基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用分析

樂(lè)黎明

（1.武漢航天遠(yuǎn)景科技股份有限公司，湖北 武漢 430205）

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用分析

樂(lè)黎明1

（1.武漢航天遠(yuǎn)景科技股份有限公司，湖北 武漢 430205）

就無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)航攝儀的要求，探討了目前無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的普通數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用情況以及應(yīng)用中存在的問(wèn)題，為無(wú)人機(jī)的攝影系統(tǒng)配置提供參考。

無(wú)人機(jī)；數(shù)碼相機(jī)；參數(shù)比較

操縱的無(wú)人駕駛飛行器[1]。無(wú)人機(jī)遙感與衛(wèi)星遙感、航空航天遙感相比，有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：①對(duì)場(chǎng)地要求低，作業(yè)方式靈活快捷，能快速響應(yīng)拍攝任務(wù)；②平臺(tái)構(gòu)建、維護(hù)以及作業(yè)成本低；③因其飛行高度低，能夠獲取大比例尺高精度影像，在局部信息獲取方面有著巨大優(yōu)勢(shì)；④飛行高度一般低于1 000 m，不必申請(qǐng)空域；⑤能夠獲取高重疊度影像，增強(qiáng)了后續(xù)處理的可靠性；⑥便于攜帶，轉(zhuǎn)移方便。無(wú)人機(jī)遙感也有不足，比如對(duì)載荷的體積、重量有嚴(yán)格限制，對(duì)載荷的抗震性能有較高要求，受風(fēng)速影響較大等。因此其搭載的成像設(shè)備為非量測(cè)型相機(jī)，在拍攝方式和后期處理上都與傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量有所不同：①航攝儀的重量要適中。普通的數(shù)碼單反相機(jī)，具有重量輕、體積小等特點(diǎn)，比較容易與目前的無(wú)人機(jī)平臺(tái)結(jié)合，便于安裝與拆卸。②航攝儀的抗震性要好。大多數(shù)無(wú)人機(jī)平臺(tái)只有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，依靠前驅(qū)的動(dòng)力飛行，在飛行過(guò)程中震動(dòng)比較大，因而對(duì)航攝儀的抗震性要求較高。③航攝儀的價(jià)格不能太貴。由于無(wú)人機(jī)通常在復(fù)雜惡劣的天氣狀況下作業(yè)，起降場(chǎng)地大多是臨時(shí)安排，環(huán)境比較復(fù)雜，耗損比較常見(jiàn)，因此航攝儀的價(jià)格不能太貴。

1 基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用情況

1.1 常用的數(shù)碼相機(jī)及特點(diǎn)

根據(jù)無(wú)人機(jī)平臺(tái)對(duì)航攝儀的綜合考慮，比較常見(jiàn)的數(shù)碼相機(jī)有Canon5DMarkⅡ、NikonD800E、PhaseOne等。

1）Canon5DMarkⅡ。2008年汶川地震后，無(wú)人機(jī)在測(cè)繪領(lǐng)域得到快速發(fā)展，Cannon5DMarkⅡ作為第一款應(yīng)用于航測(cè)的數(shù)碼單反相機(jī)被廣泛應(yīng)用。其有如下優(yōu)點(diǎn)：①采用佳能自主研發(fā)的35 mm全畫(huà)幅CMOS圖像感應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了約2 110萬(wàn)有效像素的高畫(huà)質(zhì)；②配備了更高速、更高畫(huà)質(zhì)的新一代數(shù)字影像處理器DIGIC ；③擁有約2 110萬(wàn)有效像素、約3.9張/s的高畫(huà)質(zhì)、高速連拍性能；④高速高精度的9個(gè)自動(dòng)對(duì)焦點(diǎn)加6個(gè)輔助對(duì)焦點(diǎn)，可快速精準(zhǔn)捕捉被攝體；⑤視野率約為98%的全新取景器。

