航攝效率、地面分辨率、區(qū)域網(wǎng)空中三角測量像控點數(shù)量要求及后期數(shù)據(jù)處理工作量等方面均展現(xiàn)出較大優(yōu)勢，可首選作為搭建無人機低空遙感系統(tǒng)的傳感器。而對于荷載較小的超輕型無人機低空遙感系統(tǒng)(如旋翼機)，可選擇索尼NEX-7相機(其傳感器尺寸為23.4× 15.6 mm，有效像素2 430萬，最大分辨率達到6 000×4 000，但機身重量僅為291 g)作為其傳感器。

4 應用展望

近年來，無人機低空遙感系統(tǒng)在抗風能力、姿態(tài)穩(wěn)定度、續(xù)航時間等方面得到極大提高；與高精度GPS的集成則使其成為高空間、高時間分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取的可靠手段，能滿足突發(fā)事件及災害監(jiān)測、高時效性資源監(jiān)測、數(shù)字城市建設、國土資源快速監(jiān)察、新農(nóng)村規(guī)劃等應用要求。伴隨著無人機低空遙感系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型換代，本文提出的相機重量、傳感器尺寸、視場角、有效像素等參考指標及航空攝影測量效率評估方法可作為無人機低空遙感系統(tǒng)傳感器選型的重要依據(jù)。

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Research on Sensor Selection for UAV Low-Altitude Remote Sensing System

Wu Zhengpeng1，Xi Ge2，Liu Yutong3，Zhang Xiaodong1
(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China；2.National Marine Data Information＆Service，Tianjin 300171，China；3.Tianjin Institute of Geotechnical Investigation＆Surveying，Tianjin 300191，China)

To solve the sensor selection for UAV low-altitude remote sensing system，proposed the reference factors such as camera weight，sensor size，field angle and effective pixels.In themeantime，the UAV aerial photography project simulation was used to evaluate the efficiency of aerial photogrammetry for the four alternative sensors:Sony A900，Canon 5D-II，Canon 5D-IIIand Nikon D800.Nikon D800 was recommended as preferred sensorwhile build UAV low-altitude remote sensing system.

UAV；low-altitude remote sensing；sensor selection；aerophotogrammetry efficiency；photogrammetry

1672-8262(2013)05-50-03

P237

B

2012—11—06

吳正鵬(1981—)，男，注冊測繪師，高級工程師，主要從事攝影測量與遙感數(shù)據(jù)處理、應用研究工作。