免像控無人機數字航空攝影技術在獲取高原濕地高精度影像中的應用
——以祁連山國家公園酒泉片區甘肅鹽池灣國際重要濕地為例

趙永成，李俊芳，張 帆，宋智軍

（1.甘肅鹽池灣國家級自然保護區管護中心，甘肅 酒泉 736300；2.寧夏天昱科技有限公司，銀川 750000）

近年來，越來越多的測繪行業無人機及無人機遙感平臺的研發，使得數字航空攝影技術的遙感系統更加完善。在大面積和復雜地理環境下（如高原、濕地、雪山和冰川等）的航空攝影作業常常受制于無像控點的原因不能快速獲取高分辨率的影像。在此類特殊地理環境下，免像控無人機結合星鏈RTK 進行數字航空攝影作業，一方面可快速獲取高分辨率影像及高精度控制點數據，另一方面可野外預先快速實測影像未能分辨的地物要素，提高大比例尺地形圖成圖的完整性和工作效率。

1 免像控無人機系統和數字航空攝影技術概述

免像控無人機航空攝影技術是一種新的數字測繪航空攝影技術，是通過用高精度RTK 和慣導測量控制單元（IMU）快速采集無人機航測時的精確位置和無人機姿態信息，為數據的內業處理工作提供更為準確與可靠穩定的起算數據，提高任務結算的精度從而有效達到免像控目的[1]。

1.1 飛馬免像控無人機系統平臺

飛馬D2000 無人機系統是飛馬全新研發的一款小型、長航時但同時能滿足高精度測繪、遙感及視頻應用的多旋翼無人機系統，具備多源化數據獲取能力。全系統模塊化分解后可集成在一個作業箱中，便于攜行。其主要性能指標有：空機重量2.6 kg，最大起飛3.35 kg，最大載重750 g，最大飛行速度20 m/s，差分GPS 20 Hz，最大起飛海拔6 000 m，圖傳大于等于5 km，數傳大于等于20 km，工作溫度-20～45 ℃。

D2000S 無人機配備高精度GNSS 板卡，支持PPK、RTK 及其融合作業模式，可實現稀少外業控制點或一定條件（地物特征豐富）下無控制點的1∶500 成圖，支持高精度IMU 獲取及精確POS 輔助空三，實現免像控應用。其主要性能指標見表1。

表1 雙頻GPS 導航模塊參數

D2000S 無人機是一款有多模塊化載荷的四旋翼無人機系統平臺，外部可以搭載不同的載荷設備實現不同的任務作業。其搭載的5 個載荷模塊為航測模塊用于正射影像作業，傾斜模塊（五鏡頭）用于傾斜攝影生產實景三維模型的作業，同時還可以搭載可見光視頻模塊、熱紅外視頻模塊、熱紅外遙感模塊3 個模塊。因而具有很強的數據獲取能力，既能實現高精度的測繪，還能實現遙感監測和視頻監控等作業目標。

其任務載荷采用模塊化設計，搭配航測模塊滿足航空攝影技術，即遙感監測應用，可實現目標識別、目標定位、目標實時追蹤和目標位置、速度估算等功能。同時配合無人機管家專業版軟件，可實現精準的地形跟隨飛行，保障影像分辨率一致性同時提高分辨率。支持從精準三維航線規劃、三維實時飛行監控、控制點量測到空三處理全流程作業，提供DOM、DEM、DSM 和TDOM 等多種數據成果及瀏覽。

1.2 數字航空攝影技術

航空攝影是利用航空設備搭載光學相機在空中對地面或者空中目標進行攝影，從攝影方式和像片傾斜角度分為垂直攝影和傾斜攝影。隨著無人機的不斷發展，航空攝影也越來越成熟穩定，無人機航空攝影技術也被普及于各個行業的各種業務中。當前，無人機航空攝影技術以全數字航空攝影理論為基礎，搭載數字攝影測量系統完成。無人機航空攝影因其低空飛行而獲取影像的精度高，反應速度快，作業成本低，特別是不懼復雜且特殊的地理環境等特點，被廣泛用于測繪，水文、礦產資源的調查和農林牧業的監測中。