2）NikonD800E。隨著數(shù)碼單反相機(jī)的發(fā)展，作為佳能競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的尼康也推出了一款高性能的數(shù)碼單反相機(jī)NikonD800E。其特點(diǎn)如下：①尼康FX 格式CMOS 圖像傳感器，具備3 630萬(wàn)有效像素；② 從ISO100～6 400 的標(biāo)準(zhǔn)ISO感光度，可擴(kuò)展為ISO50～25 600 相當(dāng)值；③14 位A/D 轉(zhuǎn)換和16 位圖像處理帶來(lái)豐富的色調(diào)和自然的色彩；④進(jìn)一步改善的高速、多功能、高性能圖像處理工具EXPEED 3；⑤ 玻璃五棱鏡取景器具有約100%的視野率（FX格式）以及約0.7倍的放大倍數(shù)；⑥新開(kāi)發(fā)的快門(mén)裝置經(jīng)過(guò)200 000次測(cè)試，快門(mén)速度高達(dá)1/8 000 s，閃光同步已達(dá)1/250 s。

3）PhaseOne相機(jī)。這款可以適用于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的PhaseOne數(shù)碼單反相機(jī)的基本情況如下：①可充電鋰電池，單次充電可提供高達(dá)10 000張拍攝；②高達(dá)1/4 000 s的高速快門(mén)；③最長(zhǎng)60 min的長(zhǎng)時(shí)間曝光；④焦平面式快門(mén)模式與葉片式快門(mén)模式的自動(dòng)切換；⑤結(jié)構(gòu)可靠，可用于大批量拍攝；⑥行業(yè)內(nèi)最寬的鏡頭及配件范圍，適用于多種場(chǎng)景拍攝。

1.2 3款相機(jī)的比較

1.2.1 基本參數(shù)比較

飛思相機(jī)使用的是645DF+相機(jī)再配上P65和IQ180的相機(jī)后背，形成兩款相機(jī)。在基本性能指標(biāo)中，飛思相機(jī)的分辨率要比佳能和尼康相機(jī)高出一個(gè)級(jí)別。其中，佳能和尼康相機(jī)采用的是CMOS圖像感應(yīng)器，而飛思相機(jī)采用的是CCD圖像感應(yīng)器。在曝光時(shí)間的控制上，飛思相機(jī)比佳能和尼康相機(jī)要靈活很多。數(shù)碼相機(jī)基本參數(shù)比較如表1。

表1 數(shù)碼相機(jī)基本參數(shù)比較

1.2.2 拍攝照片比較

從CCD的尺寸來(lái)看，佳能相機(jī)和尼康相機(jī)屬于小畫(huà)幅相機(jī)，而飛思相機(jī)可以算是中畫(huà)幅的相機(jī)。隨著分辨率的提高，拍出照片的大小也不斷變大。數(shù)碼相機(jī)拍照情況比較見(jiàn)表2。

表2 數(shù)碼相機(jī)拍照比較

1.2.3 實(shí)際測(cè)繪應(yīng)用比較

以10 km×10 km的航攝范圍，拍攝0.2 m分辨率的影像為例，對(duì)這幾款相機(jī)的使用情況作對(duì)比。假設(shè)所有相機(jī)的焦距均為35 mm，地面高程為0 m，航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%，并且天氣狀況良好。

表3 實(shí)際測(cè)繪應(yīng)用比較

從表3可以看出，在相同分辨率和相同焦距的情況下，PhaseOne相機(jī)需要的高度更高，對(duì)天氣的要求更高；在相同航攝條件下，畫(huà)幅越大的相機(jī)，基線長(zhǎng)度和旁向跨度越大，所需的照片數(shù)越少，在內(nèi)業(yè)處理上相對(duì)更容易一點(diǎn)。但是畫(huà)幅越大，相機(jī)的存儲(chǔ)也越大，幾乎是成幾何倍數(shù)在增長(zhǎng)。

2 應(yīng)用中存在的問(wèn)題

2.1 Canon5DMarkⅡ相機(jī)

Canon5DMarkⅡ是最早使用在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上的數(shù)碼單反相機(jī)，因而使用最久，在應(yīng)用過(guò)程的問(wèn)題有：

