基于固定翼無人機的航空影像獲取方法

劉 輝

（遼寧省自然資源事務(wù)服務(wù)中心—遼寧省基礎(chǔ)測繪院，遼寧 錦州 121003）

0.引言

近些年，無人機以低費用、靈活性強、風(fēng)險低、操作便捷等優(yōu)勢越來越多地應(yīng)用到各個行業(yè)領(lǐng)域，日益貼近我們的生活，該項技術(shù)也處于高速發(fā)展期，逐漸趨于成熟。固定翼無人機在測量領(lǐng)域里的運用非常廣泛，攜帶相機等測繪設(shè)備，一架續(xù)航時間2.5h、時速80km的電動固定翼無人機，一個架次就可以測繪20km2的面積，這在地震、洪水等自然災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急救援中的優(yōu)勢尤為明顯[1]。固定翼的氣動效率特別高，因此續(xù)航長、活動范圍大，在大范圍監(jiān)控中，特別是森林防火中的表現(xiàn)尤為突出，同時，固定翼無人機還是偏遠地區(qū)的輸電線路、石油管道等長距離巡檢的利器[2]。

UV20無人機系統(tǒng)是基于GPS導(dǎo)航的全自主無人駕駛航空飛行器系統(tǒng)，電動航時1:30，系統(tǒng)通過攜帶任務(wù)載荷（佳能5D III數(shù)碼相機）執(zhí)行遙感飛行任務(wù)，能夠全自動、高精度地獲取遙感數(shù)據(jù)，起飛回收方式為彈射起飛、傘降回收，按照程序自動完成彈射和開傘過程。

1.UV20無人機系統(tǒng)構(gòu)成

UV20無人機系統(tǒng)主要由飛行器、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、彈射器系統(tǒng)組成。

飛行器包括飛機機體（機身、機翼、尾翼等）、動力推進裝置、飛行操縱裝置、供電系統(tǒng)。

飛行控制系統(tǒng)也稱自駕儀，飛機的飛行控制主要由自動駕駛儀完成。負責(zé)無人機導(dǎo)航與控制，完成無人機的自主起飛、爬升、巡航、降高及回收，是系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，UV20無人機航攝系統(tǒng)的飛行控制系統(tǒng)使用加拿大Micropilot公司MP2028型號自動駕駛儀，集成了無人機自動駕駛儀的全部功能。

數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是使用電臺（遙控發(fā)射器）通過天線發(fā)射無線電，與飛機實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)控制和監(jiān)測飛機狀態(tài)等作用。

地面站系統(tǒng)主要是利用地面控制軟件，配合地面的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，完成對無人機飛行的航線規(guī)劃、各類狀態(tài)檢測、關(guān)鍵數(shù)據(jù)監(jiān)測、飛行數(shù)據(jù)（如，無人機位置、速度、高度等）、航線的實時監(jiān)測和更改、控制任務(wù)載荷等。地面站軟件界面包括三大功能區(qū)，分別為地圖顯示區(qū)、控制區(qū)、實時測控區(qū)。顯示地圖、航線、飛行軌跡、飛機位置、姿態(tài)、高度等信息。控制飛行和任務(wù)載荷功能（如，相機試拍、緊急返回、取消作業(yè)）。監(jiān)控飛機當(dāng)前位置、高度、飛機的姿態(tài)、空速、地速、相機曝光位置、飛行時間、動力電池余量等。

任務(wù)載荷就是無人機平臺搭載的各種任務(wù)設(shè)備，如，攝像機、雷達等。傳感器的搭載要根據(jù)工作需要，當(dāng)然也得考慮無人機平臺的載荷，還要具體傳感器的工作條件要求[3]。本套UV20無人機系統(tǒng)搭載了佳能5D markⅢ數(shù)碼相機，配備35mm定焦鏡頭。

彈射器由滑道、橡皮繩和小車絞盤、拉力計等組成。為了方便運輸，滑道為3段可折疊式設(shè)計，每段1m，滑道組裝完成后，總長3m；位于彈射架后端的絞盤，則是通過12v蓄電池驅(qū)動下，拉動小車增加彈力的裝置。

2.UV20無人機系統(tǒng)最低作業(yè)條件

通過多次測試，總結(jié)該套UV20無人機系統(tǒng)應(yīng)用在各類影像獲取工作中的經(jīng)驗，得出了固定翼無人機在作業(yè)時需具備天氣、地理環(huán)境等的最低條件。

