無(wú)人飛行器低空遙感系統(tǒng)機(jī)載傳感器搭配方案研究

陳云波，劉義志，蔣小蕾，翁鵬飛

(1.昆明市測(cè)繪研究院，云南昆明650051;2.杭州快鳥(niǎo)遙感科技有限公司，浙江杭州310000;3.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州310000)

無(wú)人飛行器低空遙感系統(tǒng)機(jī)載傳感器搭配方案研究

陳云波1，劉義志2，蔣小蕾2，翁鵬飛3

(1.昆明市測(cè)繪研究院，云南昆明650051;2.杭州快鳥(niǎo)遙感科技有限公司，浙江杭州310000;3.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州310000)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)比較幾種常用無(wú)人飛行器低空航測(cè)系統(tǒng)影像傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出提高無(wú)人機(jī)測(cè)量精度、多源傳感器集成和跨行業(yè)應(yīng)用的一些實(shí)用解決方案。

無(wú)人機(jī);傳感器集成;5D Mark II;P65+;H4D-60

無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)以其快速、低成本、全天候等特點(diǎn)，在近年內(nèi)得到了迅速推廣，為地理信息產(chǎn)業(yè)增添了不少亮點(diǎn)和活力。但是其缺點(diǎn)和局限性也在生產(chǎn)中不斷顯露。筆者根據(jù)大量的無(wú)人機(jī)低空遙感項(xiàng)目實(shí)踐，圍繞如何突破無(wú)人機(jī)在精確測(cè)量方面的瓶頸，如何提高作業(yè)效率，如何拓展行業(yè)應(yīng)用等問(wèn)題，對(duì)傳感器與飛行平臺(tái)的搭配、影像傳感器改進(jìn)、多源傳感器集成方面進(jìn)行探討，以期能為同行應(yīng)用提供一些參考。

一、無(wú)人飛行器平臺(tái)及其特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)的無(wú)人飛行器平臺(tái)主要包括固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)(無(wú)人直升機(jī))、無(wú)人飛艇3類(lèi)。

(1)固定翼無(wú)人機(jī)

固定翼型無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力強(qiáng)，抗風(fēng)能力強(qiáng)，飛行可控性更高，并且航時(shí)長(zhǎng)，起飛方式有滑跑、彈射、火箭助推等，適用于大面積航攝，是目前低空遙感領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的無(wú)人飛行平臺(tái)。

(2)無(wú)人直升機(jī)

無(wú)人直升機(jī)能夠定點(diǎn)起飛、降落，對(duì)起降場(chǎng)地的條件要求也不高，其飛行可以人工操作，也可自駕飛行，起降靈活。但無(wú)人駕駛直升機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，抗風(fēng)能力弱，穩(wěn)定性差，姿態(tài)控制較難。目前主要應(yīng)用于300 m以下、小面積的超低空飛行。

(3)無(wú)人飛艇

小型無(wú)人飛艇可以實(shí)現(xiàn)低空、低速飛行，作為一種獨(dú)特的飛行平臺(tái)其能夠獲取高分辨率的遙感影像，且操控比較容易，安全性好，可以使用運(yùn)動(dòng)場(chǎng)或城市廣場(chǎng)等作為起降場(chǎng)地，特別適合在建筑物密集的城市地區(qū)和地形復(fù)雜地區(qū)應(yīng)用，如城市地形圖的修測(cè)、補(bǔ)測(cè)，建筑物精細(xì)紋理的采集、城市交通監(jiān)測(cè)、通信中繼等。

二、應(yīng)用現(xiàn)狀:常用影像傳感器搭載方案及其特點(diǎn)

(1)Canon 5D Mark II

Canon 5D Mark II是目前無(wú)人機(jī)平臺(tái)上搭載應(yīng)用最普及的影像傳感器，其最大像素為2100萬(wàn)，傳感器為36 mm×24 mm的 CMOS，采用了全新的DIGIC 4影像處理器，較好地提高了產(chǎn)品拍攝的速度與畫(huà)質(zhì)，最高連拍速度能達(dá)到3.9張/s。它支持全高清視頻短片拍攝功能，配合高速CF卡，在拍攝1080 dpi高清影片的時(shí)候按下快門(mén)還能記錄靜態(tài)照片?；谶@些特點(diǎn)，其特別適合于各種監(jiān)測(cè)，并能與其他非測(cè)量用途的傳感器進(jìn)行集成應(yīng)用，但是其支持的鏡頭沒(méi)有后兩款豐富。

(2)Phase One P40+、P65+

Phase One P40+和P65+的傳感器都為645中畫(huà)幅全幅面陣CCD，像元為6 μm×6 μm。P40+最大像素為4000萬(wàn)，連拍速度為60張/min;P65+最大像素為6048萬(wàn)，連拍速度為60張/min。它們都不具備視頻拍攝功能，但是能搭配數(shù)碼后背，解像能力稱(chēng)得上完美，像點(diǎn)量測(cè)精度大大提高。因此，它適合測(cè)量精度高、外業(yè)控制布設(shè)稀少的項(xiàng)目。但經(jīng)過(guò)大量的飛行檢校證明，這兩款像機(jī)的內(nèi)方位元素不穩(wěn)定，飛行條件、飛行起落架次都會(huì)對(duì)其有很大影響，需要經(jīng)常檢校相機(jī)參數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)改正畸變差。

