無人機航測在青藏高原的作業特點及其應用

馬立華 熊文博 鄭永虎（青海省高原測繪地理信息新技術重點實驗室）

我國高原面積占國土面積40%，無人機在高原地區飛行，由于受環境因素的影響，無人機的飛行狀態以及機載設備的運行與低海拔地區飛行有著明顯的區別。隨著高原地區進行無人機航測的需求日益增加，因此展開無人機在高原地區的航測應用研究十分必要。

無人機高原航測團隊。

隨著國家西進戰略的不斷縱深推進，無人機航測技術在高原地區有著廣泛的應用前景，無人機在青藏高原地區的實際應用從理論和實踐上探索了無人機高原飛行的有關問題，取得了一定的成果。在青藏高原，其平均海拔在4000m以上，高原特點表現相當明顯；但是該地區測繪地理信息的基礎相對薄弱。因此，研究以無人機為平臺進行高原地區的航測飛行，對提高生產效率，提升產品質量，拓寬測繪產品的應用范圍，以及對該區域的測繪地理信息建設具有重要的意義。實踐證明，使用目前比較通用的常規固定翼航測無人機，在海拔4000～5000m的高原實施航測飛行，是可以做到的。

無人機發動機也會受到高原特性的影響。

青藏高原環境對無人機飛行的影響

在海拔4000m左右，空氣密度只有海平面的60%～70%，空氣含氧量相當于海平面的60%～65%，大氣壓只有海平面的一半。由于空氣密度小，加劇了空氣增溫和降溫的強度，使氣溫日變化幅度增大，因地形地貌因素影響日氣溫變化一般超過15度。另外，青藏高原許多地方一年之中大風日超過100天，有的地區甚至超過200天；降水量每年5月至9月最多，可占全年降水量的80%～90% ，而降水的主要形式是雪和冰雹。

高原低溫缺氧對發動機的影響

在高原地區，空氣密度隨海拔升高而降低，對于內燃機來說造成進入發動機氣缸的空氣充量也發生變化，使得進入氣缸的燃油得不到充分燃燒，功率明顯下降。低溫也使發動機潤滑油特性下降，使其在高海拔高空作業時發動機的不穩定性明顯增加，經常出現發動機過熱，燃油調校值不穩定，空中熄火等現象。

高原地區無人機航攝系統的組成。

高原低溫環境下對電池的影響

在高原地區所有的環境因素中，溫度對電池的充放電性能影響最大。溫度下降，電極的反應速率也下降。假設電池電壓保持恒定，放電電流降低，電池的功率輸出也會下降。溫度也影響電解液的傳送速度，溫度上升則加快，傳送溫度下降，傳送減慢，電池充放電性能也會受到影響。

高原高山及峽谷地形對飛行的要求和影響

跑道更長：高原空氣稀薄，無人機的真空速要比平原大得多，并且發動機的推力明顯減小，使無人機起飛距離及著陸距離顯著增加。

性能要求更高：高原飛行時無人機的機動能力降低，爬升和穩定能力變差，無人機空中加速、減速所需距離增長，轉彎半徑增大。

易遭遇風切變：高原峽谷海拔高，近地面空氣受陽光照射受熱不均，加之地形氣流，峽谷地區經常出現大風，而且風速、風向變化也很大，極易形成亂流、顛簸和風切變。

實時通信鏈路易受影響：地形地貌對無人機監控回傳信號影響十分明顯，常規范圍下的距離有著明顯的下降，某些特殊情況下基本無監控信號。

綜上所述，青藏高原地理環境對無人機飛行和航攝質量有著很大制約，全國測繪地理信息行業對無人機在低海拔地區的研究成果很多，而在高原地區進行的無人機遙感航測工作還比較少。因此，加大無人機在青藏高原地區航飛及數據處理技術研究，對開拓無人機在高原地區的應用領域有重要的意義。

