無人機(jī)航測(cè)在青藏高原的作業(yè)特點(diǎn)及其應(yīng)用

馬立華 熊文博 鄭永虎（青海省高原測(cè)繪地理信息新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

我國高原面積占國土面積40%，無人機(jī)在高原地區(qū)飛行，由于受環(huán)境因素的影響，無人機(jī)的飛行狀態(tài)以及機(jī)載設(shè)備的運(yùn)行與低海拔地區(qū)飛行有著明顯的區(qū)別。隨著高原地區(qū)進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)的需求日益增加，因此展開無人機(jī)在高原地區(qū)的航測(cè)應(yīng)用研究十分必要。

無人機(jī)高原航測(cè)團(tuán)隊(duì)。

隨著國家西進(jìn)戰(zhàn)略的不斷縱深推進(jìn)，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在高原地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用前景，無人機(jī)在青藏高原地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用從理論和實(shí)踐上探索了無人機(jī)高原飛行的有關(guān)問題，取得了一定的成果。在青藏高原，其平均海拔在4000m以上，高原特點(diǎn)表現(xiàn)相當(dāng)明顯；但是該地區(qū)測(cè)繪地理信息的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。因此，研究以無人機(jī)為平臺(tái)進(jìn)行高原地區(qū)的航測(cè)飛行，對(duì)提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，拓寬測(cè)繪產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，以及對(duì)該區(qū)域的測(cè)繪地理信息建設(shè)具有重要的意義。實(shí)踐證明，使用目前比較通用的常規(guī)固定翼航測(cè)無人機(jī)，在海拔4000～5000m的高原實(shí)施航測(cè)飛行，是可以做到的。

無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)也會(huì)受到高原特性的影響。

青藏高原環(huán)境對(duì)無人機(jī)飛行的影響

在海拔4000m左右，空氣密度只有海平面的60%～70%，空氣含氧量相當(dāng)于海平面的60%～65%，大氣壓只有海平面的一半。由于空氣密度小，加劇了空氣增溫和降溫的強(qiáng)度，使氣溫日變化幅度增大，因地形地貌因素影響日氣溫變化一般超過15度。另外，青藏高原許多地方一年之中大風(fēng)日超過100天，有的地區(qū)甚至超過200天；降水量每年5月至9月最多，可占全年降水量的80%～90% ，而降水的主要形式是雪和冰雹。

高原低溫缺氧對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

在高原地區(qū)，空氣密度隨海拔升高而降低，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)來說造成進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣充量也發(fā)生變化，使得進(jìn)入氣缸的燃油得不到充分燃燒，功率明顯下降。低溫也使發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油特性下降，使其在高海拔高空作業(yè)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定性明顯增加，經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，燃油調(diào)校值不穩(wěn)定，空中熄火等現(xiàn)象。

高原地區(qū)無人機(jī)航攝系統(tǒng)的組成。

高原低溫環(huán)境下對(duì)電池的影響

在高原地區(qū)所有的環(huán)境因素中，溫度對(duì)電池的充放電性能影響最大。溫度下降，電極的反應(yīng)速率也下降。假設(shè)電池電壓保持恒定，放電電流降低，電池的功率輸出也會(huì)下降。溫度也影響電解液的傳送速度，溫度上升則加快，傳送溫度下降，傳送減慢，電池充放電性能也會(huì)受到影響。

高原高山及峽谷地形對(duì)飛行的要求和影響

跑道更長：高原空氣稀薄，無人機(jī)的真空速要比平原大得多，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的推力明顯減小，使無人機(jī)起飛距離及著陸距離顯著增加。

性能要求更高：高原飛行時(shí)無人機(jī)的機(jī)動(dòng)能力降低，爬升和穩(wěn)定能力變差，無人機(jī)空中加速、減速所需距離增長，轉(zhuǎn)彎半徑增大。

易遭遇風(fēng)切變：高原峽谷海拔高，近地面空氣受陽光照射受熱不均，加之地形氣流，峽谷地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)大風(fēng)，而且風(fēng)速、風(fēng)向變化也很大，極易形成亂流、顛簸和風(fēng)切變。

