低空微型智能一体化无人机的安全航拍实测分析

邝 磊

近年来出现的低空微型一体化无人机，让民用无人机进一步向低成本、轻量化和智能化发展，令航拍操作更为便捷。但当航拍技术走向普及的同时，人们的着眼点大都在航拍作品的创作上，对飞行安全的关注度并不足够。作者以“无人机”“航拍”“航拍安全”“无人机飞行条件”等关键词在中国知网中进行文献检索，共筛选出关联度较高的12 篇文献资料。研究论文的研究着眼点主要涉及无人机航拍的技术应用（3 篇），无人机航拍创作技法（6 篇）和无人机航拍的基础操作（3 篇），涉及无人机航拍安全的专门研究甚少。通过查阅无人机安全飞行操作手册，专业书籍和网络论坛资料，结合作者利用DJI Mavic Air 微型无人机的航拍实践案例，将主要观点提炼和总结如下文所示。

1 无人机的产品说明手册及免责声明和安全操作指引手册的解读及相关项目分析

查阅DJI Mavic Air 机型的产品说明手册和免责声明和安全操作指引手册，将其中有关安全飞行的内容和分析如下：

1.1 产品说明书中对飞行极限参数的描述

了解飞行器的飞行极限参数是对航拍安全的最重要的保障。Mavic Air 的产品说明书中明确指出，该款无人机的最大起飞海拔高度为5 000m；在无风环境下，最长飞行时间为21 分钟，最长悬停时间为20 分钟；最远续航里程为10km；最大可抗风力为五级风；工作环境温度范围为0℃至40℃。

1.2 飞行条件要求

飞行条件指的是飞行器赖以正常工作的气象和地形环境等条件。在Mavic Air 的飞行要求中，明确规定在四级或以上的风力、雨、雪、雷电和有雾的恶劣天气下不能飞行。该要求的“注意”事项中特别指出，智能飞行电池性能会受到空气密度和环境温度的影响，且在遭遇火灾、爆炸、雷击、暴风、龙卷风、暴雨、洪水、地震、沙暴等灾害时不得使用飞行器。

1.3 无线通信的要求

无人机的无线通信过程是双向的。一方面，无人机需要接收遥控器发出的指令，完成相应的飞行操作；另一方面，无人机也会实时发出飞行和影像数据返回至遥控器中，让操控者看见飞行器当前的状态和影像画面，这就是俗称的图传。在飞行过程中，图传的丢失是最重要的飞行安全隐患之一。

Mavic Air 的免责声明和安全操作指引手册中对无线通信环境的要求包括：拍摄环境开阔空旷和排除其他无线设备干扰。

1.4 智能飞行电池的使用说明

智能化无人机的电池性能是直接影响飞行安全的主要因素之一。电量不足会引发飞行性能下降，严重时会导致发动机的不正常停机，造成坠机意外。Mavic Air 的智能飞行电池类型为LiPo 3S，容量为2375 mAh。这款电池属于锂电池，因其在低温环境下性能降低可致飞行时间缩短，故此说明书另列出了在低温下使用电池的注意事项，提示在-10℃至5℃下使用电池，电池容量将骤减，在-10℃以下的环境下电池将无法使用。同时，说明书提示了低温条件下使用电池的注意事项。

1.5 关于自动返航

自动返航功能是智能化无人机的重要安全保障之一。在丢失图传，GPS 信号不稳定，电池容量低等情况下，智能化无人机可自主切入返航模式，根据起飞时最新记录的返航点自动返航并降落。说明书中也特别提到了自动返航需满足的条件，以及遇到不利因素影响时可能出现的返航安全问题。

1.6 关于视觉系统

无人机的视觉系统又称为“视觉避障系统”，主要由一系列避障镜头和传感器、处理器组成，可让无人机在一定的飞行模式下实现自主刹车、提高飞行高度以实现避障。Mavic Air 的视觉系统由前视、后视和下视觉系统组成，主要用于识别观察范围之内的障碍物，在有效距离内刹车并后退到安全距离，之后自主升高至无法检测到障碍物，再以当前高度继续飞行。此外手册还对视觉系统的工作条件作了详细描述。

