輕小型無人機遠海島礁航測關鍵技術研究

畢 凱，丁曉波

（1.國家基礎地理信息中心，北京 100830；2.中國測繪科學研究院，北京 100039）

遠海島礁是國家領土的重要組成部分，其影像圖、地形圖等精確的基礎地理信息是劃分領海、維護國家主權和國家安全的重要依據(jù)[1]。我國遠海島礁數(shù)量多、分布廣，大多無法登島測繪[2-3]。長期以來，遠海島礁的基礎地理信息主要依靠衛(wèi)星和通用有人機航空攝影測量等技術手段獲得。盡管衛(wèi)星影像的分辨率已經(jīng)達到0.31 m，但該分辨率仍無法滿足大比例尺測繪成果的生產(chǎn)要求；通用有人機航空攝影易受敏感空域、機場條件、天氣、啟動程序復雜性等限制，同樣難以完全滿足需要[4]。因此，如何獲取我國遠海島礁精確的大比例尺基礎地理信息，是現(xiàn)階段急需解決的技術問題。

相比衛(wèi)星遙感和通用有人機航空攝影，輕小型無人機具有隱蔽性強、機動靈活、受天氣影響小、影像獲取分辨率高等諸多優(yōu)點，可成為我國遠海島礁遙感數(shù)據(jù)獲取的有效補充技術手段[5-8]。但利用輕小型無人機開展遠海島礁高分辨率立體測繪工作仍存在技術問題：一是如何確保輕小型無人機續(xù)航里程足夠從岸基起降獲取數(shù)百公里外的島礁影像，且能保證全航測實施飛行監(jiān)控，減少作業(yè)風險；二是如何針對遠海島礁的特點開展航攝技術設計，避免大量航攝像片主點落水，確保航攝成果能滿足后續(xù)數(shù)據(jù)處理要求；三是如何不登島即完成輕小型無人機所獲影像的攝影測量處理，生產(chǎn)符合精度要求的大比例尺影像圖、地形圖等測繪產(chǎn)品。

針對遠海島礁高分辨率立體測繪工作存在的實際困難，本文提出了一種利用輕小型無人機開展遠海島礁高分辨率影像獲取與無控測圖的測繪技術方法。重點研究解決輕小型無人機飛行平臺遠距離續(xù)航、全航程實時通信導航和無控制測圖等關鍵技術，探索建立顧及島礁特征的無人機航攝設計技術指標，通過對多個遠海島礁影像獲取與影像處理驗證該方法的可行性，這對于提升我國遠海島礁大比例尺遙感測繪技術與裝備能力具有重要意義。

1 遠海島礁航測基本要求

1.1 影像分辨率要求

明確遠海島礁的影像分辨率是其航測工作的首要工作。隨著衛(wèi)星遙感影像資料的增多，形成了30～0.31 m從低到高分辨率光學衛(wèi)星遙感影像集合，利用其測制的中小比例尺基礎地理信息成果，基本滿足了遠海島礁遙感識別的需要。

但遠海島礁精細地表覆蓋分類[9]、圍填海監(jiān)測、工程監(jiān)測等需要更高分辨率的影像支撐。由于衛(wèi)星影像分辨率的限制，當前遠海島礁航測工作使用地面分辨率不低于0.2 m的航攝影像，重點島礁或重點工程監(jiān)測所需的影像地面分辨率甚至更高，有的甚至需要0.05～0.1 m。

1.2 航攝范圍確定原則

遠海島礁航測的另一項重要工作是明確航攝范圍。劃定航攝范圍時，對于面積小于500 m2的單礁型海島礁，以海岸線為基線、L=50 m為劃定擴展區(qū)，若擴展區(qū)與面積≥500 m2海島礁的岸線不相交，將擴展區(qū)界線作為島礁的航測范圍；若擴展區(qū)與面積≥500 m2海島礁的岸線相交，則單礁型海島礁作為其一部分劃定航攝范圍。

對于海島礁擴展區(qū)與相鄰海島礁岸線相交組成的叢礁型海島礁，所有海島礁的擴展區(qū)界線與面積≥500 m2海島礁的岸線均不相交，該叢礁型海島礁作為航攝范圍。所有或部分海島礁的擴展區(qū)界線與面積≥500 m2海島礁的岸線相交，該叢礁型海島礁作為其一部分劃定航攝范圍[10]。必要時可也考慮將水下礁盤范圍一并作為航攝區(qū)域，數(shù)據(jù)處理時可通過雙介質(zhì)攝影測量技術反演礁盤區(qū)域的水下地形[11]。圖1是單礁型和叢礁型海島礁示意圖。