2.1 起降場地的要求

2.1.1 地形和障礙物因素

由于UV20無人機系統(tǒng)需要依靠彈射器起飛，依靠降落傘自然落體降落。起飛時有一段低空滑起的過程，降落時有一段開傘飄落的過程，因此對起飛場地周邊環(huán)境的要求非常高。我們通過大量的實際飛行，總結(jié)分析了起飛、降落相關(guān)數(shù)據(jù)，確定了起降場要求為：地勢平坦[4]，起飛方向1000m、左右500m不能有障礙物（如，旗桿、電線桿、樹木等）。

2.1.2 風(fēng)速、風(fēng)向等因素

風(fēng)對于起飛、傘降的影響都是非常大的，起降場位置要求風(fēng)速和風(fēng)向一定穩(wěn)定，一般要選擇山坡的迎風(fēng)面，盡量不選擇在山坡的背風(fēng)面和山谷內(nèi)，因為這里的風(fēng)在受到地面起伏影響時會形成亂流，風(fēng)速、風(fēng)向都極為不穩(wěn)定，影響飛機起飛甚至摔壞飛機。在飛機降落過程中，容易出現(xiàn)場地里的風(fēng)速和風(fēng)向與空中的不一致情況，導(dǎo)致操作人員在預(yù)判飛機的空中開傘點不準確，造成飛機降落時飄向無法控制的區(qū)域，嚴重的可能損壞飛機。

2.1.3 地面站電臺鏈路因素

地面電臺需要實時監(jiān)控?zé)o人機的飛行姿態(tài)，并在發(fā)生緊急情況時對無人機進行操控，最好要保持電臺與飛機之間沒有遮擋，確保鏈路通暢。因此要求起降場地與任務(wù)區(qū)的連線方向不能有高大的建筑物和山體等遮擋。另外，電臺的發(fā)射半徑為30km，因此起降場與任務(wù)區(qū)距離應(yīng)不超過30km。

2.2 最低的天氣條件要求

雷雨、陰雨天氣不能飛行，主要是因為UV20無人機系統(tǒng)由很多電子元件組成，很多元件沒有進行防水設(shè)計。

風(fēng)速大于為8m/s不能飛行。因為風(fēng)速大于8m/s時，飛機按照巡航速度飛行時，順風(fēng)空速會降低到飛行速度標準以下，導(dǎo)致飛機無法保持姿態(tài)發(fā)生危險。

受地面電臺功率發(fā)射半徑大約30km的限制，總結(jié)出起降場地距離任務(wù)區(qū)需要低于30km。

3.影像獲取與處理

固定翼無人機航攝系統(tǒng)作業(yè)流程分別為前期準備、實施航攝、數(shù)據(jù)分析和檢查及成果整理（如圖1所示）：

圖1 影像獲取作業(yè)流程

本文以在遼寧省北票市炒米甸子村開展的航飛試驗為例，按照上述作業(yè)流程進行數(shù)據(jù)獲取。

3.1 影像獲取區(qū)域概覽

飛行區(qū)域位于北票市炒米甸子村，測區(qū)內(nèi)地形主要為丘陵地，面積約60km2，地面分辨率15cm。根據(jù)對場地和周邊環(huán)境的要求，設(shè)計飛行高度1200m。攝區(qū)范圍示意圖（如圖2所示）：

圖2 影像獲取范圍示意圖

3.2 前期準備

3.2.1 機載動力電源充電

調(diào)整充電器充電電流為2A到3A，對電池進行充電，直至充電器自動判斷充電完成。緊急情況下，任務(wù)十分緊急，使用快速充電電流5A對電池進行補充電操作，為了提高電池的壽命和確保性能的可靠性，不建議頻繁的大電流充電操作。

3.2.2 地面站計算機

外場作業(yè)前，對便攜式計算機的可靠性進行評估，不應(yīng)使用存在故障隱患的計算機，包括：計算機啟動或運行過程中系統(tǒng)長時間失去響應(yīng)、計算機啟動或運行過程中藍屏、計算機輸入輸出設(shè)備故障或疑似故障、可能存在病毒或蠕蟲入侵、計算機響應(yīng)速度過慢。確保計算機電量充足，以滿足外場作業(yè)筆記本電腦的供電需要。

3.2.3 彈射架蓄電池充電

外場作業(yè)前，保證彈射器絞盤供電蓄電池電量足夠，確保彈射器正常工作。

3.2.4 彈射架檢查

檢查彈射架的滑軌是否有變形，橡筋是否有破損，發(fā)射扳機能否正常打開、關(guān)閉。

3.2.5 測區(qū)地圖緩存

打開地面站軟件，找到任務(wù)區(qū)域，標繪范圍點至地面站軟件中，下載范圍內(nèi)地圖（緩存至15層），下載完成后，預(yù)先規(guī)劃航拍航線，在任務(wù)區(qū)域30km范圍內(nèi)，預(yù)選滿足條件的起、降場地，備選2-3個。

