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小型无人机遥感平台在摄影测量中的应用研究

发表时间：2020/10/12 来源：《基层建设》2020年第19期作者：张玉红

[导读] 摘要：小型无人机遥感平台已经出现在摄影测量应用领域中，但与其相关的研究却并不多见。

        河北翔通信息技术有限公司
        摘要：小型无人机遥感平台已经出现在摄影测量应用领域中，但与其相关的研究却并不多见。本文分析了小型无人机遥感平台在摄影测量应用中的诸多优势，并对其系统构成做了介绍。在还没有相关作业规范的条件下，文章从现有技术水平出发详细分析了摄影测量作业中主要技术指标对小型无人机遥感平台的要求，通过和成熟摄影测量平台比较，得出了相关结论。
        关键词：小型无人机；摄影测量；遥感平台
        1引言
        卫星遥感平台受轨道的限制，每天过顶的时间固定，无法实现应急观测；航空遥感在恶劣的天气条件下，出于安全考虑，载人飞机往往无法升空作业，微波遥感等手段虽然不受云和天气的影响，但由于探测原理的差异，并不能替代可见光和红外遥感在实际应用中的地位。此外，传统航空航天遥感获取影像资料的成本也较高，不利于遥感在各应用领域更广泛的发展。
        与前述两类遥感平台比较，低空遥感平台具有以下几个独特的优势，第一，受天气的影响较小，作业方式灵活快捷；第二，平台构建、维护以及作业的成本极低，与前两种遥感平台相比几可不计；第三，因其飞行高度低，能够获取大比例尺高精度影像，在局部信息获取方面有着巨大的优势；第四，不必申请空域，国家对千米以下的空域不实行管制。第五，能够获取高重叠度的影像，增强了后续处理的可靠性。小型无人机遥感平台除具备以上所有优点外，还具有便于携带，转移方便等优点。由于上述的诸多优势，基于小型无人机平台搭建的对地观测系统已经成为世界各国争相研究的热点课题，现已逐步从研究开发阶段发展到实际应用阶段。
        2小型无人机平台摄影测量系统构成
        基于小型无人机遥感平台构建的摄影测量系统主要由以下几部分组成：小型无人机飞行平台、飞行控制系统、影像获取设备、通信设备、遥控设备、地面信息接收与处理设备。
        其飞行控制系统主要包括：稳定飞行姿态的垂直陀螺，获取飞行平台位置信息的GPS接收天线，以及控制飞机自主飞行的微处理器。地面配套设备主要包括：实时影像的接收与显示的数据接收终端，数码相机获取的地面高清影像的数据处理终端，以及控制飞机起降、飞行和拍摄的遥控设备。
        作业过程中，垂直陀螺能测量飞机的俯仰/翻滚姿态角，同时垂直陀螺与微处理技术的结合，使飞机可以在在自主飞行时保持在近似“水平”状态。机载通信设备将摄像头获取的实时影像、GPS位置数据等传回地面数据接收终端，以使地面控制中心对飞机的飞行和拍摄情况进行监控，及时修正航向、飞行姿态等。最终获取的高清影像通过地面相配套的数字摄影测量工作站进行处理，由于这些影像重叠度较大（可达到90%）、倾斜角与传统摄影测量相比较大等特点，其具体处理方法与传统的方法有一定的区别。
        3系统主要技术指标
        3.1飞行平台的技术指标
        基于小型无人机的摄影测量遥感平台还处于起步阶段，还没有一套完整的作业规范。现行的航测规范主要是参照大多数测绘单位现有的技术条件和仪器设备制定的，而小型无人机作为一种新型的低空对地观测平台，主要在1000m以下的高度进行航拍，且其采用的是高分辨率的数码相机作为成像设备，与传统的航空摄影测量有较大的不同。因此，已有的摄影测量规范在这种新型摄影平台上并不一定能适用。按照传统的航测作业准则，有以下几点参考指标：
        （1）飞行速度宜在50～100km/h之内；（2）发动机宜在飞机前进方向的后部（以避免湍流的影响）；（3）在发动机出故障时，飞机应可以安全滑翔降落；（4）相对地面的飞行高度的变化应小于5%；（5）相邻摄站飞行高度的变化应小于5%；（6）航摄平台在作业时其水平误差不得大于3°；（7）测量飞行速度的误差不大于5%；（8）偏离航线的绝对误差不得大于相片旁向覆盖域的5%；（9）因发动机引起的相机谐振，其振幅偏摆角在曝光时间内不大于8.6″。从现有的相应硬件设备来看，满足以上这些要求几乎不存在任何问题。