圖1 單礁型和叢礁型海島礁示意圖

1.3 航測實施技術要求

與常規(guī)陸地航測或近岸島礁航測相比，遠海島礁航測工作有著特殊的技術要求，具體概括為：“飛得到、看得見、飛得好、無控制”。其中：

“飛得到”是前提，要求飛行平臺的續(xù)航時間和續(xù)航里程滿足工作要求。遠海島礁航攝飛行以岸基起飛居多，要求無人機作業(yè)半徑應在1 000 km以上，往返航程與航攝作業(yè)總里程應大于2 400 km，以巡航速度100 km/h計算，要求飛行平臺的總續(xù)航時間大于24 h，總續(xù)航里程不少于2 400 km。

“看得見”是關鍵，要求跨海飛行過程中地面監(jiān)控系統(tǒng)能實時監(jiān)測無人機的飛行狀況，無人機能向地面監(jiān)控系統(tǒng)回傳飛行數(shù)據(jù)，地面監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)需要可向無人機發(fā)送有關飛行指令。

“飛得好”是基礎，要求航攝規(guī)劃能顧及海島礁特點，避免大量影像主點落水。在航攝分區(qū)、航線敷設、航攝時間選擇、飛行指標和影像質(zhì)量等方面體現(xiàn)遠海島礁的航攝特點。

“無控制”是核心，要求實現(xiàn)不登島施測像控點就能完成影像攝影測量處理。需要對無人機控制系統(tǒng)硬件設備進行升級改造，優(yōu)化航線敷設設計、增加檢校場飛行和構架航線，形成輕小型無人機無控測圖的技術方案。

2 輕小型無人機遠海島礁航測關鍵技術

2.1 航測實施技術要求

影響飛行平臺續(xù)航能力的關鍵因素之一是發(fā)動機性能。通過研制四沖程風冷微型發(fā)動機，配置高強度碳纖維復合螺旋槳，研究油路靜電節(jié)油技術，保障油氣暢通，燃料充分燃燒，節(jié)約燃油消耗。

提升續(xù)航能力的另一個關鍵因素是優(yōu)化飛行平臺的氣動布局，突破無人機機身高強度碳纖維復合材料一體化成形技術和大展弦比薄型扭轉(zhuǎn)機翼V型尾翼等技術，增大升力系數(shù)減小阻力，提高持續(xù)飛行能力及可靠性。

此外，通過集成大容量、高性能鋰離子蓄電池，增強飛行平臺的持續(xù)供電性能，開展振動、電磁、高低溫、水汽雨雪、鹽霧、沙塵等環(huán)境下的綜合性測試。通過內(nèi)陸模擬飛行實驗，檢驗了飛行平臺油電消耗及整體可靠性、穩(wěn)定性和適應性。表1是輕小型無人機飛行平臺在內(nèi)蒙古庫倫、山西大同等地開展油電測試情況的統(tǒng)計。

表1 輕小型無人機飛行平臺油電測試情況表

表2是ZC-7型輕小型長航時無人機飛行平臺主要性能指標參數(shù),該型無人機無需使用機場，可彈射起飛、機腹擦地回收，有效載荷5 kg，續(xù)航時間30 h，滿足1 000 km作業(yè)半徑的遠海島礁航攝飛行要求。

表2 ZC-7型輕小型無人機飛行平臺主要性能指標表

2.2 遠距離全航程實時監(jiān)控關鍵技術

輕小型無人機多使用無線電通信、GNSS導航，此種方式易受地形影響，通信距離一般較短，導航易丟星失鎖。遠距離飛行時需要選擇架設中繼站通信，無法架設中繼站時只能選擇盲飛。在執(zhí)行遠海島礁航攝任務時，由于距離太遠，無法架設中繼站實施通信保障，為減少盲飛風險，需要研究解決遠距離實時飛行監(jiān)控的相關技術。

（1）研究輕小型無人機的北斗通信模式[12]。利用北斗短報文通信協(xié)議的預留字段設計并確定飛行諸元的格式和傳輸協(xié)議，包括：數(shù)據(jù)發(fā)送時間、經(jīng)度、緯度、高度、航向、速度等核心要素，通過北斗衛(wèi)星實現(xiàn)無人機地面監(jiān)控站與機載北斗通信設備之間通信信息的實時上傳與下載。