1）像幅小。按1∶2 000的航攝比例尺，Cannon5DMarkII相機(jī)的焦距為35 mm，計(jì)算地面上的像幅大小為748.8 m×1 123.2 m。由于高山的原因，整張照片都是一片綠色的森林或者全部是水域，這樣會(huì)導(dǎo)致空三處理的困難程度成倍增加。同時(shí)，由于像幅小，覆蓋一片同樣大小的區(qū)域，Canon5DMarkⅡ相機(jī)需要拍攝更多的照片，從而導(dǎo)致內(nèi)業(yè)的工作量也變得十分繁重。

2）基高比太小。Canon5DMarkⅡ相機(jī)拍攝的照片比較小，在滿(mǎn)足重疊度的情況下，基線長(zhǎng)度短，基高比很小。在航空攝影測(cè)量中，基高比是影響高程精度的一個(gè)重要因素。因而，在實(shí)際應(yīng)用中，往往平面精度可以達(dá)到要求，但高程精度比較差。

3）畸變太大。由于Canon5DMarkⅡ相機(jī)是一款非量測(cè)型數(shù)碼單反相機(jī)，雖然也經(jīng)過(guò)檢校，但是由于畸變過(guò)大，不能完全消除畸變的影響。因而，在后期內(nèi)業(yè)處理時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)由于畸變帶來(lái)的影響導(dǎo)致模型重構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行高精度的立體測(cè)圖。

2.2 NikonD800E相機(jī)

NikonD800E相機(jī)的分辨率和顏色效果要比佳能提高很多，但像幅大小依然沒(méi)有太大的改善。

1）像幅小，照片存儲(chǔ)需求大。NikonD800E的照片像幅大小沒(méi)變多少，同樣會(huì)產(chǎn)生由于像幅小帶來(lái)的問(wèn)題。照片存儲(chǔ)空間大，也會(huì)影響數(shù)據(jù)處理的速度，會(huì)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)度有一定的影響。

2）光線敏感度高。NikonD800E的顏色效果要比Canon5DMarkⅡ好很多，但同時(shí)其光線敏感度也比較強(qiáng)。在遇到大面積水域或者強(qiáng)反射體的時(shí)候，地面反射光對(duì)拍照效果有很大的影響。

2.3 PhaseOne相機(jī)

PhaseOne相機(jī)，無(wú)論是其體積、重量、成像效果還是價(jià)格，都大大超過(guò)了前兩款相機(jī)。但從攝影測(cè)量工作的發(fā)展來(lái)看，引入這樣一種中畫(huà)幅的相機(jī)是非常有必要的。隨著PhaseOne相機(jī)的引進(jìn)，圍繞它的爭(zhēng)議就從沒(méi)停止過(guò)。 1）太貴重。由于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的穩(wěn)定性不高，在生產(chǎn)過(guò)程中如果出現(xiàn)故障，則需要寄回原廠修理，導(dǎo)致時(shí)間和價(jià)格成本太高。

2）工作溫度不能太高。PhaseOne相機(jī)的工作溫度為-10 ℃～30 ℃，在晴朗的夏天，溫度很多時(shí)候都會(huì)超過(guò)30 ℃，PhaseOne相機(jī)就會(huì)出現(xiàn)漏片的情況，這種漏片的情況在航空攝影測(cè)量中影響非常惡劣，常常需要補(bǔ)飛，情況嚴(yán)重的還要重拍。

3 結(jié) 語(yǔ)

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，大量攝影測(cè)量工作者不斷實(shí)踐，無(wú)人機(jī)低空遙感平臺(tái)的應(yīng)用已經(jīng)積累了大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。隨著無(wú)人機(jī)平臺(tái)穩(wěn)定性的提高，以及高質(zhì)量數(shù)碼單反相機(jī)相關(guān)技術(shù)的突破，會(huì)有很多更好的相機(jī)應(yīng)用在低空遙感平臺(tái)上。

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P231

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1672-4623（2016）03-0040-02

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.013無(wú)人機(jī)是一種由無(wú)線電遙控設(shè)備或自身程序控制

樂(lè)黎明，研究方向?yàn)闊o(wú)人機(jī)在攝影測(cè)量中的應(yīng)用。

2015-03-23。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAJ23B03）。