無(wú)人機(jī)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(cè)繪院，天津 300381； 2.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171； 3.天津市勘察院，天津 300191)

無(wú)人機(jī)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(cè)繪院，天津 300381； 2.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171； 3.天津市勘察院，天津 300191)

針對(duì)無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)所搭載的傳感器選型問(wèn)題提出了相機(jī)重量、傳感器尺寸、視場(chǎng)角、有效像素等參考因素；同時(shí)，通過(guò)無(wú)人機(jī)航攝項(xiàng)目模擬對(duì)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(cè)量效率進(jìn)行評(píng)估；推薦首選尼康D800作為搭建無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的傳感器。

無(wú)人機(jī)；低空遙感；傳感器選型；航攝效率；攝影測(cè)量

1 引 言

國(guó)家測(cè)繪局已明確將“數(shù)字航空攝影、無(wú)人駕駛飛行器低空遙感影像等先進(jìn)的影像獲取技術(shù)用于測(cè)繪生產(chǎn)”列入了測(cè)繪系統(tǒng)工作要點(diǎn)。2010年4月，天津市測(cè)繪院購(gòu)置了CK-GY04型固定翼無(wú)人機(jī)機(jī)載雙相機(jī)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(cè)繪，天津市濱海新區(qū)十大功能區(qū)基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)更新，津南區(qū)八里臺(tái)鎮(zhèn)土地復(fù)墾等測(cè)繪項(xiàng)目；2012年11月，天津市測(cè)繪院根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用需求并結(jié)合新機(jī)型重新搭建了一套無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)。本文主要針對(duì)無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)所搭載傳感器的選型情況進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

2 無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)為保證飛行安全，其有效載荷一般都不超過(guò)5 kg，不能搭載一般有人駕駛飛機(jī)所使用的重達(dá)百公斤量級(jí)的專業(yè)航空相機(jī)。因此，搭建無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)時(shí)，通常采用稍為高檔的普通數(shù)碼相機(jī)作為傳感器，選型過(guò)程中，主要參考以下因素:

(1)相機(jī)重量

一般情況下，要求數(shù)碼相機(jī)重量(包括機(jī)身及鏡頭重量)應(yīng)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(jī)的關(guān)鍵技術(shù)特征，大面陣傳感器價(jià)格昂貴，而且不容易買到。當(dāng)前主流全畫(huà)幅相機(jī)，其CCD/CMOS尺寸能達(dá)到36 mm×24 mm，是無(wú)人機(jī)低空遙感傳感器的首選。

(3)視場(chǎng)角

視場(chǎng)角是航空相機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)。寬視場(chǎng)角有兩個(gè)作用:航向的寬視場(chǎng)角可以提高基高比，從而提高高程量測(cè)精度；旁向的寬視場(chǎng)角可以增加航帶影像的地面覆蓋寬度，進(jìn)而提高飛行作業(yè)效率并減少野外控制點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量。然而，寬視場(chǎng)角也會(huì)帶來(lái)影像邊緣畸變大的問(wèn)題，如何選擇，需要綜合考慮二者的效率，權(quán)衡利弊，予以取舍。林宗堅(jiān)老師提出并實(shí)現(xiàn)了通過(guò)雙拼組合相機(jī)擴(kuò)展旁向視場(chǎng)角，實(shí)際生產(chǎn)中航空攝影測(cè)量效率大幅度提高，但是該傳感器系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)成像地面分辨率的重要因素之一。測(cè)繪行業(yè)規(guī)范《無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)技術(shù)要求》中要求用于航攝影像獲取的數(shù)碼相機(jī)的有效像素應(yīng)大于2 000萬(wàn)。

3 無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)傳感器攝影測(cè)量效率評(píng)估

充分考慮上節(jié)所述無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)傳感器選型參考因素，由于低空無(wú)人機(jī)載荷有限，賓得、徠卡、飛思、哈蘇等中畫(huà)幅相機(jī)，鑒于其重量、機(jī)身尺寸、價(jià)格等因素，并不適合搭載在低空無(wú)人機(jī)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(jī)作為備選傳感器，從而進(jìn)一步開(kāi)展航空攝影測(cè)量效率評(píng)估工作，其相關(guān)參數(shù)如表1所示:

無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)備選傳感器參數(shù)簡(jiǎn)表 表1

3.1 相同地面分辨率

為了方便評(píng)估上述4款備選傳感器及其不同安置方式的航空攝影測(cè)量效率，現(xiàn)假定采用無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)對(duì)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(jī)焦距選用24 mm，影像地面分辨率達(dá)到0.1 m，航片的航向重疊度70%、旁向重疊度40%。根據(jù)相關(guān)公式分別計(jì)算利用上述4款相機(jī)所搭建的無(wú)人機(jī)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(jì)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(guān)航攝參數(shù)，有如下兩方面的結(jié)論:

(1)傳感器安置方式對(duì)攝影測(cè)量效率及高程精度的影響

①攝影測(cè)量效率。無(wú)論何種安置方式，同款傳感器所獲取的相片總數(shù)相當(dāng)。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(shì)明顯；同時(shí)，有效減少了區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量對(duì)像控點(diǎn)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(shì)明顯，能有效幫助提高高程測(cè)繪精度，對(duì)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(cè)量效率對(duì)比

①攝影測(cè)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(jī)的近1.5倍，因此，覆蓋相同作業(yè)區(qū)域的像片數(shù)量?jī)H為其他3款相機(jī)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(cè)量對(duì)像控點(diǎn)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(jī)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(guān)航攝參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示:

備選傳感器航攝參數(shù)計(jì)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(cè)量對(duì)像控點(diǎn)的數(shù)量要求及后期數(shù)據(jù)處理工作量等方面沒(méi)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(dǎo)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(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的平面和高程測(cè)繪精度。

3.3 小結(jié)

從4款備選傳感器的相關(guān)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(shì)；綜合分析其航空攝影測(cè)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(cè)量像控點(diǎn)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(shì)，可首選作為搭建無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的傳感器。而對(duì)于荷載較小的超輕型無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)(如旋翼機(jī))，可選擇索尼NEX-7相機(jī)(其傳感器尺寸為23.4× 15.6 mm，有效像素2 430萬(wàn)，最大分辨率達(dá)到6 000×4 000，但機(jī)身重量?jī)H為291 g)作為其傳感器。

4 應(yīng)用展望

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在抗風(fēng)能力、姿態(tài)穩(wěn)定度、續(xù)航時(shí)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(shí)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(zāi)害監(jiān)測(cè)、高時(shí)效性資源監(jiān)測(cè)、數(shù)字城市建設(shè)、國(guó)土資源快速監(jiān)察、新農(nóng)村規(guī)劃等應(yīng)用要求。伴隨著無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型換代，本文提出的相機(jī)重量、傳感器尺寸、視場(chǎng)角、有效像素等參考指標(biāo)及航空攝影測(cè)量效率評(píng)估方法可作為無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)傳感器選型的重要依據(jù)。

[1] 林宗堅(jiān)，蘇國(guó)中，支曉棟.無(wú)人機(jī)雙拼相機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)[J].地理空間信息，2010，8(4):1～4.

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[3] 范承嘯，韓俊，熊志軍等.無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].測(cè)繪科學(xué)，2009，34(5):214～215.

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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(cè)測(cè)繪師，高級(jí)工程師，主要從事攝影測(cè)量與遙感數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用研究工作。