（2）建立GNSS/北斗衛(wèi)星雙星雙冗余度導航新模式，一方面設定GNSS失鎖的閾值，在GNSS失鎖時，觸發(fā)閾值開關后機載導航信息自動切換，及時自動更改為北斗衛(wèi)星導航。另一方面也可人工切換，無人機地面監(jiān)控系統(tǒng)將導航切換信息以短報文的方式傳輸至北斗衛(wèi)星，再由北斗衛(wèi)星發(fā)送至機載北斗導航模塊，無人機接收任務信息后自動切換，利用新的導航系統(tǒng)繼續(xù)執(zhí)行飛行任務。北斗/GNSS雙冗余度導航，大大降低了遠距離飛行過程中GNSS失鎖、單系統(tǒng)導航失效等造成的墜機風險，是保障遠海島礁飛行安全的重要保護手段。圖2是集成北斗通信系統(tǒng)的無人機飛行實時監(jiān)控示意圖。

圖2 集成北斗通信系統(tǒng)的無人機飛行實時監(jiān)控示意圖

2.3 輕小型無人機無控測圖關鍵技術

無控測圖是遠海島礁測繪工作的核心，是不登島測繪即可生產(chǎn)基礎地理信息產(chǎn)品的前提。輕小型無人機無控測圖的技術重點是獲取每張影像的外方位元素，難點在于硬件系統(tǒng)上的升級改造。即需要在飛行控制系統(tǒng)中集成使用雙頻GNSS，同時在飛行控制系統(tǒng)中集成與輕小型無人機飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)等相匹配的小型IMU設備。

（1）將通用輕小型無人機使用的單頻GNSS升級至雙頻測量型GNSS，雙頻GNSS的OEM板與飛行控制系統(tǒng)有效集成，并將雙頻GNSS天線安置于無人機機頭位置。航空攝影時，利用雙頻測量型GNSS記錄曝光時刻的信息，利用基站數(shù)據(jù)進行事后差分或采用GNSS精密單點定位的方法計算求得每張像片曝光時刻的精確三維坐標，可作為約束條件參與自由網(wǎng)平差解算，以達到減少地面控制測圖目的。雙頻GNSS飛控數(shù)據(jù)輸出率優(yōu)于10 Hz，精度達到10 cm級別。圖3是集成雙頻GNSS設備的飛行控制系統(tǒng)示意圖。

圖3 集成雙頻GNSS設備的飛行控制系統(tǒng)示意圖

（2）根據(jù)無控測圖的需要，在調(diào)研市場微小型IMU設備情況的基礎上，選擇重量輕，體積小，性價比高，具備EventMark接口、EventMark反饋接口和數(shù)據(jù)輸出接口功能的小型IMU設備。解決IMU與雙頻GNSS時間同步、IMU數(shù)據(jù)與GNSS數(shù)據(jù)緊耦合處理、IMU數(shù)據(jù)存儲、IMU設備供電及電磁兼容等技術問題[13]。小型IMU設備的測姿精度俯仰角、側(cè)滾角中誤差不超過0.05°，航偏角中誤差不超過0.1°，重量小于1 kg、功耗低于5 W、連續(xù)數(shù)據(jù)存儲超過30 h。

（3）飛行完成后，首先利用IE（Inertial Explorer）軟件實現(xiàn)GNSS原始數(shù)據(jù)與IMU原始數(shù)據(jù)的聯(lián)合解算，獲取每張影像曝光時刻高精度的位置和姿態(tài)信息。其次，利用檢校場影像和像控點資料，通過空三軟件解算檢校場影像的外方位元素。第三，將檢校場影像的外方位元素導入IE軟件，解算偏心分量和偏心角系統(tǒng)誤差改正。第四，對測區(qū)內(nèi)GNSS和IMU解算的位置和姿態(tài)信息進行偏心改正，獲取影像的外方位元素。

3 顧及海島礁特征的航空攝影技術設計

當前，遠海島礁航空影像獲取沒有作業(yè)規(guī)范，參考框幅式航空攝影規(guī)范實施可能會使多數(shù)影像主點落水，造成影像處理困難，甚至無法處理。為保證影像獲取的順利實施，需要針對遠海島礁的特點開展航攝規(guī)劃設計，系統(tǒng)分析遠海島礁航攝與常規(guī)航攝在航攝分區(qū)、航線敷設、航攝時間選擇、飛行質(zhì)量要求和影像質(zhì)量要求等方面的差異。