(3)哈蘇H4D-60

哈蘇H4D-60是目前最先進(jìn)的中畫(huà)幅數(shù)碼單反，最大有效像素為6000萬(wàn)，連拍速度為33張/ min。哈蘇自然色彩解決方案(HNCS)使用單一的色彩描述文件便能夠準(zhǔn)確地重現(xiàn)色彩，而其數(shù)碼鏡頭校正技術(shù)(DAC)，則使得每只HC/HCD鏡頭所拍攝的圖像更為完美，并能將圖像中輕微的桶形畸變、四角暗角或色散現(xiàn)象消除。但是H4D-60改裝電子快門(mén)的難度較大。

(4)生產(chǎn)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

根據(jù)筆者多年的生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如表1、表2所示。

表1 幾種常用相機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用總結(jié)

表2 不同相機(jī)像幅與外業(yè)像控、量測(cè)精度分析

由表1可以看出，對(duì)于一般精度要求的應(yīng)用，5D Mark II具有較高的性?xún)r(jià)比，但在高精度方面，顯然是力不從心的。結(jié)合表2所總結(jié)的外業(yè)工作量與采用相機(jī)相幅的關(guān)系，可以得出:在控制飛行風(fēng)險(xiǎn)的前提下，采用大相幅像機(jī)，能夠減少外業(yè)布測(cè)像控點(diǎn)的工作量，提高工作效能與測(cè)量精度。

三、改進(jìn)與拓展思路:多源傳感器集成及量測(cè)相機(jī)輕型化

盡管前文所述的大畫(huà)幅相機(jī)的應(yīng)用在改進(jìn)無(wú)人機(jī)低空航測(cè)成果精度和作業(yè)效率方面起到了不小的成效，擴(kuò)大了無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，但是與量測(cè)相機(jī)相比，高程精度還有待提高。另外，目前無(wú)人機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用也比較單一，沒(méi)有較好地把影像獲取與其他應(yīng)用結(jié)合。筆者所在的團(tuán)隊(duì)，正在進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究和實(shí)踐。

1.多相機(jī)集成

(1)5D Mark II側(cè)視組合+無(wú)人直升機(jī)(無(wú)人飛艇)——城市精細(xì)三維建模解決方案

由于5D Mark II機(jī)身輕巧，性?xún)r(jià)比高，且具有攝影與視頻同步的功能，因此用三相機(jī)按“左中右”組成“側(cè)正側(cè)”布局，或用五相機(jī)按“前后左右中”組成“側(cè)側(cè)側(cè)側(cè)正”布局，由電子快門(mén)控制同步曝光，搭配在無(wú)人直升機(jī)或無(wú)人飛艇上超低空自駕飛行，可以同步獲得城市表面的精細(xì)三維模型，是城市精細(xì)建模最好的數(shù)據(jù)源。目前，這種方案在沿海個(gè)別城市已開(kāi)展應(yīng)用。

(2)多拼相機(jī)+無(wú)人機(jī)——無(wú)人機(jī)多拼組合航測(cè)系統(tǒng)

林宗堅(jiān)教授已將雙拼組合觀測(cè)系統(tǒng)成熟地運(yùn)用到了無(wú)人機(jī)上，有效地提高了基高比，進(jìn)而提高了無(wú)人機(jī)航測(cè)的高程精度。在足夠荷載的動(dòng)力和空間支持下，在“雙拼組合”理論的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展多拼相機(jī)組合，能夠更加優(yōu)化無(wú)人機(jī)的作業(yè)效率和精度。這種方案，首先要對(duì)無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)布局和機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，并且系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性也較難控制。

2.多源傳感器集成

總體思路是將相機(jī)獲取的影像與其他傳感器獲取的其他類(lèi)型結(jié)合，即將影像紋理與其他專(zhuān)題特征進(jìn)行空間和時(shí)間上的融合，拓展其服務(wù)領(lǐng)域。

(1)三維激光掃描儀(探地雷達(dá))+5D Mark II +無(wú)人機(jī)——三維激光掃描測(cè)量方案

小型航掃設(shè)備的問(wèn)世，為基于無(wú)人機(jī)的三維激光掃描提供了應(yīng)用條件。如必威易的BL50輕質(zhì)小型化的激光雷達(dá)系統(tǒng)，重量10 kg，可搭載在無(wú)人機(jī)上，結(jié)合5D MarkII的高清影像，通過(guò)匹配，可快速形成掃描區(qū)域內(nèi)的DSM、DTM、DEM、DOM、DLG。在地質(zhì)災(zāi)害定量監(jiān)測(cè)、橋梁、大壩精確測(cè)量和建模方面有著廣泛的前景。

(2)氣體探測(cè)儀+紅外相機(jī)+電動(dòng)無(wú)人直升機(jī)——?dú)怏w泄漏應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