3.3 實施航攝

3.3.1 起飛點、起飛方向確認

綜合考慮起降場地的地理條件、風(fēng)向、風(fēng)速等多方面因素，將起飛點選在起降場地長邊的下風(fēng)處，起飛方向?qū)蕡龅貎?nèi)迎風(fēng)方向或長邊方向，即起飛方向?qū)χ鴸|北方向。

3.3.2 彈射架組裝

將三折式彈射架安置在起飛點位置上，將彈射架拉開并鎖定緊固螺栓，調(diào)整方向使其對準起飛方向，再將彈射架后方腳位固定到場地上，在其后方釘入固定銷子，以防止其反彈，將前方腳位調(diào)整至合適高度，使其仰角滿足UV20無人機的起飛角度。調(diào)整后方腳位，確保彈射架滑道的后端處于水平狀態(tài)；調(diào)整彈射架前方腳位，確保彈射架滑道的前端處于水平狀態(tài)。

3.3.3 彈射架測試

將組裝好的彈射架安置好后，對其進行檢測。首先，將小車拉至彈射架底端，鎖定小車開關(guān)，插上安全銷，將試射鐵鳥安置到小車上，然后，使用絞盤將橡皮繩加力，當(dāng)絞盤拉力顯示為210N時，拔出安全銷，打開小車開關(guān)，將鐵鳥釋放出去；最后，量取鐵鳥從彈射架頂端至落地點的距離，距離超過20m，證明彈射架姿態(tài)良好，可以正常使用。

3.3.4 飛機組裝

彈射架安置好后，進行飛機的組裝，主要包括機翼、尾翼、動力電池、飛機回收裝置（降落傘和氣囊等），任務(wù)載荷（數(shù)碼相機）等的安裝。

3.3.5 地面站設(shè)置

在地面站架好天線，將天線的同軸電纜與電臺端口連好，再將電臺的數(shù)傳USB連接線接口接到地面站電腦的USB口上，并安裝好電臺驅(qū)動。

3.3.6 起飛前UV20無人機檢查

將組裝好的UV20無人機安置在彈射架的小車上，鎖死小車后開始檢查飛機狀態(tài)。先將地面站通過電臺與飛機連接，建立連接后在地面站上檢查數(shù)傳狀態(tài)，檢查飛機傳給地面站的信息是否正確，包括飛機的位置、空速等信息，著重在地面站上檢查動力電源是否高于25v；測試發(fā)動機轉(zhuǎn)速，給飛機起飛指令、檢查飛機轉(zhuǎn)速是否高于6900r/s；檢查無人機回收裝置，測試降落傘打開功能，檢查傘艙蓋是否能正確打開，檢查氣囊充氣功能；檢查任務(wù)載荷（航攝相機），試拍像片，檢查相機是否正常拍照。一切檢查和準備就緒后，等待執(zhí)行任務(wù)。

3.3.7 執(zhí)行任務(wù)

將航攝計劃上傳到無人機飛行控制器中，按照放飛程序?qū)V20無人機彈射升空。無人機彈出后，由飛行控制器進行自動控制，爬升到300m高度后空中待命盤旋，地面站操作員確認系統(tǒng)工作正常后，點擊作業(yè)按鈕，安排無人機進行航拍作業(yè)，無人機到達預(yù)定航線和預(yù)定高度后，開始逐航線獲取像片，完成一個架次后，自動返航，并在起飛點上空300m高度盤旋。

3.3.8 UV20無人機的回收

無人機在自動返航后，在上空盤旋等待指令，這時，綜合考慮場地地理條件和風(fēng)速、風(fēng)向（影響飛機開傘后飄落方向和距離）后，確定降落傘的開傘位置，然后啟動回收程序，降落傘打開后，地勤人員第一時間趕到飛機落地位置，將降落傘和飛機快速分離，防止降落傘拉扯飛機在地面上拖拽，造成飛機受損。

3.4 航攝設(shè)計

飛行區(qū)域面積60km2，按照UV20無人機的性能特點和航攝相關(guān)技術(shù)要求設(shè)置參數(shù)如下：分辨率為15cm，旁向重疊度50%，航向重疊度80%，航線角度為35°。按4個架次規(guī)劃航線，4個架次的航線設(shè)計分別如下，架次1：覆蓋范圍8km2，航線角度340°，航線數(shù)量8條，航線總長114km；架次2：覆蓋范圍16km2，航線角度340°，航線條數(shù)8條，航線總長59km；架次3：覆蓋范圍19km2，航線角度340°，航線條數(shù)8條，航線總長58 km；架次4：覆蓋范圍18km2，航線角度340°，航線條數(shù)9條，航線總長60km。