3.1 航攝分區(qū)的劃分

劃定航攝分區(qū)是遠海島礁航空影像獲取實施的第一步。由于島礁遠離大陸，面積較小，與常規(guī)陸地航攝相比，航攝分區(qū)應不再依照圖幅進行劃分。鑒于部分遠海島礁為垂直的山地地形，高差較大，按照地形高差占攝影航高的比例進行分區(qū)不再適用。島礁航攝時，一般情況下，孤立的海島礁可劃分為一個獨立的航空攝影分區(qū)[14]，對于區(qū)域模型連通性較好的多個海島礁可設為一個分區(qū)，應避免一個海島礁被劃分在兩個或以上不同的航空攝影分區(qū)。分區(qū)界線盡可能囊括工作范圍線。

考慮到遠海島礁面積較小的特點，當島礁整體高差變化不大時，分區(qū)基準面高度的確定無需考慮低點高程的影響，可以直接確定為最高點高程的二分之一，即H基準=H最高/2。當島礁高差較大時，可采用分區(qū)最高高程和最低高程的二分之一作為基準面高程，即H基準=（H最高+H最低）/2，但須盡量確保最低點影像分辨率滿足相應比例尺成圖要求。

3.2 航線敷設

遠海島礁具有分布零散、形態(tài)不規(guī)則等特點，開展島礁航攝敷設需要注意以下幾點：

（1）保證所有島礁完整覆蓋，盡可能避免像主點落水。以分區(qū)長邊方位角為飛行方向，并使首末航線敷設在分區(qū)邊界線上或邊界線外[15-16]。當高差過大且無法分區(qū)時，可采用插入航線的方式設計。

（2）由于無法登島施測像控點，為了提高模型解算精度，盡量采用定點曝光進行航線設計。除測圖航線外，還需要在每個區(qū)域網(wǎng)兩端飛行一條構架航線，構架航線穿過所有測圖航線和島礁，與測圖航線的航高相同，航向重疊可比測圖航線稍大。圖4是島礁測圖航線與構架航攝敷設示意圖。

圖4 島礁測圖航線與構架航攝敷設示意圖

（3）由于IMU與數(shù)碼相機之間的角度系統(tǒng)差和GNSS線元素分量偏移值無法精確測得，為保證成圖精度，需要每個架次執(zhí)行任務航線前飛行一次檢校場，必要時可執(zhí)行任務航線前后各飛行一次檢校場。檢校場作業(yè)航線在岸上布設，檢校場航線敷設、影像航向與旁向重疊度、飛行高度等設計與常規(guī)陸地IMU/GNSS輔助航攝時一致。

3.3 航攝時間選擇

遠海島礁航攝時間的選擇與常規(guī)陸地航攝是完全不同的，由于島礁距岸遠，航攝作業(yè)都是跨海航攝飛行，易受風力風向的干擾，難以嚴格遵照太陽高度角、潮位等情況執(zhí)行。

（1）估算航攝時間。既要保證起飛、降落時的足夠光照條件；也要綜合考慮風向、氣流、溫濕度等環(huán)境因素，考慮檢校場飛行和航攝作業(yè)飛行時的太陽高度角的影響，盡量在正午時間段攝影。

（2）盡量選擇島礁低潮位時間段攝影。可通過查詢相關資料確定攝區(qū)低潮位時間段。如遇低潮位時間攝影，但無法保證降落光照條件時，可將攝區(qū)分塊航攝，以確保足起飛降落時的足夠光照條件。

（3）精確記錄航攝時間?？赏ㄟ^航攝時間段查詢海況、潮汐及瞬時水位，在IMU/GNSS輔助的無控制平差時可將瞬時水位線可作為高程控制的基礎[17]。

3.4 飛行質(zhì)量指標要求

遠海島礁航空攝影飛行質(zhì)量要求總體上與常規(guī)陸地航攝一致，不同之處有以下幾點：

（1）盡量保證影像航向和旁向重疊度均勻。在確保能構成立體像對的前提下，適當增大影像重疊度，可提高攝影測量區(qū)域網(wǎng)的加密精度。因此，航向重疊度一般設定為80%，最小不小于60%，旁向重疊度一般設定為60%，最小不小于40%。

（2）為保證影像處理精度，根據(jù)大面積水域影像處理經(jīng)驗，像片旋偏角一般不超過15°。實際作業(yè)過程中，局部時間段受風影響嚴重，可只考慮像片旋角，像片旋角一般不超過10°，但須確保像片航向和旁向重疊度滿足要求且不得連續(xù)出現(xiàn)。