2 免像控無人機在高原地區航空攝影作業的關鍵技術

2.1 高原地區對無人機飛行的影響因素

無人機飛行設計本就是屬于低空飛行設計，在海拔低的平原地區飛行是不受影響的。但是當在高原高海拔地區就要考慮以下幾個方面的問題。

1）海拔高度升高時，大氣密度將明顯降低，致使溫度下降，空氣稀薄，導致發動機輸出功率會隨著高度明顯下降。此時對于無人機來講，就要考慮旋翼總需用功率，要設計并使用面向高原槳葉，使無人機在高原地區的大氣環境下有足夠的升力[2]。

2）高原高海拔地區的氣候條件通常比較惡劣，尤其是在重疊的山脈中，往往自有“小氣候”存在，導致氣候變化差異性大。比如，突如其來的大風、雨雪和濃霧等氣象條件都會對無人機飛行造成很大的影響。在高原地區無人機飛行作業一定要事先了解氣象情況，勘察現場，飛行作業之前要預留足夠的時間觀察現場并記錄有無“小氣候”的存在，做足地面保障工作和飛行保障工作，確保無人機安全航攝作業。

3）高原地區平均氣溫通常較低，甚至常年在零度以下。從事航空攝影作業的無人機為電動無人機。電動方式穩定性高，不易抖動，飛行時飛機姿態平穩，這點對于光學相機的攝影至關重要。實驗表明，無人機的鋰電池的作業環境在氣溫低于4 ℃時，鋰電池電解液會變稠或凝結，使電池充、放電效率和電池電量降低，導致無人機的續航時間大大縮短，影響飛行作業。在高原地區進行無人機航空作業時要盡量選擇春夏兩季，且未作業時要對電池注意保溫，在作業時也應對電池先進行預熱，作業中也要時刻注意無人機電量變化，保障有足夠的電量返航，以免發生低電量無法安全返航而墜機[3]。

2.2 免像控無人機在高原數字航空攝影的技術方案

無人機航空攝影作業通常指的是免像控無人機數字航空攝影。數字航空攝影作業是結合地理信息即地面控制點完成。但是在高原地區，由于海拔高、地理環境特殊、氣候條件惡劣等因素，通常這些地區無網絡覆蓋。在無網絡覆蓋的情況下，免像控無人機就無法基于千尋位置平臺、省級CORS 和移動CORS 等高精度定位平臺獲取地面控制點和坐標信息，因而不能實現免像控數字航空攝影，此類情況下就要布設像控點。當然，在平原地區布設像控點很容易，在高原地區通常有兩大障礙。一是高原地區往往沒有就近的已知控制點，二是較遠的控制點不能直接使用，需要由遠到近不斷引點。引點不僅受制于距離和高原特殊的地理環境，如高原、濕地、雪山和冰川等，而且引點的誤差是積累誤差，這對于測繪精度的影響較大，成本也是巨大的。由于以上兩大障礙，導致常規的航空攝影技術方案在高原地區是無法實現作業任務的。

基于以上所述情況，在高原地區無人機數字航空攝影就需要新的技術方案。通過理論指導和試驗嘗試，有2 種技術方案是可行的。一是RTK 無人機與星鏈RTK 基準站結合進行厘米級別的高精度定位的航空攝影作業。二是選用PPK、RTK 及其融合作業模式的無人機和星鏈RTK 結合進行厘米級別的高精度定位的航空攝影作業。這2 種技術方案的地面站RTK 都必須選用星鏈RTK，區別與平原地區的傳統地鏈RTK。通過理論研究和實踐，在高原地區的無人機數字航空攝影更適合于第二種技術方案。其技術方案示意圖如圖1 所示[4]。