3.5 數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)檢查

數(shù)據(jù)分析和檢查主要包括：數(shù)據(jù)下載、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)質(zhì)量評估、測區(qū)覆蓋情況檢查等。

3.5.1 數(shù)據(jù)下載

主要包括像片數(shù)據(jù)和機載POS數(shù)據(jù)下載，本測區(qū)共拍攝像片1226張，記錄POS點位信息1226個，通過對POS數(shù)據(jù)與下載像片的數(shù)量進行分析比對，數(shù)量一致，可以將POS點位信息與像片號相對應(yīng)，制作mark文件。

3.5.2 數(shù)據(jù)檢查

數(shù)據(jù)檢查主要含測區(qū)覆蓋情況、像片效果檢查。使用ArcGIS軟件將POS的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，繪制展點圖檢查測區(qū)覆蓋情況。之后逐片進行像片質(zhì)量檢查，本測區(qū)的航攝像片均十分清晰、層次分明、沒有污點、云霧等遮擋等情況，質(zhì)量合格。使用POS數(shù)據(jù)檢查像片獲取范圍（如圖3所示）：

圖3 使用POS數(shù)據(jù)檢查像片獲取范圍

3.6 使用PhotoScan軟件快速生成影像

使用PhotoScan軟件制作影像數(shù)據(jù)共分為三個主要步驟，分別為數(shù)據(jù)準備、數(shù)據(jù)解算工作流和數(shù)據(jù)成果輸出。

3.6.1 數(shù)據(jù)前期準備

先將原始像片（JPG或者TIF格式）和POS參數(shù)文件（.TXT后綴）引入到軟件中，打開地理參考選項卡、匹配像片和POS數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)加載工作。

3.6.2 影像制作

影像制作的流程包含對齊像片（像片的相對定向）、優(yōu)化對齊方式（無約束空中三角測量）、量測像控點、再次優(yōu)化對齊方式（約束空中三角測量）、空三精度分析、生成密集點云、生成網(wǎng)格、建立DOM等。

對齊像片的精度參數(shù)可設(shè)置為最低、低、中、高、超高，隨著相對定向精度的提高，效率逐漸降低，一般選擇中等或高等精度即可。在進行13個共線方程參數(shù)的設(shè)置和優(yōu)化后即完成了無約束空中三角測量。量測像控點時，將像控點坐標導(dǎo)入地理參考選項卡中，逐點位進行量測，準確量測像片上像控點的同名點位后，再進行一次優(yōu)化對齊，完成約束空中三角測量。統(tǒng)計并分析像控點精度情況，剔除粗差，保存空三成果。制作影像需要逐步生成密集點云、網(wǎng)格（DSM），最后生成正射影像（DOM），一般情況下，選擇像片原始分辨率生成DOM。

3.6.3 成果輸出

輸出正射影像成果時，在軟件中配置輸出參數(shù)，包括影像格式、地面分辨率、建立TFW文件和金字塔文件、是否裁切等，最后，導(dǎo)出正射影像（DOM）成果。后續(xù)可以按需導(dǎo)出包括項目概況、相機標定、地面控制點精度、處理參數(shù)等信息在內(nèi)的項目生產(chǎn)報告。

3.7 成果整理

將檢查后的數(shù)據(jù)成果封裝起來，建立專用目錄，包括：“原始數(shù)據(jù)（POS數(shù)據(jù)、像片數(shù)據(jù)）”影像資料（TIFF格式）”等文件。

4.結(jié)論與展望

通過上述對固定翼無人機詳細地分析和闡述，總結(jié)出以下的飛行使用條件：通常航線長度超過200km，并且周圍30km范圍內(nèi)能夠找到適合的起降場，天氣適合的條件下就可以優(yōu)先考慮使用固定翼無人機進行航攝；當(dāng)風(fēng)力達到4級以上時，一般只考慮使用固定翼無人機；當(dāng)航攝面積較大，超過60km2，地面分辨率可以放寬到15cm及以上時，多數(shù)考慮使用固定翼無人機。

無人機以其廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用領(lǐng)域受到了越來越多地關(guān)注，固定翼無人機作為無人機家族中重要的一員，只有不斷總結(jié)并優(yōu)化操作方法，才能發(fā)揮其做大效能。本文總結(jié)的固定翼無人機作業(yè)流程具有普適性和較強的實用性，能夠?qū)︻愃祈椖康膶嵤┨峁┮恍﹨⒖肌?/p>