（3）為了確保成圖精度，根據(jù)常規(guī)影像處理經(jīng)驗，像片傾斜角不宜超過4°。由于飛行平臺既輕且小、抗風能力弱，受風影響導致像片傾角偏大，在確保像片航向和旁向重疊度滿足要求的前提下，傾斜角可適當放寬至8°。

3.5 影像質(zhì)量要求

遠海島礁航攝的影像質(zhì)量除要滿足常規(guī)陸地航攝的影像質(zhì)量要求外，還應注意朵云和像點位移的影響。如遇影像存在朵云，若未遮擋島礁陸地部分，不影響立體模型的連接和測繪，可認為合格。應盡量消除飛機地速對影像像點位移的影響，合理設置數(shù)碼相機的快門，將像點位移控制在1個像素以內(nèi)。

4 實驗驗證

選取我國某些海島作為實驗區(qū)，分別以平坦海灘建立岸基起降基地，開展無人機遠海島礁影像獲取與影像處理實驗。圖5是無人機遠海島礁航測某實驗區(qū)域位置示意圖。

圖5 無人機遠海島礁航測實驗區(qū)域位置示意圖

4.1 工作流程

遠海島礁影像獲取及無控測圖處理主要包括：顧及島礁特征的航攝規(guī)劃與基站架設測量、檢校場飛行與解算、IMU/GNSS輔助航空攝影、數(shù)據(jù)聯(lián)合解算、影像外方位元素計算、基礎地理信息產(chǎn)品生成等幾個關鍵步驟。圖6是輕小型無人機遠海島礁航測工作流程圖。

圖6 輕小型無人機遠海島礁航測工作流程圖

4.2 數(shù)據(jù)獲取與處理

利用ZC-7型輕小型無人機獲取了海島一、海島二、海島三共3個攝區(qū)0.1 m分辨率航空影像。每個攝區(qū)均在岸基設計一個檢校場，并飛行構架航線；基準面高程設計為最高高程和最低高程的二分之一；航向和旁向重疊度均按照80%、60%設計。經(jīng)過無控測圖處理，生產(chǎn)了DEM、DOM、DLG等基礎地理信息產(chǎn)品。經(jīng)海島一、海島二布設的控制點與檢查點檢測，無控測圖的平面位置限差優(yōu)于1.75m，高程限差優(yōu)于1.0 m，滿足1:5000比例尺丘陵地形的測圖精度要求。三個攝區(qū)無人機影像獲取及航測處理的基本情況見表3。

4.3 成果示例

以海島一輕小型無人機航測工作為例，圖7-a至圖7-b是利用輕小型無人機無控測圖技術生產(chǎn)的數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像產(chǎn)品示意圖。

圖7 某海島輕小型無人機無控測圖成果示意圖

5 結論

利用研制的輕小型無人機航空遙感系統(tǒng)開展了多個海島高分辨率航空影像獲取及攝影測量處理實驗，驗證了該系統(tǒng)是解決遠海島礁高分辨率航測作業(yè)的有效技術裝備。

（1）針對遠海島礁的影像獲取需求，研制的輕小型無人機長航時飛行平臺，續(xù)航時間可達30 h，作業(yè)半徑大于1 000 km，岸基起降能覆蓋我國99%以上的遠海島礁，解決了遠海島礁高分辨率影像的“有無”問題。

（2）為了提高遠海島礁影像獲取作業(yè)過程的安全性和可靠性，對無人機的飛控系統(tǒng)進行升級改造，增加北斗衛(wèi)星導航通信功能，實現(xiàn)了無人機遠距離全航程的實時監(jiān)控，解決了遠海島礁影像獲取工作中“看得見”的問題。

（3）針對不登島測繪開展遠海島礁影像攝影測量處理的工作需求，在現(xiàn)有無人機飛控系統(tǒng)中集成小型化高精度IMU/GNSS設備，研究了IMU/GNSS輔助的無人機遠海島礁無控測圖關鍵技術，解決了遠海島礁無控制也能生產(chǎn)大比例尺基礎地理信息產(chǎn)品的難題。

（4）針對遠海島礁特點，探索構建了顧及海島礁特征的航攝影技術設計內(nèi)容與指標，為實施遠海島礁影像獲取工作提供了技術參考。

在下一步研究工作中，將繼續(xù)開展輕量化、更高精度IMU與GNSS組合導航的集成研究，進一步提高IMU與數(shù)碼相機之間的角度系統(tǒng)差和GNSS線元素分量偏移值的精度，以提高直接定向的精度，為實施遠海島礁工程化的航測工作提供技術參考。