提高無人機(jī)航空攝影效率的思路及探索

宋樹軍，劉 銳

（1.廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500）

自2008年汶川地震開始，采用“無人機(jī)”進(jìn)行應(yīng)急測繪逐漸成為國家應(yīng)對突發(fā)自然災(zāi)害的重要手段。國家測繪地理信息局大力推廣無人機(jī)低空航空攝影，快速進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，提高測繪服務(wù)效率。更加高效地獲取目標(biāo)區(qū)域的影像，提高無人機(jī)低空航空攝影測量的效率，是做好測繪工作、提高服務(wù)職能的重要舉措。

本文對無人機(jī)航空攝影效率的影響因素進(jìn)行了分析和探索，同時(shí)結(jié)合實(shí)際情況對無人機(jī)航攝系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，對提高無人機(jī)航空攝影的效率進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)簡介

1.1 無人機(jī)低空航空攝影測量系統(tǒng)的定義

無人機(jī)遙感是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，自動化、智能化、專用化快速獲取國土、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]。

無人機(jī)遙感系統(tǒng)由于具有機(jī)動、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，已經(jīng)成為世界各國研究的熱點(diǎn)課題，現(xiàn)已逐步從研究開發(fā)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用階段，成為未來的主要航空遙感技術(shù)之一。

1.2 無人機(jī)航空攝影測量系統(tǒng)的組成

無人機(jī)航攝系統(tǒng)包括無人機(jī)飛行平臺、數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)、配套軟件系統(tǒng)6部分（見圖1）[2]。

圖1 無人機(jī)航空攝影示意圖

1.3 無人機(jī)低空航空攝影的優(yōu)勢

無人機(jī)低空航空攝影的優(yōu)勢主要有以下5點(diǎn)：

1）運(yùn)輸組裝方便。相對于傳統(tǒng)航空攝影，無人機(jī)航攝不需要專門機(jī)場調(diào)運(yùn)、調(diào)配，可用小型汽車裝載運(yùn)輸，可隨時(shí)組裝。

2）天氣影響較小。無人機(jī)航攝系統(tǒng)受天氣條件影響較小（只要不下雨、風(fēng)速小于4級均可進(jìn)行）,還具有云下攝影的優(yōu)勢。

3）起飛方式多樣。無人機(jī)不需要專門機(jī)場和跑道，可在普通公路上滑跑起降或采用彈射方式起飛、傘降方式降落。

4）避免空域管制。傳統(tǒng)航攝對空域的要求手續(xù)繁多，無人機(jī)航攝能很大程度上節(jié)省申請手續(xù)需要的時(shí)間和精力，基本能夠做到即到即飛。

5）作業(yè)成本較低。相對于傳統(tǒng)有人駕駛航攝飛機(jī)，無人機(jī)航攝系統(tǒng)購置成本及使用、維護(hù)費(fèi)用都較低，無人機(jī)航攝無需專業(yè)航測設(shè)備，普通民用單反相機(jī)即可作為影像獲取的傳感器，可減少投入。

1.4 無人機(jī)航空攝影測量的成果及其應(yīng)用

無人機(jī)航測成圖的成果種類與傳統(tǒng)航空攝影測量基本一致，主要有DOM、DEM、DLG以及相關(guān)組合成果和衍生成果（如數(shù)字影像地圖等）。

2 無人機(jī)航攝效率影響因素分析

無人機(jī)航攝效率的影響因素主要包括以下4方面：①攝區(qū)面積；②無人機(jī)續(xù)航時(shí)間；③相機(jī)續(xù)航時(shí)間；④相機(jī)的像幅大小。公式為：

式中，N為攝區(qū)飛行架次數(shù)；PArea為攝區(qū)面積；FArea為單架次航攝面積；Int()表示將數(shù)字向下舍去到最接近的整數(shù)。

由式（1）可知，航攝架次與攝區(qū)面積成正比，與單架次航攝面積成反比。因此，在保障攝區(qū)任務(wù)的前提下，要提高航攝效率，只有提高單架次的航攝面積。而單架次的航攝面積與以上的②③④因素直接相關(guān)。

如果把單架次的航攝面積分?jǐn)偟矫繌堄行У南衿希敲疵繌埾衿挠行娣e可以近似認(rèn)為是單像片扣除單次重疊后的面積，即

單架次航攝面積 = 單像片有效面積×片數(shù) = 單像片長×（1-航線重疊）×單像片寬×（1-旁向重疊）×飛機(jī)和相機(jī)續(xù)航時(shí)間的最小值內(nèi)拍的片數(shù)

根據(jù)投影關(guān)系[3]：

可得到單片貢獻(xiàn)面積SArea:

式中，f為焦距，單位為mm；H為相對航高，單位為m；u為像元大小，單位為mm；GSD為地面分辨率，單位為m；Row和Col分別為像片行數(shù)和列數(shù)；Oc為航向重疊度；Or為旁向重疊度。

以上推理基于固定地面分辨率的情況，而這也是生產(chǎn)中常用的情況。由公式（3）的分析得出結(jié)論為：①單架次航攝面積與相機(jī)像元大小以及航高的平方成正比，與焦距的平方成反比；②單架次航攝面積與像幅大小成正比；③單架次航攝面積與航攝時(shí)間成正比。

要提高無人機(jī)的航攝效率，可以采取如下措施：①選擇較高的航高和短焦相機(jī)；②減少影像重疊度；③選擇大容量的相機(jī)電池；④增大無人機(jī)的載油量；⑤減少單位時(shí)間消耗的油量。

實(shí)際作業(yè)中，相機(jī)的焦距是固定的，影像重疊度必須得到保證，因此增大油箱容量和減少單位時(shí)間油耗是最可行的辦法。

單位時(shí)間的油耗，實(shí)際體現(xiàn)的是無人機(jī)螺旋槳的效率問題。在空氣動力學(xué)理論中，一般用以下公式來表示：

式中，η為螺旋槳的效率；r為槳葉上任一剖面到旋轉(zhuǎn)軸的距離；θ為剖面角（螺距）；V為前進(jìn)速度；D為螺旋槳直徑；P為旋轉(zhuǎn)阻力[4,5]。

由式（4）可以得出，在機(jī)型一定的情況下（此時(shí)P為定值），η與 tanθ成正比，即其他條件確定的情況下，螺距越大則螺旋槳效率越高；同時(shí)，槳尖處螺距角的影響比靠近旋轉(zhuǎn)軸處的角度影響更大[6]。

因此，在其他條件不變的情況下，通過用砂紙打磨螺旋槳，修改螺旋槳槳葉翼面與旋轉(zhuǎn)平面的交角（重點(diǎn)是槳尖處的角度）的方法，增大螺旋槳的螺距，可提高無人機(jī)的效率，減少油耗[7]。

3 設(shè)備改造和實(shí)際驗(yàn)證

3.1 無人機(jī)設(shè)備情況

我院購置的無人機(jī)航攝系統(tǒng)為ZC-II型，具體設(shè)備情況如表1所示。

表1 現(xiàn)有設(shè)備情況表

3.2 設(shè)備改造

1）拆——拆除原有附加的部分次要零件，減輕總體重量，增加載荷；

2） 裝——增加一個附加的小油箱（約0.5 L的容積）；

3）改——修改螺旋槳的螺距，降低飛行過程富余的轉(zhuǎn)速，來達(dá)到減少油耗、提高油料利用效率的目的；

4）換——升級相機(jī)為全畫幅的NikonD800E，像元大小為4.8 μm，焦距仍為35 mm。

通過以上4個步驟的升級改造，無人機(jī)續(xù)航能力得到提高，航攝能力和效率得到極大的提升。

3.3 效率對比驗(yàn)證

我院在廣東省數(shù)字縣區(qū)試點(diǎn)影像數(shù)據(jù)獲取和生產(chǎn)項(xiàng)目中使用無人機(jī)進(jìn)行影像獲取，并對無人機(jī)改造前后的航攝效率進(jìn)行了對比。按照項(xiàng)目1︰2 000比例尺要求，地面分辨率不低于20 cm的情況，無人機(jī)升級改造前后的效率如表2 所示。

表2 無人機(jī)升級改造前后航攝效率對比表

通過對比，改造前后的航攝效率有了4倍的提升，反映到實(shí)際生產(chǎn)中，后處理工作量也隨之減少，實(shí)際效果會更好。

3.4 出現(xiàn)的問題及注意事項(xiàng)

在修改螺旋槳螺距時(shí)，一定要結(jié)合每臺發(fā)動機(jī)的實(shí)際性能進(jìn)行。逐步微調(diào)，找到速度和效率的平衡點(diǎn)，挖掘飛機(jī)的潛能。

4 結(jié) 語

本文通過對影響無人機(jī)航攝效率的相關(guān)因素的分析，得到提高其效率的可行性方案，進(jìn)行無人機(jī)的升級改造，挖掘無人機(jī)的潛力，并在實(shí)踐中進(jìn)行了驗(yàn)證，對航攝效率提高效果明顯，使無人機(jī)進(jìn)行大面積航攝作業(yè)成為可能。

今后，采用大載荷、裝載更多油料和搭載更大像幅的相機(jī)的大中型無人機(jī)，進(jìn)一步提高航攝效率值得期待。

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