圖1 PPK／RTK 無人機與星鏈RTK 技術方案示意圖

依據這種技術方案，選用飛馬D2000S 無人機和千尋星距SR3 Pro 星鏈RTK。其優勢是充分利用了飛馬D2000S 免像控無人機所配備的高精度GNSS 板卡，D2000S 支持的PPK、RTK 及其融合作業模式與基于星鏈的千尋星距SR3 Pro RTK 厘米級別的高精度定位的結合，相較于傳統的不支持PPK 作業模式的單RTK作業模式的無人機定位精度高，工作效率高，工作半徑大，操作簡便。

2.3 免像控無人機在高原數字航空攝影的關鍵技術

2.3.1 相機校驗技術

無人機系統中載荷的航測相機是屬于非量測相機。顧名思義，非量測相機不能直接進行測量。當用于數字航空攝影的時候就要對非量測相機進行高精度校驗，也就是解決相機的畸變差問題。校驗的方法是基于空間后方交會模型的試驗場檢校法，即通過拍照的已知空間坐標點，依據單片空間后方交會解法或多片空間交會解求外方位元素以及其他影響光速形狀的要素[5]。

2.3.2 PPK 和INS 技術

PPK 技術，即動態后處理技術，是利用載波相位進行事后差分的GPS 定位技術。由于無人機體型小，在飛行過程中受到來自大氣壓和風力的因素會使飛機姿態受損，對采集的數據精度有所影響，需要做修正。而PPK 技術就是一種動態后處理技術，能夠用來自行修改相片位置、糾正數據信息，保證數據精度不會受損。而且PPK 技術還能夠克服部分氣候帶來的不利影響，其應用原理在于先借助接收機、流動站測量衛星載波機位，然后利用PPK 技術糾正、確認相關數據信息。INS 技術則是慣性導航系統，該技術不依賴于外部信息就能夠自動調整數據信息，并繪制相關圖像，是一種自主式導航系統，其應用原理在于根據慣性空間力學定律計算運動速度、旋轉角度等數據，最后進行調整和確認[6]。

3 項目實施

3.1 項目區域概況

項目研究區域隸屬于祁連山國家公園酒泉片區，具體為鹽池灣國際重要濕地，面積約為200 km2。其位于青藏高原北緣，祁連山西端，孕育了冰山凍土、高山寒漠、高山草甸草原、濕地和荒漠生態系統。其中冰川和濕地在祁連山疏勒河流域水源涵養、水土保持方面有著無可替代的重要作用。

3.2 項目作業流程

無人機數字航空攝影的工作應用于各類不同的項目中都有相應的作業流程，以便更好地進行作業任務，最主要的是按照流程做好流程每個環節的技術要點工作。高原濕地變化的監測流程如圖2 所示。

圖2 項目作業流程圖

3.3 項目實施中具體應用要點

3.3.1 明確作業任務需求，正確選擇攝影方式

無人機數字航空攝影技術分為垂直攝影和傾斜攝影。攝影方式的選擇是根據作業任務需求的不同而確定，一般以獲取正射影像為目的的攝影方式為垂直攝影，以實景三維建模為目的的作業攝影方式為傾斜攝影。此項目研究的是高原濕地的變化，是需要高精度的正射影像，采用垂直攝影方式進行作業。

前文提到過，D2000S 無人機是一款有多模塊化載荷的四旋翼無人機系統平臺，外部可以搭載不同的載荷設備實現不同的任務作業。此項目作業選擇搭載的載荷模板是航測模板（D-CAM3000），即垂直攝影相機模塊進行作業，其主要性能指標見表2。

表2 航測模塊（D-CAM3000）

3.3.2 優化航線設計，獲取精準數據

數字航空攝影的目的就是獲取精準的數據。在實際的航空攝影作業中，通過設計優化航線，包括無人機的飛行高度、旁向重疊度和航向重疊度等相關參數，以此達到獲取精準數據的目標[7]。