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        3.2数码相机（非量测相机）的性能指标
        自1991年Kodak公司推出第一款严格意义上的数码相机DCS100以来，市场上出售的数码相机层出不穷，其分辨率越来越高，重量、体积越来越小，价钱也越来越低。现在较高端的数码相机，其分辨率与传统的胶片影像相比已经相差无几。普通非量测相机用于摄影测量的前提是稳定性要好，畸变差要小。近年来，随着生产工艺的进步，普通数码相机的分辨率提高的同时，其几何性能和辐射性能也大幅攀升，其点位精度已达到次微米级，CCD芯片的不平度也达到了微米级。另外，对CCD芯片来讲，不存在“底片变形的问题”。以尼康D2H相机为例，其经严格检校的各项参数，影像的畸变以径向畸变为主，影像的角点处畸变差达到了40个像素，以其影像中间50%的有效使用面积计，其折合畸变差为0.04mm，与航测规范里规定的0.015mm还是有差距的。虽然大重叠度的数字影像以及较小的GSD能在一定程度上缓解了该畸变差，但对其进行严格的检校是必要的。
        从镜头的分解力来看，在航摄规范中规定航片有效使用面积内镜头分辨率“不少于50lP/mm”，以埃尔算子（Kell-Factor）为2.7将此50lp/mm换算，相当于每像素7.4µm，大多数的数码相机都可以满足。
        3.3平台稳定度指标
        航摄影像质量的优劣直接关系着摄影测量过程的繁简、摄影成图的工效和精度的，因此，空中摄影测量对飞行的质量的要求是比较高的。
        小型无人机平台发展到今天，其自身的稳定度有了较大的提高，有实验数据表明，在侧风小于4级的情况下，装载了飞行控制系统的小型无人机自主飞行时，其沿预定直线飞行的俯仰角和横滚角一般都在3°以内。另外，飞行平台的稳定性主要取决于传感器的自身精度。GPS卫星定位接收机的位置精度一般在+/-50英尺范围内；AP30和AP50的气压高度传感器的高度精度约为+/-10英尺；使用GPS高度时，约为+/-50英尺；空速传感器的速度精度约为显示值的10%。自主飞行的控制精度主要取决于飞机自身的性能。对于一般的飞机来说，速度保持在设定值的+/-20%、高度保持在设定值的+/-50英尺以内没有任何问题。
        3.4成图精度要求
        这里从影像地面分辨率出发，参照ADS40数字航测相机的摄影比例尺与地面分辨率的对应关系，来推求相应成图比例尺对小型摄影测量系统的要求。计算出来的摄影平台的相对飞行高度均在小型无人机摄影平台的飞行高度范围内。对于可更换镜头的相机而言，其相应的航高范围更大，可选择性更强。在基高比较小的情况下，可以通过加飞骨干网等方法，通过平差处理提高定位精度。
        4结束语
        小型无人机遥感平台在摄影测量中具有很多独特的优势，并有着广阔的发展前景。从现有硬件水平来看，小型无人机遥感平台基本上能满足摄影测量作业的指标要求，并且还有一定的发展空间。
        参考文献：
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        [2]王钰玮.遥感测绘学术论文集[M].西安：西安地图出版社，2003：237-253.
        [3]崔红霞，林宗坚，孙杰.大重叠度无人机遥感影像的三维建模方法研究.测绘科学，2005，30（2）：127-129.
        [4]崔红霞，林宗坚，孙杰.无人机遥感监测系统研究[J].测绘通报，2005（5）：11-14.
        [5]GB/T 16159—1992．1：500、1：1000、1：2000 地形图航空摄影测量外业规范[S］.北京：国家技术监督局，1992.