另一方面，由于青藏高原人口密度小，地物稀少，植被稀疏，地貌單一，因此在這個角度上，青藏高原相對于低海拔發達地區更適合無人機的實際飛行。

高原地區無人機系統的改造與選配

高原對發動機的實際影響

發動機是無人機各部件中最重要的部件之一，對于正確了解和掌握各款發動機在高原地區的使用特性，也就等于克服了高原無人機技術難點之一，為無人機的安全飛行打下良好基礎。

利用青海省高原測繪地理信息新技術重點實驗室為平臺，在高原為獲得更加實際的發動機功效數據，對發動機的拉力進行了高海拔地面靜態測試。在發動機出廠標稱值最大可產生拉力13.76kg，無人機重量17.2kg，無人機功重比1∶0.8；海拔3950m時，測得最大拉力僅為7.6kg，無人機功重比僅為1∶0.35。有效地說明了高海拔地區對發動機功率的影響。

無人機的選型

應根據不同飛行特點需要來訂制適宜高原地區作業的飛行器，也可根據其飛行條件影響改進無人機，提高技術參數，如載重、航時、翼形、升力系數、機體結構、起落架等，來完成高原特定條件下的無人機安全飛行，取得有效數據信息。

從經驗得知，海平面滑跑起飛的安全離地速度應不小于60km/h（16.6m/s），而在海拔4000m高度，無人機的安全離地速度。速度不得低于75km/h（20.8m/s）。根據任務需要無人機會有不同的搭載配置，重量也會隨之變化。通過計算，無人機的海平面標準推重比應不低于0.8，才可以確保飛機在海拔4000m以上的高度有足夠的動力起飛和爬升。雖然這個結論數據只是相對條件下的飛行數據，但具有相當高的可靠性，完全可以用于指導飛行實踐。

飛行控制與電源管理

飛行控制主要包括飛行控制器、無線傳輸電臺、控制執行機構、電源等。飛控系統主要是利用GPS導航定位信號，陀螺儀加速度計等硬件設備，通過算法解算控制無人機的執行機構使其自主飛行。由于高原低溫影響電池性能，因此高原飛行應該注意溫度變化對電源放電系數的影響，在高海拔地區應對其進行保溫控制。

(上) 航測航線計算。

航測作業飛行中的注意事項

充分利用數字地圖，根據項目已知資料在地圖上確定航飛區域，首先要確定已知的區域資料的坐標系以及區域文件格式，無論任何信息都要進行轉換或求解確定所飛行的區域。將數字地圖上顯示的目標地域圖片保存下來，導入到地面監控站地面控制軟件，目的是在地面控制軟件中能夠直觀地看到航線的布設及目標區域的位置。

航線計算

面狀區域型的航空攝影一般以東西飛行為主，也可根據測區的范圍特點采用南北飛行，有時也可根據測區地形及區域的不同采用自由航線航線布設，但要保證覆蓋整個測區。

像片重疊度根據地面分辨率的要求，具體設計可靈活選擇，航向重疊度一般應為60%～80%；旁向重疊度一般應為15%～60%，根據作業經驗設定為40%較為合適。

在青藏高原，攝區地形條件很難達到高差小于航高1/6的要求，所以航高理論上取測區內相對基準面進行計算，重疊度要滿足測區內最高點取值來計算，逐條航線計算航線間距和曝光間隔，以滿足航向重疊和旁向重疊的要求。

地面控制

在青藏高原大部分地區山高谷深，人跡罕至，地面站接受通信信號差，加上手機通訊信號無法覆蓋，一般在平原地區飛行中使用的機載GPS定位回傳系統無法在手機上接收到有效坐標信息，如果一旦發生問題人員無法及時到達現場。所以在高原地區飛行中，大多使用雙地面站接受通信信號，分布按地形變化設置，保持飛行回傳信號的通暢，使其達到多點接收，提高無人機在高原地區飛行的可靠性。