研究高原濕地的變化，對正射影像精度要求是優于0.2 m 即可。采用航測模板（D-CAM3000）對項目研究區域航攝獲取正射影像數據，飛行高度638 m，地面分辨率10 cm，航向重疊80%，旁向重疊60%，測區內布控3 個檢查點。采用PPK/RTK 融合差分作業模式進行1∶1 000 免像控地形圖精度的航空攝影規劃航線。

3.3.3 航攝實時監控，動態掌握氣象情況，密切關注電量情況

在高原濕地進行航空攝影作業，因其可能有“小氣候”的存在，特別要注意的是攝區的天氣情況。同時因為高原地區氣溫低對鋰電池的影響較大，飛行作業時也要密切關注返航距離與無人機電池電量情況，確保無人機能有足夠的電量安全返航。

3.4 數據處理及生產的要點

3.4.1 GPS 解算

通過飛馬無人機管家進行千尋虛擬基站數據的下載。飛馬D2000S 無人機自帶PPK/RTK 融合差分模式，經PPK/RTK 融合差分解算，以及GPS 解算將大幅度提高POS 數據精度，優質的POS 數據有助于提高空三加密的精度。

3.4.2 空三加密

飛馬無人機管家專業版支持“高精度GPS 免像控模式、PPK+控制點、僅控制點”3 種空三模式，可滿足各種數據的處理需求。這里采用“PPK+控制點”的空三處理模式。即導入測區控制點文件，完成刺點工作后，將所有控制點設置成檢查點，使用“PPK+控制點”的空三算法重新進行定向計算，并得到精度報告。

3.5 甘肅鹽池灣國際重要濕地高精度影像獲取的目的

高原濕地在水源涵養、氣候調節、碳固定和生物多樣性保育等方面發揮著重要的作用，對高原濕地的研究和監測至關重要。早在20 世紀90 年代，科研人員就開始將遙感技術應用到高原濕地的研究監測中，當然這得益于衛星遙感的快速發展[8]。但是衛星遙感屬于高空攝影，在具體的研究中通常因為影像精度不高而阻礙研究，而更高精度的影像獲取是需要無人機低空數字航空攝影來完成。

2014 年國家林業局印發《國際重要濕地生態特征變化預警方案（試行）》（以下簡稱《方案》），對國際重要濕地生態特征變化實行由低到高的黃色、橙色和紅色三級預警。《方案》規定，預警級別將依據評估結果中監測指標的變化情況確定。當監測數據精度更高時，得到的監測指標就更為準確。對于濕地生態特征變化的監測就需要更高精度的正射影像。因此對祁連山國家公園酒泉片區鹽池灣國際重要濕地進行優于0.2 m 的無人機航空攝影，以便得到更高精度的監測數據，監測和分析鹽池灣國際重要濕地的生態特征變化。

在國家大地坐標系CGCS2000，1∶100 000 比例尺的影像圖為祁連山國家公園酒泉片區甘肅鹽池灣國際重要濕地衛星與無人機影像融合圖，圖例中紅色為鹽池灣國際重要濕地航測范圍。從衛星和無人機的融合圖中可以明顯看出衛星影像和無人機影像的幾何特征與物理特征都有明顯的差距，無人機航攝影像的分辨率即精度遠高于衛星遙感影像。

在國家大地坐標系CGCS2000，1∶2 000 比例尺的無人機影像圖（局部）中，其地面分辨率是15～20 cm，在這個影像精度下，對于濕地生態特征變化的是非常明顯直觀的，因而解譯得到的監測數據更為準確。這為祁連山國家公園酒泉片區鹽池灣國際重要濕地的生態特征變化監測提供了更高精度的基礎影像數據。

4 結束語

本文通過試驗驗證了免像控無人機在無網絡RTK覆蓋的高原濕地進行數字航空攝影獲取高精度影像的作業模式的可行性，并結合實際項目對該作業模式獲取高精度影像的效率及精度進行了分析，該作業模式大幅度提高無人機在無網絡RTK 覆蓋的高原濕地等地區的數字攝影測量的精度和效率。