洞庭湖区重要一般垸治理工程中的无人机航线设计

刘业林　易南洲

（湖南省水利水电勘测设计研究总院　　长沙市　410007）

洞庭湖区重要一般垸治理工程中的无人机航线设计

刘业林易南洲

（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007）

文章通过洞庭湖区水利工程实践，讨论了无人机航摄参数计算、航线设计的一些关键问题，总结了无人机在水利工程应用中航空摄影的一般方法。

无人机航线设计航摄参数计算

1 无人机航摄系统简介

无人驾驶飞行器（UnmannedAerialVehicle）简称为无人机（UAV），是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器，具有无线电遥控或半自主、自主三种飞行控制方式［1］。无人机航摄系统是以无人机为平台，搭载影像传感器为任务设备，进行航空摄影作业的无人机系统。其系统基本构成：飞行平台、飞行控制与导航系统（飞控系统）、地面监控系统、任务设备、数据传输系统、发射与回收系统、地面保障设备、传感器。现阶段无人机航摄系统影像传感器，主要是数码相机、多拼CCD相机，少数为多波段传感器。

无人机具有体积小、重量轻、成本低、机动性好、飞行时间长等优点，空中飞行操作全过程在电子设备自动控制下进行，如今无人机航摄系统已经成为传统航空摄影测量手段的有力补充，其获得高分辨率影像数据可应用于多种领域，在小范围和飞行困难地区（传统航摄平台）高分辨率影像快速获取方面具有明显优势［2］。

2 无人机航摄系统的应用

2015年湖南省水利水电勘测设计研究总院引进某公司DM150型测绘无人机，成功地应用于洞庭湖区重要一般垸整治工程中，快速获取了洞庭湖区相应工程堤垸的高分辨率影像，并以此完成像控测量后用于数字线画图（DLG）生产，缩短了测绘产品生产时间，节省了测绘工期，产品质量满足设计需求。

（1）DM150型无人机主要技术参数（附表）。

附表　DM150型无人机主要技术参数

（2）DM150型无人机采用普洛特UP30型通用无人机自驾仪进行飞行控制，其主要参数：

集成3轴MEMS加速度计、速率陀螺、高灵敏度GPS，数字气压高度计，空速传感器；具有5种飞行模式：RC、RPV、UAV、CPV、CRPV；

100个飞行航路点，7种飞行制式，制式时间可设定；照片POS容量：2978。

（3）无人机的机体坐标系［3］（图1）：

图1　机体坐标系

飞机绕机体纵轴、机体立轴和机体横轴的转动，分别称为滚转（roll）、偏转（yaw）、俯仰转动（pitch）。飞行控制系统对飞机姿态控制，飞行质量评价，飞机POS数据等都要以飞机轴向为准，所以有必要明确飞机的坐标轴定义。

3 航摄参数的确定

（1）航摄相机SONYA7R像元大小的计算。

W、H是相机CMOS（或CCD）的宽度和高度，NW、NH为对应方向像元个数。

（2）相对航高H。与传统航摄作业参照摄影比例尺制定飞行航高略有区别，无人机低空航摄一般选用地面分辨率设计飞行航高，可参考规范5.2.1地面分辨率章节进行选择。

式中H——摄影航高（m）；

f——镜头焦距（mm）；

a——像元尺寸（mm）；

GSD——地面分辨率（m）。

SONYA7R原装镜头是带OIS光学防抖功能镜头，无法精确定焦，故采用经专业公司定制改装的35mm定焦镜头，检定合格提交检定证书后投入使用。

洞庭湖区重要一般垸治理工程在可研阶段需要1∶2000比例尺带状地形图，航飞限制条件又和天气情况密切相关，而湖南本地区冬春季雨期长、下雨天气多、雾霾重，有风天气多、云层高度低，实际可实施航飞时间更少，在选择低分辨率GSD（15cm～20cm）多次航飞时无人机都进入云层，严重阻碍了航摄工作，所以综合考虑确保成图精度、缩短成图周期、降低成本和飞行气象条件后，一般GSD选用（10～12）cm，个别堤垸选用15cm。计算结果如下：

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

（3）航摄分区和航摄基准面选择。参考文献［5］航摄分区划分，合理的进行航摄分区。湖南洞庭湖区海拔低，地势平坦，工程可研各堤垸堤身内外相对高差小，一般（30～50）m即为较大高差，远小于规范［4］1/6相对航高的高差要求。在充分考虑实际堤垸堤线长度、无人机的航程、邻近区域气象因素等，通常将一个县、区划分为一个航摄分区，一般的设计一个飞行架次。

航摄分区基准面高程的计算：

式中h最高、h最低——分区内最高、最低高程。

（4）根据规范［4］7.1飞行质量要求和数据后期处理要求，合理的选定相片重叠度。无人机一般搭载的影像传感器是非量测型相机，其相片相幅小、云台相对简单，空中飞行姿态稳定性较大飞机差，飞行易受气流影响而航线偏转、俯仰、滚转，为保证航摄数据可用性，经洞庭湖工程航摄实践，航向重叠度P×一般选70%～80%，旁向重叠度qY一般选40%～50%。

