彈射式無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的研究

段朋輝

（河南大學(xué)黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南 開(kāi)封475004）

無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)是利用先進(jìn)的無(wú)人機(jī)技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境等空間遙感信息，完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù)［1］。近些年，電子技術(shù)飛速發(fā)展，輕型無(wú)人機(jī)突破了眾多技術(shù)問(wèn)題，比如飛控導(dǎo)航、航片質(zhì)量提升、續(xù)航時(shí)間增加等，成為應(yīng)用越來(lái)越廣泛的新型測(cè)繪手段，也得到了市場(chǎng)的普遍認(rèn)可。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

近年來(lái)測(cè)繪地理信息行業(yè)在伴隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)大發(fā)展的同時(shí)面臨著巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著國(guó)家遙感、測(cè)繪技術(shù)的大力推動(dòng)，無(wú)人機(jī)作為一種新型的遙感平臺(tái)，目前逐漸在國(guó)家基礎(chǔ)測(cè)繪、國(guó)土資源調(diào)查、礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)、水利資源利用、農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、城市規(guī)劃、土地利用調(diào)查、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、公共安全、數(shù)字城市建設(shè)、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，提供了便捷高效的空間數(shù)據(jù)的獲取手段。

2 彈射式無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的組成

彈射式無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)機(jī)體、酬載裝置、機(jī)載飛控裝置、地面電腦端監(jiān)控站、彈射裝置以及地面運(yùn)輸保障系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)機(jī)體包括機(jī)身以及動(dòng)力和通訊裝置。酬載是經(jīng)過(guò)檢校，可以執(zhí)行航拍任務(wù)的數(shù)碼相機(jī)。飛行控制系統(tǒng)由機(jī)載GPS、存儲(chǔ)POS數(shù)據(jù)以及航片的內(nèi)存卡、導(dǎo)航系統(tǒng)以及傳感器等部件組成。地面電腦端監(jiān)控站包括工作臺(tái)、電腦硬件、監(jiān)控軟件、導(dǎo)控站和操作手柄等。彈射系統(tǒng)包括飛機(jī)彈射起飛所需的彈射架以及彈射繩裝置，地面保障系統(tǒng)主要由運(yùn)輸車和后勤安全保障車組成。

3 無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

3.1 獲取的數(shù)據(jù)時(shí)效性強(qiáng)

低空無(wú)人機(jī)航攝遙感技術(shù)擁有快速、高效的反饋信息的能力，這些在傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于山體滑坡、洪水泛濫、森林救火、海上污染等自然災(zāi)害的發(fā)生，由于時(shí)間緊、任務(wù)急、情況特殊，利用傳統(tǒng)的遙感測(cè)繪手段獲取災(zāi)區(qū)實(shí)時(shí)影像資料用于災(zāi)情分析和救援工作的開(kāi)展就顯得時(shí)效性不夠。在突發(fā)事件發(fā)生后，無(wú)人機(jī)可以快速響應(yīng)，對(duì)自然條件復(fù)雜，人力無(wú)法到達(dá)的區(qū)域執(zhí)行航拍任務(wù)，獲取資料，作為有關(guān)部門救災(zāi)指揮的參考依據(jù)。

3.2 機(jī)動(dòng)靈活性高

彈射式無(wú)人機(jī)對(duì)起降場(chǎng)地要求較低，而且安裝、調(diào)試、起飛作業(yè)快捷，得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。應(yīng)用無(wú)人機(jī)能夠在地形復(fù)雜、客觀起降條件差等困難地區(qū)快速獲取高精度影像數(shù)據(jù)和資料，提高了測(cè)繪應(yīng)急保障服務(wù)能力。

3.3 受天氣影響較小

無(wú)人機(jī)作業(yè)對(duì)天氣等條件要求較少。無(wú)人機(jī)是在云空下低空飛行，天氣不下雨且風(fēng)速小于4級(jí)均可執(zhí)行任務(wù)，還能對(duì)漏洞區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充航拍，與常規(guī)大飛機(jī)航攝相結(jié)合，能夠較好地減少天氣條件對(duì)于航攝的影響。

3.4 運(yùn)行成本低

低空無(wú)人機(jī)既能夠像大飛機(jī)一樣執(zhí)行航測(cè)任務(wù)，而且獲取的數(shù)據(jù)有較高的價(jià)值。常規(guī)有人航空攝影測(cè)量作業(yè)飛行范圍大，需要較高的人力物力，帶來(lái)的是高成本。而無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)程序簡(jiǎn)單，所需人力物力較少，飛行成本相對(duì)大飛機(jī)來(lái)說(shuō)較低。

4 彈射式低空無(wú)人機(jī)航攝的實(shí)踐過(guò)程

4.1 航攝設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)前，可以通過(guò)谷歌地球等了解攝區(qū)地形地貌，通過(guò)實(shí)地考察攝區(qū)周圍是否有機(jī)場(chǎng)或其他重要設(shè)施，分析評(píng)估飛行區(qū)域的安全系數(shù)，制訂詳細(xì)可行的航攝實(shí)施計(jì)劃。需要對(duì)地面分辨率、航線重疊度以及飛行高度等重要參數(shù)根據(jù)任務(wù)要求以及地形條件進(jìn)行設(shè)置。

