无人飞行器低空遥感系统机载传感器搭配方案研究

2012-11-14陈云波刘义志蒋小蕾翁鹏飞

测绘通报 2012年8期

关键词：低空无人精度

陈云波，刘义志，蒋小蕾，翁鹏飞

(1.昆明市测绘研究院，云南昆明650051;2.杭州快鸟遥感科技有限公司，浙江杭州310000;3.浙江华东建设工程有限公司，浙江杭州310000)

无人飞行器低空遥感系统机载传感器搭配方案研究

陈云波1，刘义志2，蒋小蕾2，翁鹏飞3

(1.昆明市测绘研究院，云南昆明650051;2.杭州快鸟遥感科技有限公司，浙江杭州310000;3.浙江华东建设工程有限公司，浙江杭州310000)

根据生产实践经验比较几种常用无人飞行器低空航测系统影像传感器的优缺点，并提出提高无人机测量精度、多源传感器集成和跨行业应用的一些实用解决方案。

无人机;传感器集成;5D Mark II;P65+;H4D-60

无人机低空遥感技术以其快速、低成本、全天候等特点，在近年内得到了迅速推广，为地理信息产业增添了不少亮点和活力。但是其缺点和局限性也在生产中不断显露。笔者根据大量的无人机低空遥感项目实践，围绕如何突破无人机在精确测量方面的瓶颈，如何提高作业效率，如何拓展行业应用等问题，对传感器与飞行平台的搭配、影像传感器改进、多源传感器集成方面进行探讨，以期能为同行应用提供一些参考。

一、无人飞行器平台及其特点

国内的无人飞行器平台主要包括固定翼无人机、旋翼无人机(无人直升机)、无人飞艇3类。

(1)固定翼无人机

固定翼型无人机结构简单，动力强，抗风能力强，飞行可控性更高，并且航时长，起飞方式有滑跑、弹射、火箭助推等，适用于大面积航摄，是目前低空遥感领域应用最广泛的无人飞行平台。

(2)无人直升机

无人直升机能够定点起飞、降落，对起降场地的条件要求也不高，其飞行可以人工操作，也可自驾飞行，起降灵活。但无人驾驶直升机的结构相对来说比较复杂，抗风能力弱，稳定性差，姿态控制较难。目前主要应用于300 m以下、小面积的超低空飞行。

(3)无人飞艇

小型无人飞艇可以实现低空、低速飞行，作为一种独特的飞行平台其能够获取高分辨率的遥感影像，且操控比较容易，安全性好，可以使用运动场或城市广场等作为起降场地，特别适合在建筑物密集的城市地区和地形复杂地区应用，如城市地形图的修测、补测，建筑物精细纹理的采集、城市交通监测、通信中继等。

二、应用现状:常用影像传感器搭载方案及其特点

(1)Canon 5D Mark II

Canon 5D Mark II是目前无人机平台上搭载应用最普及的影像传感器，其最大像素为2100万，传感器为36 mm×24 mm的 CMOS，采用了全新的DIGIC 4影像处理器，较好地提高了产品拍摄的速度与画质，最高连拍速度能达到3.9张/s。它支持全高清视频短片拍摄功能，配合高速CF卡，在拍摄1080 dpi高清影片的时候按下快门还能记录静态照片。基于这些特点，其特别适合于各种监测，并能与其他非测量用途的传感器进行集成应用，但是其支持的镜头没有后两款丰富。

(2)Phase One P40+、P65+

Phase One P40+和P65+的传感器都为645中画幅全幅面阵CCD，像元为6 μm×6 μm。P40+最大像素为4000万，连拍速度为60张/min;P65+最大像素为6048万，连拍速度为60张/min。它们都不具备视频拍摄功能，但是能搭配数码后背，解像能力称得上完美，像点量测精度大大提高。因此，它适合测量精度高、外业控制布设稀少的项目。但经过大量的飞行检校证明，这两款像机的内方位元素不稳定，飞行条件、飞行起落架次都会对其有很大影响，需要经常检校相机参数来实时改正畸变差。

(3)哈苏H4D-60

哈苏H4D-60是目前最先进的中画幅数码单反，最大有效像素为6000万，连拍速度为33张/ min。哈苏自然色彩解决方案(HNCS)使用单一的色彩描述文件便能够准确地重现色彩，而其数码镜头校正技术(DAC)，则使得每只HC/HCD镜头所拍摄的图像更为完美，并能将图像中轻微的桶形畸变、四角暗角或色散现象消除。但是H4D-60改装电子快门的难度较大。

(4)生产应用经验总结

根据笔者多年的生产实践，总结经验如表1、表2所示。

表1 几种常用相机的特点及应用总结

表2 不同相机像幅与外业像控、量测精度分析

由表1可以看出，对于一般精度要求的应用，5D Mark II具有较高的性价比，但在高精度方面，显然是力不从心的。结合表2所总结的外业工作量与采用相机相幅的关系，可以得出:在控制飞行风险的前提下，采用大相幅像机，能够减少外业布测像控点的工作量，提高工作效能与测量精度。