2 Mavic Air 在各类临界飞行条件下的航拍实测及技术分析

出于安全飞行考虑，无人机驾驶员必须在产品所限定的飞行条件下完成飞行和航拍。然而，户外航拍有诸如气象条件变化等诸多不可控因素，在临界飞行条件下执飞是不可避免的。以下是作者在几种常见的临界飞行条件下航拍实测及技术分析。

2.1 飞行途中突遇降雨

航拍地点：杰古沙龙冰河湖（Jökulsárlón）的钻石沙滩。

航拍时刻及天气条件：夏季午后，多云转阴有小雨，气温8℃，风力1-2 级。

航拍设备：DJI Mavic Air。

当日起飞时刻为多云天气，返航途中突遇小雨。考虑到雨势不大，且距离起飞点不足400m，作者并未实施紧急迫降，而是手动控制Mavic Air 远离人群，升高到30m 后返航。

重放返航视频，可见画面右方大面积的，呈同心旋转运动状态的条状阴影（应为桨影）。降低飞行速度后，画面中能清晰地看到桨翼激起的雨花。两者都影响了航拍图像的清晰度（图1）。除此之外，航拍过程中并未出现任何异常。

图1 无人机的桨影和水花影响航拍图像清晰度

Mavic Air 没有特殊的防水设计，雨天航拍有可能导致电机进水，形成短路而引发动力系统失灵。因此，为了延长无人机的使用寿命，应遵守飞行安全守则，不在雨天飞行。若在飞行途中突遇降雨，应立即将无人机飞行至安全位置降落。

2.2 抗风能力实测

航拍地点：大西洋海滨公路（Atlanterhavsveien）。

航拍时刻及天气条件：夏季上午，晴天，气温22℃，风力4-6 级。

航拍设备：DJI Mavic Air。

大西洋海滨公路是位于挪威默勒-鲁姆斯达尔郡的一条高速公路，连接埃德自治市和阿沃岛自治市之间一系列岛屿。由于地处大西洋海湾的特殊地理位置，海平面风力较高，可达4～6 级。飞行器在起飞上升过程中受风力影响颠簸幅度较大。但升高至80m～100m 高度后，颠簸渐趋平稳。从悬停航拍照片上看，图像的清晰度并未受到风力的影响。飞行和拍摄过程一切正常（图2）。

图2 4～6级风力下80m高度悬停拍摄的画面

在网上查阅Mavic Air 极限风力下的飞行案例，发现其与同级别机型相比抗风能力较强。部分驾驶员甚至飞出了6 级以上的抗风参数。但随着风力的增加，飞行器动力系统要额外增加输出以确保飞行平稳，这将增加电池续航压力。此外，在过高的风力下，悬停拍照的稳定性可通过HDR 处理弥补，但风力引起的颠簸会直接影响航拍视频的稳定性。

2.3 在高温天气下的航拍

航拍地点：普罗旺斯石头城（Gordes）。

航拍时刻及天气条件：夏季中午，晴天，气温38℃～40℃，风力2 级。

航拍设备：DJI Mavic Air。

夏季的普罗旺斯天气晴热干燥，日间地面最高温度可达40℃以上。飞行器在起飞后不久即出现了动力过载警报，降低飞行速度后得到一定改善。飞行过程中并未受其影响，航拍画面清晰（图3），电池续航能力正常。唯降落后发现电池有发热过度的现象。

图3 夏季正午40℃气温下的航拍画面

Mavic Air 的产品手册中提示40℃气温是极限飞行条件。实测显示在接近高温极限时系统会收到动力饱和警报。查阅相关资料，发现此报警是电机散热不良引起的，严重时可致动力系统失灵。此外，在高温下飞行还有可能导致电池过热，电压下降过快，续航能力大大降低。