實(shí)時(shí)通信鏈路易受影響：地形地貌對(duì)無人機(jī)監(jiān)控回傳信號(hào)影響十分明顯，常規(guī)范圍下的距離有著明顯的下降，某些特殊情況下基本無監(jiān)控信號(hào)。

綜上所述，青藏高原地理環(huán)境對(duì)無人機(jī)飛行和航攝質(zhì)量有著很大制約，全國測(cè)繪地理信息行業(yè)對(duì)無人機(jī)在低海拔地區(qū)的研究成果很多，而在高原地區(qū)進(jìn)行的無人機(jī)遙感航測(cè)工作還比較少。因此，加大無人機(jī)在青藏高原地區(qū)航飛及數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究，對(duì)開拓?zé)o人機(jī)在高原地區(qū)的應(yīng)用領(lǐng)域有重要的意義。

另一方面，由于青藏高原人口密度小，地物稀少，植被稀疏，地貌單一，因此在這個(gè)角度上，青藏高原相對(duì)于低海拔發(fā)達(dá)地區(qū)更適合無人機(jī)的實(shí)際飛行。

高原地區(qū)無人機(jī)系統(tǒng)的改造與選配

高原對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際影響

發(fā)動(dòng)機(jī)是無人機(jī)各部件中最重要的部件之一，對(duì)于正確了解和掌握各款發(fā)動(dòng)機(jī)在高原地區(qū)的使用特性，也就等于克服了高原無人機(jī)技術(shù)難點(diǎn)之一，為無人機(jī)的安全飛行打下良好基礎(chǔ)。

利用青海省高原測(cè)繪地理信息新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)，在高原為獲得更加實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)功效數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的拉力進(jìn)行了高海拔地面靜態(tài)測(cè)試。在發(fā)動(dòng)機(jī)出廠標(biāo)稱值最大可產(chǎn)生拉力13.76kg，無人機(jī)重量17.2kg，無人機(jī)功重比1∶0.8；海拔3950m時(shí)，測(cè)得最大拉力僅為7.6kg，無人機(jī)功重比僅為1∶0.35。有效地說明了高海拔地區(qū)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的影響。

無人機(jī)的選型

應(yīng)根據(jù)不同飛行特點(diǎn)需要來訂制適宜高原地區(qū)作業(yè)的飛行器，也可根據(jù)其飛行條件影響改進(jìn)無人機(jī)，提高技術(shù)參數(shù)，如載重、航時(shí)、翼形、升力系數(shù)、機(jī)體結(jié)構(gòu)、起落架等，來完成高原特定條件下的無人機(jī)安全飛行，取得有效數(shù)據(jù)信息。

從經(jīng)驗(yàn)得知，海平面滑跑起飛的安全離地速度應(yīng)不小于60km/h（16.6m/s），而在海拔4000m高度，無人機(jī)的安全離地速度。速度不得低于75km/h（20.8m/s）。根據(jù)任務(wù)需要無人機(jī)會(huì)有不同的搭載配置，重量也會(huì)隨之變化。通過計(jì)算，無人機(jī)的海平面標(biāo)準(zhǔn)推重比應(yīng)不低于0.8，才可以確保飛機(jī)在海拔4000m以上的高度有足夠的動(dòng)力起飛和爬升。雖然這個(gè)結(jié)論數(shù)據(jù)只是相對(duì)條件下的飛行數(shù)據(jù)，但具有相當(dāng)高的可靠性，完全可以用于指導(dǎo)飛行實(shí)踐。

飛行控制與電源管理

飛行控制主要包括飛行控制器、無線傳輸電臺(tái)、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源等。飛控系統(tǒng)主要是利用GPS導(dǎo)航定位信號(hào)，陀螺儀加速度計(jì)等硬件設(shè)備，通過算法解算控制無人機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)使其自主飛行。由于高原低溫影響電池性能，因此高原飛行應(yīng)該注意溫度變化對(duì)電源放電系數(shù)的影響，在高海拔地區(qū)應(yīng)對(duì)其進(jìn)行保溫控制。

(上) 航測(cè)航線計(jì)算。

航測(cè)作業(yè)飛行中的注意事項(xiàng)