三、改进与拓展思路:多源传感器集成及量测相机轻型化

尽管前文所述的大画幅相机的应用在改进无人机低空航测成果精度和作业效率方面起到了不小的成效，扩大了无人机低空遥感系统的应用范围，但是与量测相机相比，高程精度还有待提高。另外，目前无人机低空航测系统的应用也比较单一，没有较好地把影像获取与其他应用结合。笔者所在的团队，正在进行以下几个方面的研究和实践。

1.多相机集成

(1)5D Mark II侧视组合+无人直升机(无人飞艇)——城市精细三维建模解决方案

由于5D Mark II机身轻巧，性价比高，且具有摄影与视频同步的功能，因此用三相机按“左中右”组成“侧正侧”布局，或用五相机按“前后左右中”组成“侧侧侧侧正”布局，由电子快门控制同步曝光，搭配在无人直升机或无人飞艇上超低空自驾飞行，可以同步获得城市表面的精细三维模型，是城市精细建模最好的数据源。目前，这种方案在沿海个别城市已开展应用。

(2)多拼相机+无人机——无人机多拼组合航测系统

林宗坚教授已将双拼组合观测系统成熟地运用到了无人机上，有效地提高了基高比，进而提高了无人机航测的高程精度。在足够荷载的动力和空间支持下，在“双拼组合”理论的基础上，扩展多拼相机组合，能够更加优化无人机的作业效率和精度。这种方案，首先要对无人机的气动布局和机身结构进行改造，并且系统整体的稳定性也较难控制。

2.多源传感器集成

总体思路是将相机获取的影像与其他传感器获取的其他类型结合，即将影像纹理与其他专题特征进行空间和时间上的融合，拓展其服务领域。

(1)三维激光扫描仪(探地雷达)+5D Mark II +无人机——三维激光扫描测量方案

小型航扫设备的问世，为基于无人机的三维激光扫描提供了应用条件。如必威易的BL50轻质小型化的激光雷达系统，重量10 kg，可搭载在无人机上，结合5D MarkII的高清影像，通过匹配，可快速形成扫描区域内的DSM、DTM、DEM、DOM、DLG。在地质灾害定量监测、桥梁、大坝精确测量和建模方面有着广泛的前景。

(2)气体探测仪+红外相机+电动无人直升机——气体泄漏应急监测系统

有毒有害等危险气体的泄漏处置，人员接近有很大危险，采用气体探测仪+红外相机，采用电动(防爆防燃)无人直升机作为飞行平台，能及时为事故处置决策提供综合的信息作为参考。

(3)数字化能谱仪+5D Mark II+无人机——超低空放射测量系统

在遥感中，航空放射性测量是一种有效的手段，对铀等矿藏有较高的发现能力。与传统的大飞机航摄相比，无人机可以作超低空飞行，结合轻型的数字化能谱仪，与航摄影像做空间匹配后，能够探测获取更高精度、更直观的放射性能谱异常。相同的工作原理，该集成系统还能够用于核电站应急监测，放射污染探测。

(4)大气采样仪+多光谱相机+无人机——污染监测系统

空气污染的监测、地面污染、水体污染的综合监测，需要一个综合的探测系统。无人机集宏观性、灵活性和及时性为一体，配合大气采样仪、多光谱相机，可以将多光谱影像进行反演，提取出诸如蓝藻、固体垃圾、油污等的范围，并与大气采样数据进行匹配，综合分析污染的原因和程度，为城市规划和城市管理提供科学参考。

3.无人机搭载相机的改进

(1)大像幅低畸变专用相机研制

由于现在无人机上使用的相机基本上是民用高端相机，并非专为无人机遥感而设计生产，因此存在诸如像幅小、畸变大、内方位元素不稳定、改装难度大等不足。而光电技术的飞速发展，为无人机航摄专用相机提供了技术基础，大像幅、低畸变的无人机专用相机研制已取得突破，且已有少量产品问世。

(2)超轻型量测相机研制

由于镜头内方位元素检校的复杂性和不稳定性，目前非量测相机的畸变差改正方法只是一种理论上的改正，检定的频率完全达不到参数变化的速度，所能得到的数学精度相对量测相机差距较大，制约了无人机在1∶500、1∶1000比例尺测绘方面的应用。因此，将量测相机轻型化，使其能够搭载在飞行姿态稳定、荷载能力大的固定翼无人机或飞艇上，是解决无人机低空航测精度的根本途径。国内的航摄仪如SWDC已打破了多年被国外垄断的局面，且国内已有研究机构致力于超轻型量测相机的研制中，相信性能简单、重量轻、体积小的国产超轻型数字量测相机不久将问世，将会大大提高无人机遥感系统的应用范围。