航前檢查

無人機的航前檢查需要檢查以下條目：

● 檢查傳感器數據以及其零位和需要清零的傳感器（空速、俯仰滾轉偏置，陀螺零位）；

● 轉動無人機，檢查陀螺和加速度計工作方向和數據正確；

● 擋住空速管，空速是否為零，手指按住空速管加壓，檢查空速變化；

● 設置當前地面高度，安全開傘高度，是否使能自動應急開傘；

● 檢查GPS，衛星數量和PDOP；

● 檢查并記錄初始電池電壓和舵機電壓是否達到相關技術要求；

● 檢查航線：覆蓋率、轉彎半徑、航高；

● 設置拍照間隔；

● 上傳航線、下載機載航線層，檢查航線上傳是否完整；

彈射起飛是較合適的高原起飛方式。

● 相機試拍；

● 發送起降點位置。

飛行中檢查

無人機的飛行中檢查需要檢查以下條目：

● 監視無人機姿態、轉速、高度、空速以及空中標平；

● 進入UAV后，繼續監視制式航線，有異常，切回RC，無異常，待無人機飛至預定高度；

● 預判制式航線與實測點之間位置，選擇適當角度發送實測點（避免負角度，銳角等大機動動作）；

● 進入航線后，實時監視轉速，空速，高度，偏航距；

● 完成航線返航后，進入制式，關閉機載航線層，航線層，選擇起降點，編輯起降點航高并上傳，手動降低航高；

● 無人機降落后，請勿斷開飛控電源，下載POS數據并檢查相片數量；

● 大面積航飛區域，采用雙機同時作業能有效提高航飛的作業效率；

● 像片調繪、像控測量、內業處理的流程和其他地區沒有區別，不再一一介紹；

需要注意的是，在青藏高原地廣人稀，像片調繪和像控測量最好同時作業，并在像控作業過程中測繪足夠數量的保密檢查點，以提高效率，減少作業成本。

應用領域及取得的成果

利用無人機航拍航測快速獲取高分辨率影像資料，進行地圖測繪和地理信息數據的獲得，助力地質找礦、防災減災、交通建設等是近幾年剛剛興起的新技術，在高海拔地區還處于試驗階段，大量用于生產的不多，但也已經取得了一些航測成果。

在“格爾木市夏日哈木鎳鈷礦勘查”項目中，為滿足地勘工作的需要，對礦區內異常體范圍進行1∶ 2000地形測量，并首次在東昆侖發現基性巖體有關的巖漿熔離型鎳鈷銅礦產。

在水利工程中，青海省蓄集峽水利樞紐工程航空攝影測量項目是典型應用。該工程位于青海省德令哈市蓄集鄉，東西寬4km，南北長12km，測區內山高谷深，相對高差達1000m，飛行過程中的絕對航高4600m，需要逐條計算航線間隔。因此航測采用提前布設像控點和測繪檢查點的方法以減小工作量，在航攝時采用雙地面站監控防止無人機丟失信號盲飛情況的發生。

青海省（應用）基礎研究計劃項目“無人機航攝系統在地質災害應急、監測與治理中的應用基礎研究”中，無人機完成研究區16km2的DOM、DEM、DLG的制作，在DOM的基礎上調查地質災害的種類、分布、大小等，成果水平達到國內領先水平。

在土地確權應用中，無人機可獲取地形圖，為土地確權工作提供所需的基礎數據，高原地區在人煙稀少地區進行無人機航測，提高了土地權確權登記效率，降低了人工勞動強度。從2014年起，無人機航測為青海省互助縣、民和縣、同德縣、貴南縣、共和縣、格爾木市、德令哈市等縣（市）農村土地確權登記頒證項目提供基礎調查底圖（DOM），飛行面積超過8000km2。

在昆侖山口的航測飛行中，起飛場海拔達到4700m，飛行高度達到5520m，并成功獲取高分辨率影像數據，創造了運用無人機低空航攝技術在高海拔地區獲取高分辨率影像的新紀錄。

近年來，國家測繪地理信息局非常重視無人機航測測量技術，通過應用航拍攝影測量技術，能夠為社會提供更多、更好、更豐富精確的城市測繪模型產品和服務。無人機航測技術無疑將會在我國高海拔地區地理信息產業中扮演更加重要的角色。 ■