充分利用數(shù)字地圖，根據(jù)項(xiàng)目已知資料在地圖上確定航飛區(qū)域，首先要確定已知的區(qū)域資料的坐標(biāo)系以及區(qū)域文件格式，無論任何信息都要進(jìn)行轉(zhuǎn)換或求解確定所飛行的區(qū)域。將數(shù)字地圖上顯示的目標(biāo)地域圖片保存下來，導(dǎo)入到地面監(jiān)控站地面控制軟件，目的是在地面控制軟件中能夠直觀地看到航線的布設(shè)及目標(biāo)區(qū)域的位置。

航線計(jì)算

面狀區(qū)域型的航空攝影一般以東西飛行為主，也可根據(jù)測(cè)區(qū)的范圍特點(diǎn)采用南北飛行，有時(shí)也可根據(jù)測(cè)區(qū)地形及區(qū)域的不同采用自由航線航線布設(shè)，但要保證覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)。

像片重疊度根據(jù)地面分辨率的要求，具體設(shè)計(jì)可靈活選擇，航向重疊度一般應(yīng)為60%～80%；旁向重疊度一般應(yīng)為15%～60%，根據(jù)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定為40%較為合適。

在青藏高原，攝區(qū)地形條件很難達(dá)到高差小于航高1/6的要求，所以航高理論上取測(cè)區(qū)內(nèi)相對(duì)基準(zhǔn)面進(jìn)行計(jì)算，重疊度要滿足測(cè)區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)取值來計(jì)算，逐條航線計(jì)算航線間距和曝光間隔，以滿足航向重疊和旁向重疊的要求。

地面控制

在青藏高原大部分地區(qū)山高谷深，人跡罕至，地面站接受通信信號(hào)差，加上手機(jī)通訊信號(hào)無法覆蓋，一般在平原地區(qū)飛行中使用的機(jī)載GPS定位回傳系統(tǒng)無法在手機(jī)上接收到有效坐標(biāo)信息，如果一旦發(fā)生問題人員無法及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。所以在高原地區(qū)飛行中，大多使用雙地面站接受通信信號(hào)，分布按地形變化設(shè)置，保持飛行回傳信號(hào)的通暢，使其達(dá)到多點(diǎn)接收，提高無人機(jī)在高原地區(qū)飛行的可靠性。

航前檢查

無人機(jī)的航前檢查需要檢查以下條目：

● 檢查傳感器數(shù)據(jù)以及其零位和需要清零的傳感器（空速、俯仰滾轉(zhuǎn)偏置，陀螺零位）；

● 轉(zhuǎn)動(dòng)無人機(jī)，檢查陀螺和加速度計(jì)工作方向和數(shù)據(jù)正確；

● 擋住空速管，空速是否為零，手指按住空速管加壓，檢查空速變化；

● 設(shè)置當(dāng)前地面高度，安全開傘高度，是否使能自動(dòng)應(yīng)急開傘；

● 檢查GPS，衛(wèi)星數(shù)量和PDOP；

● 檢查并記錄初始電池電壓和舵機(jī)電壓是否達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求；

● 檢查航線：覆蓋率、轉(zhuǎn)彎半徑、航高；

● 設(shè)置拍照間隔；

● 上傳航線、下載機(jī)載航線層，檢查航線上傳是否完整；

彈射起飛是較合適的高原起飛方式。

● 相機(jī)試拍；

● 發(fā)送起降點(diǎn)位置。

飛行中檢查

無人機(jī)的飛行中檢查需要檢查以下條目：

● 監(jiān)視無人機(jī)姿態(tài)、轉(zhuǎn)速、高度、空速以及空中標(biāo)平；

● 進(jìn)入U(xiǎn)AV后，繼續(xù)監(jiān)視制式航線，有異常，切回RC，無異常，待無人機(jī)飛至預(yù)定高度；

● 預(yù)判制式航線與實(shí)測(cè)點(diǎn)之間位置，選擇適當(dāng)角度發(fā)送實(shí)測(cè)點(diǎn)（避免負(fù)角度，銳角等大機(jī)動(dòng)動(dòng)作）；

● 進(jìn)入航線后，實(shí)時(shí)監(jiān)視轉(zhuǎn)速，空速，高度，偏航距；

● 完成航線返航后，進(jìn)入制式，關(guān)閉機(jī)載航線層，航線層，選擇起降點(diǎn)，編輯起降點(diǎn)航高并上傳，手動(dòng)降低航高；

