无人机深切割山区航测作业若干问题探讨

王继朋 张敏

摘 要：近年来，无人机在地勘、环境治理等各个领域的应用日益广泛。但是在地形起伏变化较大的深切割山区航测作业受诸多限制，诸如天山、阿尔金山等山区。航测作业中，航测参数的设置要综合考虑气候条件、阴影、切割强度、坡度等因素的影响。

关键词：深切割山区;无人机航测技术

【中圖分类号】P237  【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）18-0210-01

引言

深切割高陡山区无人机航测常见的诸多问题：信号强度不足甚至丢失、重叠率不足导致影响拼接出现空洞或明显的畸变、航摄影像质量不佳等。影响航测成果质量的因素主要有两方面：航高和重叠率的设置。其中航高主要受地形切割强度控制，与成像分辨率、航测数据精度息息相关;重叠率受地形切割强度、坡度影响较大，直接关乎成像质量。此外还要考虑气候、阴影对影像质量的影响。

1 航测作业中信号丢失

深切割山区现场踏勘环节难以面面俱到，航测作业中经常面临遥控器信号丢失的困境。一般，可通过加强影像判读以弥补实地踏勘的不足，同时优化航高、航线的方法避免该问题。

1）基站位置。

基站位置的不合理，可能会造成无人定位信号中断，导致影像拼接时畸变过大，或者部分照片定位失败而不可用，甚至在最终拼接的正射影像中出现空洞，大大降低航测成果的质量。所以，作业前尽量进行实地踏勘，或者通过遥感解译等手段了解作业区地理特征，确保无人机作业期间所处高度的平面与基站之间不能有遮挡（比如山脊）。

基站位置的概略选取：优选网络信号强度较好、视野开阔、无电磁干扰等地带。以矿区为例，实际工作中，由于Cors网络信号在矿区普遍存在信号强度不足、甚至没有信号的问题，基站位置尽量选取矿区埋石点或埋石点附近，以便获取基站准确位置。

2）航高的计算。

航高的不合理设置，可能会造成无人机遥控器信号中断，甚至直接丢失信号作业中止，严重的甚至坠机。所以，作业前必须计算好航高，确保无人机作业期间所处高度的平面与遥控器和基站之间不能有遮挡（比如山脊）。

航高主要受航测成果精度和地形切割强度两个因素制约。相对航高与机载相机参数之间有如下数学关系：H=f*GSD/a。其中：H为相对航高，f为摄像头焦距，GSD为地面分辨率，a为像元尺寸大小。航高与地面分辨率成反比例关系，航高越大则地面分辨率越低。以大疆精灵四无人机为例，挂载定焦镜头，摄像头焦距、像元尺寸大小均为定值，航高与相机参数之间有如下概略数学关系：GSD=H/36.5。深切割山区，在满足航测成果精度要求的前提下，可牺牲一定的地面分辨率来调整航高，以满足航测作业的要求。一般航高的设置要满足两个要求：测区最低点航测精度（实际地面分辨率）符合规范要求，同时航高超出测区最高点至少50米（山区1：1000地形测量经验值）左右保证测区最高点的重叠率满足作业要求和成图质量要求（根据具体情况调整）。根据地形切割情况，通过计算可获取满足无人作业条件的垂向起降区间。

3）航高、航线的优化。

深切割山区作业普遍存在Cors网络信号强度不足、通行较为困难的问题。前期准备阶段计算的理论作业参数（航高、重叠率等），基站位置等，进入作业区后随实地情况可能会有所变动。为确保一次性完成作业，航高、航线的优化必不可少。

航高的优化：作业前计算出的理论航高，在进入作业区后要对作业区有个进一步的了解，比如估算拟选基站位置和操作手所处位置与测区最低点、最高点的高差等，进而根据选定的视野开阔的埋石点空间位置，计算无人机起降位置的垂向区间，综合考虑电池续航时间、地面实际分辨率等因素，对航高进行进一步的计算、优化，从而获取航测作业最佳的飞行高度。

航线的优化：主要体现在以下三个方面。首先，减少侧风的不利影响。进入测区后根据天气情况（比如风力、风向的变化），优化航线，避免无人机作业飞行方向与风向相垂直，尽力降低侧风对无人机的干扰，确保无人机飞行姿态稳定;其次，尽量减少航线中的拐点或转折点，降低无人机不必要的加速、减速、转向等所造成的电量消耗，延长飞行器有效作业时间、提升作业效率;再次，对于切割较强的山脊、山崖或采坑陡壁等部位，可根据实地情况考虑是否增加航次、加密航线，提高数据采集的质量;最后，通过优化航线，使飞行路线尽可能平行于遮挡物的边线（比如山脊线）作业，必要时“人随机走”，尽可能保证无人机可以获取足够强度的遥控器信号，避免出现信号中断、丢失的情况，消除坠机的隐患。

2 航测作业重叠率不足

对地形切割强度估算有误，局部地形强切割地段（诸如陡峭的山脊或者矿山露天采坑侧壁陡崖）会出现重叠率不合理而影响航测质量的问题，甚至导致影像拼接变形或出现空洞。

针对强切割陡坡地形，可以采用“井”字型航线规划加密航线，同时适当降低重叠率以提高作业效率，保障足够的重叠率。考虑到续航时间的限制，尽量采用“打补丁”的方式，针对某些特殊片区进行加密航线。以大疆精灵四为例，根据经验：深切割山区非“井”字型布设航线：航向、旁向重叠率一般在75%以上;“井”字型布设航线：航向、旁向重叠率降低至65%左右仍可满足作业需求。

3 气候、阴影对航摄影像的影响

1）气候：山区气候多变，主要表现在大风天气风力干扰下，尤其是侧风，使得无人机飞行姿态难以控制，航测质量下降。作业前根据风向，合理规划航线，尽量使航线与风向平行，降低侧风的干扰。

2）阴影：深切割的山区，山体阴影巨大，对成像质量有明显的影响。为保证正射影像质量，可选择在接近正午的时段开展航测作业。

4 操作手的活动区域规划

通常，深切割山区很难避免遥控器信号传输受阻的现象。因此，在诸项作业参数选定后，根据实地情况对操作手可能的活动区域进行规划。操作手的活动区域主要满足以下条件：作业时，预判飞行器信号可能受到干扰时，移动最短的距离即可及时排除遮挡物的信号阻扰。通常，在遮挡物规模不大的情况下（比如独峰），该区域可选在遮挡物周边;若遮挡物为狭长山脊，操作手活动区域则尽量选择远离遮挡物的平缓高地。

5 结语

深切割山区航测作业，认真判读卫星影像、现场充分踏勘了解的基础上，综合考虑山体走向、切割强度、坡度、阴影、气候等因素，合理架设基站，规划布设航线、航高、重叠率，方可保质保量完成作业任务。

参考文献

[1]Phantom4_RTK用户手册.

[2]Phantom4_RTK全系列说明书.