4 摄影基线与航线间隔

式中LX、LY——相幅长度和宽度（mm）；

bX——相片上摄影基线长度（mm）；

dY——相片上航线间隔宽度（mm）；

BX——实地上摄影基线长度（m）；

DY——实地上航线间隔宽度（m）。

无人机航摄时照片拍照方式一般有三种：等时拍照、等距拍照、定点拍照。航飞时无人机空速因气流、气压、发动机等原因会发生变化，又空气气流运动复杂性，无人机地速是时刻变化的，所以一般不选择等时拍照，而是选择等距拍照。根据上式计算出BX、DY，绘制航线时输入以上参数。当采用DEM进行设计时，可采用定点拍照方式，减小相片冗余。

5 航线设计过程

（1）航线绘制采用“UP30系列无人机飞控系统地面站软件”进行，该软件基于Mapinfo公司MapX二次开发，功能强大，适合无人机监控及航线规划。根据重要一般垸的堤垸堤线成图范围，首先在GoogleEarth上用“路径”或“多边形”工具，将实际堤线或范围描绘出来。

（2）使用globalmapper软件导入堤线或工程范围，可根据需要进行缓冲分析、叠加分析等，并根据航摄需要添加一些辅助线辅助航线设计，数据处理后输出mapinfo格式（.TAB、.DAT、.MAP、.ID、.IND）文件，作为标志层电子底图在UP30地面站软件中使用。

（3）在UP30软件中导入标志层数据，新建航线层，确定起飞场地1点。在起飞场地尚未确定时或多个场地备选时，1点之后可根据实际情况修改。输入航线绝对航高（当海拔高度＜3km时，气压高度使用地面绝对高度标定时）和航线间隔，使用航线设计工具绘制航线。

航线绘制一定要考虑相幅的覆盖度，在不利条件下，如无人机在风力影响下航偏、滚转，要保证满足规范的重叠度。洞庭湖区堤垸多为线状区域，无人机飞行时无可避免的要根据堤线走向转弯，航线绘制时要合理设计转弯、转出航线和转入航线，在保证无人机转弯半径的条件下进行航线连接，不出现航摄漏洞。航摄相幅X约（700～800）m（GSD=10cm时）以上，而实际成图需要为堤线两侧200m左右范围，所以一般将航线设计在堤线正上方，保证了传感器镜头正下方的影像变形最小。图2为某几个堤垸实际航线和航摄照片曝光POS点位图。

图2　某堤垸的实际航线及对应POS点位图（局部）

6 总　结

本文论述了无人机（固定翼）用于洞庭湖区水利工程航线设计的一般方法，通过实践证明了无人机航摄可以应用于水利工程可研等阶段，可缩短工期，降低生产成本，降低劳动强度，提高生产效率。但无人机航摄仍属于新兴技术，实用时以下多个方面需要注意：

（1）航线设计时必须充分研究相关规范，及相应工程的项目设计书、专业技术设计书，进行精度估算，以必要的精度进行。

（2）航线设计必须进行多人次独立检查，包括航摄参数计算、航线绘制等等，形成相应的检查、修改记录。航线绘制时应注意整个航线应闭合，航摄分区时应进行高程分析，保证无人机航线在最高点安全高度之上。考虑到可能出现的意外情况，航区毗连区域至起降场地也应进行高程分析，保证无人机能在紧急情况下安全召回。航摄时摄区边界应保证3条以上基线覆盖，避免边界区域无法形成立体像对。

（3）无人机航摄系统搭载传感器多为非量测相机，由于相机成本、机体结构、机身材料原因，相机稳定性较差，相机参数可能会随温度、湿度、气压等发生变化，所以有必要采取措施保护好相机，使其工作在理想环境下。水利工程的特殊性对高程精度要求较高，而航摄平面精度相对容易达到，故在像控点的布设时应当考虑到此情况，另可适当的引入部分外业实测高程点参与后期DLG成图。

（4）无人机飞行时通过气压高度计控制飞行高度，而航拍时又通过机载导航GPS控制拍照，虽然在起降场地通过GPS标定了气压高度，但航线高度可能与设计航高不一致，根据规范7.1.5航高保持，当差值超过规范要求时，需要对航高进行调整，此项一般在进入巡航拍摄前进行。

（5）无人机航摄作为一种航摄新技术，应积极发挥其优势，但用于航摄时一定要保证安全。航飞作业必须遵守《中华人民共和国飞行基本规定》及相关法律法规，按手续向军区司令部、当地部队、空管部门申请空域，获得批准后再实施航飞。航线设计应避免军事基地、民航机场等禁飞区和飞行管制区、管制分区，还应当避开民航飞机的降落盘旋航线空域。具体实施航飞前，还应当做好实地调查，

避免航飞时的无线电、磁干扰，尽量将潜在的危险因素降到最低。

［1］CH/Z3002-2010.无人机航摄系统技术要求［S］.

［2］杨爱玲，孙汝岳，徐开明.基于固定翼无人机航摄影像获取及应用探讨［J］.测绘与空间地理信息，2010，33（5）：160-162.

［3］刘星，司海青，蔡中长.飞行原理［M］.北京：科学出版社，2011.

［4］CH/Z3005-2010.低空数字航空摄影规范［S］.

［5］朱肇光，孙护，崔炳光.摄影测量学［M］.北京：测绘出版社，1995.

［6］SL197-2013.水利水电工程测量规范［S］.

刘业林（1981-），男，宁夏石嘴山人，大学本科，测绘工程师，主要从事工程测量、航空摄影测量工作。

（2016-07-11）