● 無人機(jī)降落后，請(qǐng)勿斷開飛控電源，下載POS數(shù)據(jù)并檢查相片數(shù)量；

● 大面積航飛區(qū)域，采用雙機(jī)同時(shí)作業(yè)能有效提高航飛的作業(yè)效率；

● 像片調(diào)繪、像控測(cè)量、內(nèi)業(yè)處理的流程和其他地區(qū)沒有區(qū)別，不再一一介紹；

需要注意的是，在青藏高原地廣人稀，像片調(diào)繪和像控測(cè)量最好同時(shí)作業(yè)，并在像控作業(yè)過程中測(cè)繪足夠數(shù)量的保密檢查點(diǎn)，以提高效率，減少作業(yè)成本。

應(yīng)用領(lǐng)域及取得的成果

利用無人機(jī)航拍航測(cè)快速獲取高分辨率影像資料，進(jìn)行地圖測(cè)繪和地理信息數(shù)據(jù)的獲得，助力地質(zhì)找礦、防災(zāi)減災(zāi)、交通建設(shè)等是近幾年剛剛興起的新技術(shù)，在高海拔地區(qū)還處于試驗(yàn)階段，大量用于生產(chǎn)的不多，但也已經(jīng)取得了一些航測(cè)成果。

在“格爾木市夏日哈木鎳鈷礦勘查”項(xiàng)目中，為滿足地勘工作的需要，對(duì)礦區(qū)內(nèi)異常體范圍進(jìn)行1∶ 2000地形測(cè)量，并首次在東昆侖發(fā)現(xiàn)基性巖體有關(guān)的巖漿熔離型鎳鈷銅礦產(chǎn)。

在水利工程中，青海省蓄集峽水利樞紐工程航空攝影測(cè)量項(xiàng)目是典型應(yīng)用。該工程位于青海省德令哈市蓄集鄉(xiāng)，東西寬4km，南北長12km，測(cè)區(qū)內(nèi)山高谷深，相對(duì)高差達(dá)1000m，飛行過程中的絕對(duì)航高4600m，需要逐條計(jì)算航線間隔。因此航測(cè)采用提前布設(shè)像控點(diǎn)和測(cè)繪檢查點(diǎn)的方法以減小工作量，在航攝時(shí)采用雙地面站監(jiān)控防止無人機(jī)丟失信號(hào)盲飛情況的發(fā)生。

青海?。☉?yīng)用）基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“無人機(jī)航攝系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急、監(jiān)測(cè)與治理中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究”中，無人機(jī)完成研究區(qū)16km2的DOM、DEM、DLG的制作，在DOM的基礎(chǔ)上調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害的種類、分布、大小等，成果水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

在土地確權(quán)應(yīng)用中，無人機(jī)可獲取地形圖，為土地確權(quán)工作提供所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，高原地區(qū)在人煙稀少地區(qū)進(jìn)行無人機(jī)航測(cè)，提高了土地權(quán)確權(quán)登記效率，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。從2014年起，無人機(jī)航測(cè)為青海省互助縣、民和縣、同德縣、貴南縣、共和縣、格爾木市、德令哈市等縣（市）農(nóng)村土地確權(quán)登記頒證項(xiàng)目提供基礎(chǔ)調(diào)查底圖（DOM），飛行面積超過8000km2。

在昆侖山口的航測(cè)飛行中，起飛場(chǎng)海拔達(dá)到4700m，飛行高度達(dá)到5520m，并成功獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，創(chuàng)造了運(yùn)用無人機(jī)低空航攝技術(shù)在高海拔地區(qū)獲取高分辨率影像的新紀(jì)錄。

近年來，國家測(cè)繪地理信息局非常重視無人機(jī)航測(cè)測(cè)量技術(shù)，通過應(yīng)用航拍攝影測(cè)量技術(shù)，能夠?yàn)樯鐣?huì)提供更多、更好、更豐富精確的城市測(cè)繪模型產(chǎn)品和服務(wù)。無人機(jī)航測(cè)技術(shù)無疑將會(huì)在我國高海拔地區(qū)地理信息產(chǎn)業(yè)中扮演更加重要的角色。 ■