表1 航攝比例尺與地面分辨率的關(guān)系

飛機(jī)的航高需要根據(jù)地面分辨率以及所使用相機(jī)的焦距來(lái)確定，公式如下：

公式（1）中，f為焦距，H為飛機(jī)的航高，d為像素值。此處的航高是相對(duì)高程值，指飛機(jī)相對(duì)于地面基準(zhǔn)面的高度。

用像幅邊長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示航片重疊度，計(jì)算表達(dá)式如下所示：

公式（2）、（3）中，Lx，Ly分別表示沿航線方向和垂直航線方向在地面上的長(zhǎng)度；qx，qy分別表示航向重疊和旁向重疊度。

相對(duì)于平原地區(qū)來(lái)說(shuō)，山地地形設(shè)計(jì)航線時(shí)最低地面分辨率和最高點(diǎn)重疊度也要考慮在內(nèi)，計(jì)算公式如下所示：

公式（4）、（5）中，

RL：測(cè)區(qū)最低地面分辨率

ER：基準(zhǔn)面高程值

EL：最低點(diǎn)高程值

HR：相對(duì)航高

d：象元大小

f：相機(jī)焦距

LH：最高點(diǎn)重疊度

LC：航向重疊度

EH：最高點(diǎn)高程值

4.2 無(wú)人機(jī)航攝實(shí)施

4.2.1 飛行前檢查

無(wú)人機(jī)由于其自身的局限性，作業(yè)時(shí)帶有一定的危險(xiǎn)性，所以為了確保飛機(jī)能夠安全降落，在每次執(zhí)行飛行任務(wù)之前，按照制定的詳細(xì)的檢查表，在不同的準(zhǔn)備階段逐項(xiàng)對(duì)飛機(jī)各部件進(jìn)行檢查，對(duì)電路系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、無(wú)線電系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)檢查，確保正常。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的光照條件等對(duì)相機(jī)進(jìn)行調(diào)試，使相機(jī)的感光度和快門滿足要求。

4.2.2 影像獲取

航攝任務(wù)一般需要兩到三人配合完成。在完成飛機(jī)聯(lián)測(cè)以及彈射架的架設(shè)之后，確保飛機(jī)狀態(tài)正常，可以起飛。操控手利用手柄在無(wú)人機(jī)彈射起飛之后，遙控飛機(jī)爬升高度，爬升一定高度之后，地面監(jiān)控站人員可以切換至導(dǎo)引模式，此時(shí)無(wú)人機(jī)會(huì)自動(dòng)盤旋爬升高度。當(dāng)無(wú)人機(jī)達(dá)到任務(wù)高度時(shí)，電腦端發(fā)出命令，無(wú)人機(jī)開(kāi)始進(jìn)入攝區(qū)，執(zhí)行航拍任務(wù)。航拍任務(wù)結(jié)束，監(jiān)控站人員點(diǎn)擊歸航，飛機(jī)自動(dòng)前往事先設(shè)定好的歸航點(diǎn)。在盤旋過(guò)程中，為了節(jié)約飛機(jī)能耗，操作手可以在飛機(jī)接近自己上空時(shí)切換由手柄操作，人工操作可以使飛機(jī)快速地降低高度。操作手按照逆風(fēng)的原則來(lái)調(diào)整飛機(jī)的降落航向，當(dāng)飛機(jī)盤旋至降落點(diǎn)高度，操控飛機(jī)至選定的降落場(chǎng)地，開(kāi)傘降落。飛行控制過(guò)程中，操作手需要不斷詢問(wèn)監(jiān)控站人員飛機(jī)在空中的飛行參數(shù)，例如飛機(jī)高度、風(fēng)速、電壓等，以便其做出正確判斷。

4.3 無(wú)人機(jī)影像質(zhì)量檢查

完成航攝任務(wù)后，要對(duì)相片的質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查指標(biāo)包括相片重疊度、航帶彎曲度、旋偏角等方面。人工選取同名點(diǎn)來(lái)計(jì)算重疊度和旋偏角，使用飛行控制數(shù)據(jù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)來(lái)檢查路線的曲率，飛行高差等參數(shù)，被存儲(chǔ)在相應(yīng)文件夾中的圖像上的名稱按照無(wú)人機(jī)曝光順序命名。相機(jī)參數(shù)主要包括相機(jī)焦距、鏡頭畸變、像元大小等也需要提交給內(nèi)業(yè)，可以保證內(nèi)外業(yè)連貫性。

5 彈射式無(wú)人機(jī)航攝實(shí)踐需要注意的若干問(wèn)題

5.1固定翼無(wú)人機(jī)彈射起飛和傘降對(duì)場(chǎng)地要求相對(duì)較小，只需要有一塊比較空曠平整的場(chǎng)地。起飛降落場(chǎng)地周圍不能大功率無(wú)線電發(fā)射設(shè)備，否則會(huì)影響地面站與無(wú)人機(jī)之間的通信。

