洞庭湖區(qū)重要一般垸治理工程中的無人機航線設計

劉業(yè)林　易南洲

（湖南省水利水電勘測設計研究總院　　長沙市　410007）

洞庭湖區(qū)重要一般垸治理工程中的無人機航線設計

劉業(yè)林易南洲

（湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市410007）

文章通過洞庭湖區(qū)水利工程實踐，討論了無人機航攝參數(shù)計算、航線設計的一些關(guān)鍵問題，總結(jié)了無人機在水利工程應用中航空攝影的一般方法。

無人機航線設計航攝參數(shù)計算

1 無人機航攝系統(tǒng)簡介

無人駕駛飛行器（UnmannedAerialVehicle）簡稱為無人機（UAV），是一種由動力驅(qū)動、機上無人駕駛、可重復使用的航空器，具有無線電遙控或半自主、自主三種飛行控制方式［1］。無人機航攝系統(tǒng)是以無人機為平臺，搭載影像傳感器為任務設備，進行航空攝影作業(yè)的無人機系統(tǒng)。其系統(tǒng)基本構(gòu)成：飛行平臺、飛行控制與導航系統(tǒng)（飛控系統(tǒng)）、地面監(jiān)控系統(tǒng)、任務設備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、地面保障設備、傳感器?，F(xiàn)階段無人機航攝系統(tǒng)影像傳感器，主要是數(shù)碼相機、多拼CCD相機，少數(shù)為多波段傳感器。

無人機具有體積小、重量輕、成本低、機動性好、飛行時間長等優(yōu)點，空中飛行操作全過程在電子設備自動控制下進行，如今無人機航攝系統(tǒng)已經(jīng)成為傳統(tǒng)航空攝影測量手段的有力補充，其獲得高分辨率影像數(shù)據(jù)可應用于多種領域，在小范圍和飛行困難地區(qū)（傳統(tǒng)航攝平臺）高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優(yōu)勢［2］。

2 無人機航攝系統(tǒng)的應用

2015年湖南省水利水電勘測設計研究總院引進某公司DM150型測繪無人機，成功地應用于洞庭湖區(qū)重要一般垸整治工程中，快速獲取了洞庭湖區(qū)相應工程堤垸的高分辨率影像，并以此完成像控測量后用于數(shù)字線畫圖（DLG）生產(chǎn)，縮短了測繪產(chǎn)品生產(chǎn)時間，節(jié)省了測繪工期，產(chǎn)品質(zhì)量滿足設計需求。

（1）DM150型無人機主要技術(shù)參數(shù)（附表）。

附表　DM150型無人機主要技術(shù)參數(shù)

（2）DM150型無人機采用普洛特UP30型通用無人機自駕儀進行飛行控制，其主要參數(shù)：

集成3軸MEMS加速度計、速率陀螺、高靈敏度GPS，數(shù)字氣壓高度計，空速傳感器；具有5種飛行模式：RC、RPV、UAV、CPV、CRPV；

100個飛行航路點，7種飛行制式，制式時間可設定；照片POS容量：2978。

（3）無人機的機體坐標系［3］（圖1）：

圖1　機體坐標系

飛機繞機體縱軸、機體立軸和機體橫軸的轉(zhuǎn)動，分別稱為滾轉(zhuǎn)（roll）、偏轉(zhuǎn)（yaw）、俯仰轉(zhuǎn)動（pitch）。飛行控制系統(tǒng)對飛機姿態(tài)控制，飛行質(zhì)量評價，飛機POS數(shù)據(jù)等都要以飛機軸向為準，所以有必要明確飛機的坐標軸定義。

3 航攝參數(shù)的確定

（1）航攝相機SONYA7R像元大小的計算。

W、H是相機CMOS（或CCD）的寬度和高度，NW、NH為對應方向像元個數(shù)。

（2）相對航高H。與傳統(tǒng)航攝作業(yè)參照攝影比例尺制定飛行航高略有區(qū)別，無人機低空航攝一般選用地面分辨率設計飛行航高，可參考規(guī)范5.2.1地面分辨率章節(jié)進行選擇。