有毒有害等危險(xiǎn)氣體的泄漏處置，人員接近有很大危險(xiǎn)，采用氣體探測(cè)儀+紅外相機(jī)，采用電動(dòng)(防爆防燃)無(wú)人直升機(jī)作為飛行平臺(tái)，能及時(shí)為事故處置決策提供綜合的信息作為參考。

(3)數(shù)字化能譜儀+5D Mark II+無(wú)人機(jī)——超低空放射測(cè)量系統(tǒng)

在遙感中，航空放射性測(cè)量是一種有效的手段，對(duì)鈾等礦藏有較高的發(fā)現(xiàn)能力。與傳統(tǒng)的大飛機(jī)航攝相比，無(wú)人機(jī)可以作超低空飛行，結(jié)合輕型的數(shù)字化能譜儀，與航攝影像做空間匹配后，能夠探測(cè)獲取更高精度、更直觀的放射性能譜異常。相同的工作原理，該集成系統(tǒng)還能夠用于核電站應(yīng)急監(jiān)測(cè)，放射污染探測(cè)。

(4)大氣采樣儀+多光譜相機(jī)+無(wú)人機(jī)——污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

空氣污染的監(jiān)測(cè)、地面污染、水體污染的綜合監(jiān)測(cè)，需要一個(gè)綜合的探測(cè)系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)集宏觀性、靈活性和及時(shí)性為一體，配合大氣采樣儀、多光譜相機(jī)，可以將多光譜影像進(jìn)行反演，提取出諸如藍(lán)藻、固體垃圾、油污等的范圍，并與大氣采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，綜合分析污染的原因和程度，為城市規(guī)劃和城市管理提供科學(xué)參考。

3.無(wú)人機(jī)搭載相機(jī)的改進(jìn)

(1)大像幅低畸變專(zhuān)用相機(jī)研制

由于現(xiàn)在無(wú)人機(jī)上使用的相機(jī)基本上是民用高端相機(jī)，并非專(zhuān)為無(wú)人機(jī)遙感而設(shè)計(jì)生產(chǎn)，因此存在諸如像幅小、畸變大、內(nèi)方位元素不穩(wěn)定、改裝難度大等不足。而光電技術(shù)的飛速發(fā)展，為無(wú)人機(jī)航攝專(zhuān)用相機(jī)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，大像幅、低畸變的無(wú)人機(jī)專(zhuān)用相機(jī)研制已取得突破，且已有少量產(chǎn)品問(wèn)世。

(2)超輕型量測(cè)相機(jī)研制

由于鏡頭內(nèi)方位元素檢校的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，目前非量測(cè)相機(jī)的畸變差改正方法只是一種理論上的改正，檢定的頻率完全達(dá)不到參數(shù)變化的速度，所能得到的數(shù)學(xué)精度相對(duì)量測(cè)相機(jī)差距較大，制約了無(wú)人機(jī)在1∶500、1∶1000比例尺測(cè)繪方面的應(yīng)用。因此，將量測(cè)相機(jī)輕型化，使其能夠搭載在飛行姿態(tài)穩(wěn)定、荷載能力大的固定翼無(wú)人機(jī)或飛艇上，是解決無(wú)人機(jī)低空航測(cè)精度的根本途徑。國(guó)內(nèi)的航攝儀如SWDC已打破了多年被國(guó)外壟斷的局面，且國(guó)內(nèi)已有研究機(jī)構(gòu)致力于超輕型量測(cè)相機(jī)的研制中，相信性能簡(jiǎn)單、重量輕、體積小的國(guó)產(chǎn)超輕型數(shù)字量測(cè)相機(jī)不久將問(wèn)世，將會(huì)大大提高無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

四、結(jié)束語(yǔ)

盡管無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)在推廣使用過(guò)程中遇到了各種各樣的難題，但是其靈活性、時(shí)效性、低成本、超低空優(yōu)勢(shì)是無(wú)可替代的。因此，對(duì)傳感器搭配方案的研究，對(duì)無(wú)人機(jī)遙感產(chǎn)業(yè)具有重大意義。

［1］ 張強(qiáng).低空無(wú)人直升機(jī)航空攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［D］.鄭州:信息工程大學(xué)，2007.

［2］ 林宗堅(jiān)，蘇國(guó)中，支曉棟.無(wú)人機(jī)雙拼相機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)［J］.地理信息空間，2010(4):1-3，24.

［3］ 張力.航空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量傳感器系統(tǒng)新進(jìn)展［J］.地理信息世界，2009，7(3):37-49.

［4］ 國(guó)家測(cè)繪局.CH/Z3005—2010低空數(shù)字航空攝影規(guī)范［S］.北京:測(cè)繪出版社，2010.

Discussion of Unmanned Aerial Vehicle Low Altitude Remote Sensing System of Airborne Sensor Matching Scheme

CHEN Yunbo，LIU Yizhi，JIANG Xiaolei，WENG Pengfei

0494-0911(2012)08-0033-03

P246

B

2012-02-21

陳云波(1971—)，男，云南昆明人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)及3S技術(shù)的研究應(yīng)用工作。