彈射式無(wú)人機(jī)應(yīng)該逆風(fēng)起飛，所以彈射架在有風(fēng)的情況下應(yīng)該朝向逆風(fēng)方向，有陡坡的地方要安置在陡坡邊上。如果有一定的高差，可以在彈射失敗的情況下給操作手預(yù)留空間來(lái)應(yīng)急開(kāi)傘，從而減小對(duì)無(wú)人機(jī)的損害。降落場(chǎng)地一定要平坦開(kāi)闊，降落點(diǎn)周圍200米內(nèi)沒(méi)有高大障礙物，以保證無(wú)人機(jī)降落安全。同起飛的原則一樣，降落也要求逆風(fēng)降落。

5.2無(wú)人機(jī)的相片質(zhì)量檢查時(shí)的要求為航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%；相鄰航線的像片旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%[2]。現(xiàn)在市場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)普遍重量較輕，在空中作業(yè)時(shí)很容易受風(fēng)的影響而偏離設(shè)定航線，偏離航線造成的后果就是出現(xiàn)航攝漏洞。同時(shí)，受風(fēng)的影響，無(wú)人機(jī)姿態(tài)不平穩(wěn)，翻滾出現(xiàn)異常就會(huì)導(dǎo)致旁向重疊度的忽大忽小。因此，在設(shè)計(jì)航線時(shí)，旁向重疊度一般設(shè)置在40%以上，航向重疊度在65%以上。

5.3由于飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)所采用的是大容量鋰電池，同時(shí)鋰電池在冬季使用效能會(huì)隨著氣溫的降低而降低。所以在外出執(zhí)行任務(wù)期間，一定要注意電池的保暖，不要使電池過(guò)早暴露在寒冷的空氣中使電池效能在飛行過(guò)程中迅速降低。另外就是室外溫度低于5℃的情況下要謹(jǐn)慎選擇飛行任務(wù)，一個(gè)架次的任務(wù)區(qū)域要適中，不能過(guò)大，要充分考慮電池受氣溫影響后的續(xù)航能力。

5.4在正常情況下，負(fù)重5KG的飛機(jī)起飛彈射力度需要40KG。在冬季作業(yè)時(shí)，由于彈射繩在寒冷的空氣中長(zhǎng)期保持緊繃狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致彈性降低，影響起飛。所以要選擇更多地彈射力度，保持在60～70KG，這樣可以避免飛機(jī)由于彈射繩彈性降低而出現(xiàn)彈射不成功的情況。

6 討論

目前國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)航攝行業(yè)發(fā)展越來(lái)越快，技術(shù)也逐漸趨于成熟，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。但是，其自身仍然存在一些缺陷：

6.1航空攝影測(cè)量的成果質(zhì)量如何是取決于航片的質(zhì)量，航片質(zhì)量的提高需要有一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)，而無(wú)人機(jī)體積小，重量輕，抗風(fēng)能力差，在低空作業(yè)很容易受天氣情況的影響。增加飛機(jī)的重量可以提高其抗風(fēng)能力，但是無(wú)人機(jī)不管采用電動(dòng)還是油動(dòng)方式，載重都很有限，所以在不增加飛機(jī)載重的情況下如何通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和提高飛行控制技術(shù)來(lái)提高抗風(fēng)性能，保證飛行的穩(wěn)定性以及保證航片的高質(zhì)量，是無(wú)人機(jī)成為理想的遙感平臺(tái)亟須解決的問(wèn)題[3]。

6.2一個(gè)行業(yè)的發(fā)展壯大必須有自己的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前的無(wú)人機(jī)航攝市場(chǎng)還不成熟，存在一些亂象，自身要增加技術(shù)投入，提高技術(shù)水平，同時(shí)也需要政府部門聯(lián)合企業(yè)制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，治理亂象，有利于促進(jìn)無(wú)人機(jī)航攝行業(yè)的積極發(fā)展。

6.3相對(duì)于大飛機(jī)航空攝影測(cè)量來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)體積小、載重輕，無(wú)法使用專業(yè)航空相機(jī)以及姿態(tài)記錄儀等輔助設(shè)備，導(dǎo)致航片的技術(shù)參數(shù)較少，后期內(nèi)業(yè)處理比較繁瑣，處理結(jié)果的精度離工程實(shí)際要求還有一定差距。

6.4無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間一般較短，而起飛和降落過(guò)程又占用了較多的時(shí)間，縮短了航攝有效作業(yè)的時(shí)間。并且由于無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)地對(duì)于凈空條件要求較高，限制了無(wú)人機(jī)在城市和山區(qū)執(zhí)行任務(wù)的可行性。

［1］李德仁，關(guān)澤群.空間信息系統(tǒng)的集成與實(shí)現(xiàn)［M］.武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，2002.

［2］何敬，李永樹(shù)，魯恒，等.無(wú)人機(jī)影像的質(zhì)量評(píng)定及幾何處理研究［J］.測(cè)繪通報(bào)，2010（4）：22-24.

［3］金偉，葛宏立，杜華強(qiáng)，等.無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展與應(yīng)用概況［J］.遙感信息，2009（1）：88-92.