式中H——攝影航高（m）；

f——鏡頭焦距（mm）；

a——像元尺寸（mm）；

GSD——地面分辨率（m）。

SONYA7R原裝鏡頭是帶OIS光學防抖功能鏡頭，無法精確定焦，故采用經(jīng)專業(yè)公司定制改裝的35mm定焦鏡頭，檢定合格提交檢定證書后投入使用。

洞庭湖區(qū)重要一般垸治理工程在可研階段需要1∶2000比例尺帶狀地形圖，航飛限制條件又和天氣情況密切相關(guān)，而湖南本地區(qū)冬春季雨期長、下雨天氣多、霧霾重，有風天氣多、云層高度低，實際可實施航飛時間更少，在選擇低分辨率GSD（15cm～20cm）多次航飛時無人機都進入云層，嚴重阻礙了航攝工作，所以綜合考慮確保成圖精度、縮短成圖周期、降低成本和飛行氣象條件后，一般GSD選用（10～12）cm，個別堤垸選用15cm。計算結(jié)果如下：

GSD=10cm時，H=717.2m；GSD=12cm時，H= 860.6cm；GSD=15cm時，H=1075.8m。

（3）航攝分區(qū)和航攝基準面選擇。參考文獻［5］航攝分區(qū)劃分，合理的進行航攝分區(qū)。湖南洞庭湖區(qū)海拔低，地勢平坦，工程可研各堤垸堤身內(nèi)外相對高差小，一般（30～50）m即為較大高差，遠小于規(guī)范［4］1/6相對航高的高差要求。在充分考慮實際堤垸堤線長度、無人機的航程、鄰近區(qū)域氣象因素等，通常將一個縣、區(qū)劃分為一個航攝分區(qū)，一般的設計一個飛行架次。

航攝分區(qū)基準面高程的計算：

式中h最高、h最低——分區(qū)內(nèi)最高、最低高程。

（4）根據(jù)規(guī)范［4］7.1飛行質(zhì)量要求和數(shù)據(jù)后期處理要求，合理的選定相片重疊度。無人機一般搭載的影像傳感器是非量測型相機，其相片相幅小、云臺相對簡單，空中飛行姿態(tài)穩(wěn)定性較大飛機差，飛行易受氣流影響而航線偏轉(zhuǎn)、俯仰、滾轉(zhuǎn)，為保證航攝數(shù)據(jù)可用性，經(jīng)洞庭湖工程航攝實踐，航向重疊度P×一般選70%～80%，旁向重疊度qY一般選40%～50%。

4 攝影基線與航線間隔

式中LX、LY——相幅長度和寬度（mm）；

bX——相片上攝影基線長度（mm）；

dY——相片上航線間隔寬度（mm）；

BX——實地上攝影基線長度（m）；

DY——實地上航線間隔寬度（m）。

無人機航攝時照片拍照方式一般有三種：等時拍照、等距拍照、定點拍照。航飛時無人機空速因氣流、氣壓、發(fā)動機等原因會發(fā)生變化，又空氣氣流運動復雜性，無人機地速是時刻變化的，所以一般不選擇等時拍照，而是選擇等距拍照。根據(jù)上式計算出BX、DY，繪制航線時輸入以上參數(shù)。當采用DEM進行設計時，可采用定點拍照方式，減小相片冗余。

5 航線設計過程

（1）航線繪制采用“UP30系列無人機飛控系統(tǒng)地面站軟件”進行，該軟件基于Mapinfo公司MapX二次開發(fā)，功能強大，適合無人機監(jiān)控及航線規(guī)劃。根據(jù)重要一般垸的堤垸堤線成圖范圍，首先在GoogleEarth上用“路徑”或“多邊形”工具，將實際堤線或范圍描繪出來。

（2）使用globalmapper軟件導入堤線或工程范圍，可根據(jù)需要進行緩沖分析、疊加分析等，并根據(jù)航攝需要添加一些輔助線輔助航線設計，數(shù)據(jù)處理后輸出mapinfo格式（.TAB、.DAT、.MAP、.ID、.IND）文件，作為標志層電子底圖在UP30地面站軟件中使用。

（3）在UP30軟件中導入標志層數(shù)據(jù)，新建航線層，確定起飛場地1點。在起飛場地尚未確定時或多個場地備選時，1點之后可根據(jù)實際情況修改。輸入航線絕對航高（當海拔高度＜3km時，氣壓高度使用地面絕對高度標定時）和航線間隔，使用航線設計工具繪制航線。

航線繪制一定要考慮相幅的覆蓋度，在不利條件下，如無人機在風力影響下航偏、滾轉(zhuǎn)，要保證滿足規(guī)范的重疊度。洞庭湖區(qū)堤垸多為線狀區(qū)域，無人機飛行時無可避免的要根據(jù)堤線走向轉(zhuǎn)彎，航線繪制時要合理設計轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)出航線和轉(zhuǎn)入航線，在保證無人機轉(zhuǎn)彎半徑的條件下進行航線連接，不出現(xiàn)航攝漏洞。航攝相幅X約（700～800）m（GSD=10cm時）以上，而實際成圖需要為堤線兩側(cè)200m左右范圍，所以一般將航線設計在堤線正上方，保證了傳感器鏡頭正下方的影像變形最小。圖2為某幾個堤垸實際航線和航攝照片曝光POS點位圖。

圖2　某堤垸的實際航線及對應POS點位圖（局部）

6 總　結(jié)

本文論述了無人機（固定翼）用于洞庭湖區(qū)水利工程航線設計的一般方法，通過實踐證明了無人機航攝可以應用于水利工程可研等階段，可縮短工期，降低生產(chǎn)成本，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率。但無人機航攝仍屬于新興技術(shù)，實用時以下多個方面需要注意：

（1）航線設計時必須充分研究相關(guān)規(guī)范，及相應工程的項目設計書、專業(yè)技術(shù)設計書，進行精度估算，以必要的精度進行。

（2）航線設計必須進行多人次獨立檢查，包括航攝參數(shù)計算、航線繪制等等，形成相應的檢查、修改記錄。航線繪制時應注意整個航線應閉合，航攝分區(qū)時應進行高程分析，保證無人機航線在最高點安全高度之上?？紤]到可能出現(xiàn)的意外情況，航區(qū)毗連區(qū)域至起降場地也應進行高程分析，保證無人機能在緊急情況下安全召回。航攝時攝區(qū)邊界應保證3條以上基線覆蓋，避免邊界區(qū)域無法形成立體像對。

（3）無人機航攝系統(tǒng)搭載傳感器多為非量測相機，由于相機成本、機體結(jié)構(gòu)、機身材料原因，相機穩(wěn)定性較差，相機參數(shù)可能會隨溫度、濕度、氣壓等發(fā)生變化，所以有必要采取措施保護好相機，使其工作在理想環(huán)境下。水利工程的特殊性對高程精度要求較高，而航攝平面精度相對容易達到，故在像控點的布設時應當考慮到此情況，另可適當?shù)囊氩糠滞鈽I(yè)實測高程點參與后期DLG成圖。

（4）無人機飛行時通過氣壓高度計控制飛行高度，而航拍時又通過機載導航GPS控制拍照，雖然在起降場地通過GPS標定了氣壓高度，但航線高度可能與設計航高不一致，根據(jù)規(guī)范7.1.5航高保持，當差值超過規(guī)范要求時，需要對航高進行調(diào)整，此項一般在進入巡航拍攝前進行。

（5）無人機航攝作為一種航攝新技術(shù)，應積極發(fā)揮其優(yōu)勢，但用于航攝時一定要保證安全。航飛作業(yè)必須遵守《中華人民共和國飛行基本規(guī)定》及相關(guān)法律法規(guī)，按手續(xù)向軍區(qū)司令部、當?shù)夭筷?、空管部門申請空域，獲得批準后再實施航飛。航線設計應避免軍事基地、民航機場等禁飛區(qū)和飛行管制區(qū)、管制分區(qū)，還應當避開民航飛機的降落盤旋航線空域。具體實施航飛前，還應當做好實地調(diào)查，

避免航飛時的無線電、磁干擾，盡量將潛在的危險因素降到最低。

［1］CH/Z3002-2010.無人機航攝系統(tǒng)技術(shù)要求［S］.

［2］楊愛玲，孫汝岳，徐開明.基于固定翼無人機航攝影像獲取及應用探討［J］.測繪與空間地理信息，2010，33（5）：160-162.

［3］劉星，司海青，蔡中長.飛行原理［M］.北京：科學出版社，2011.

［4］CH/Z3005-2010.低空數(shù)字航空攝影規(guī)范［S］.

［5］朱肇光，孫護，崔炳光.攝影測量學［M］.北京：測繪出版社，1995.

［6］SL197-2013.水利水電工程測量規(guī)范［S］.

劉業(yè)林（1981-），男，寧夏石嘴山人，大學本科，測繪工程師，主要從事工程測量、航空攝影測量工作。

（2016-07-11）