2.4 在低温天气下的航拍

航拍地点：上川郡美瑛町。

航拍时刻及天气条件：冬季午后，晴天，气温-5℃，无风。

航拍设备：DJI Mavic Air。

航拍点位于上川郡美瑛町郊外的一片天然林，积雪达50cm 以上。起飞地点为天然林前的停车场，当日天气晴好，无风无雪。升空悬停时即收到GPS信号弱的提示，飞行过程中有动力饱和警告，升空至30m 后转向飞至天然林上空时，再次出现GPS 信号弱的警示，飞行器进入姿态模式，随后图传信号丢失、黑屏，飞行器与遥控器失联。当即停止拨杆，调整遥控器天线多次尝试与飞行器重联，直至再次出现图传信号后，手动开启自动返航。此刻再次收到GPS 信号弱的提示，随即从图传画面上看到飞行器失控侧翻，随后DJI Go 4 卡停，重启软件后，飞行器与遥控器无法再次重联。10 分钟后，从飞行记录参数上判断飞行器已坠落山间密林中（图4）。

图4 冬季-5℃下飞行器失联后坠机的DJI GO 4飞行记录页

查看飞行记录，判断此次坠机意外由以下三个因素造成：

其一是低温天气严重影响了电池续航能力。此次飞行前对电池预热时间不足，电池未能达到理想的工作温度（25℃）。且因GPS 信号弱，飞行器与遥控器多次失联，导致电池电量回馈信息不准确。由于低温影响，亦不排除电池有主动关机以避免电芯过放的情况发生，直接导致动力系统停车。

其二是低温天气加重了动力系统能耗，动力系统最大推力不足以维持飞行。此次起飞时有满油爬升的拨杆操作。飞行器在持续大功率工作时，电池维持大电流放电；而冬日的低温会使电池压降进一步加大。同时由于电池本体温度偏低，电压会被迅速拉低，造成电压严重不足而进一步导致了动力系统失灵。

其三是GPS 信号弱影响了自动返航功能的实现。自动返航功能的正常运行有赖于以下几个条件：GPS 信号足够强、智能返航功能已启动、足够的返航高度以及飞行器处于遥控器的通讯范围内。由于GPS 信号弱，飞行器与遥控器历经多次失联和重联，自动返航功能无法正常启动，飞行器无法及时自动返航。

2.5 亚高海拔地区航拍

航拍地点：瓦娜色国家公园(Vanoise National Park)海拔2 600m 左右。

航拍时刻及天气条件：夏季午后，晴天，气温16℃，风力3 级。

航拍设备：DJI Mavic Air。

此航拍点位于阿尔卑斯山区的瓦娜色国家公园内。起飞当日天气晴好。起飞后因右侧大型山体的遮挡，曾一度出现GPS 信号短暂变弱。总飞行距离不足500m，升空高度为110m，主要为悬停拍照。飞行时长将近6 分钟，耗电却已达72%。其间数次出现动力饱和警告（图5）。

图5 亚高海拔环境下的航拍画面

Mavic Air 的高海拔飞行极限为5 000m。在高海拔地区飞行作业时，空气稀薄，导致桨叶旋转时动力不足。此时应在遥控操作尽量保持平缓姿态，避免大幅度的拨杆操作，并随时检查动力系统和电池容量，缩短航拍时间，及时返航。

2.6 大面积反光水面、雪地表面环境下的航拍

航拍地点：老斯特林山路(Old Strynefjell Mountain Road)。

航拍时刻及天气条件：夏季上午，多云，气温14℃，风力3 级。

航拍设备：DJI Mavic Air。

老斯特林山路是位于挪威的Videseter 和Grotli 之间一段27 公里长的国家旅游公路。航拍当日天气条件佳，起飞时刻GPS 信号强，却在飞入下图所示的大片湖泊上方时频频提示避障功能失效，飞行器自动切入返航模式。考虑到航拍工作状态良好，且周边无障碍物，手动取消自动返航，完成航拍后安全降落（图6）。

图6 反光水面上方悬停正常的航拍画面

此次避障功能失效的报警与飞行器悬停于湖面上方有关。在之后的航拍中作者发现，同样的情况亦出现在雪地和大面积田地的航拍中。避障功能的实现有赖于视觉系统的正常运作。Mavic Air 的产品手册中所列的视觉系统失效的环境中，就包含“纯色的、透明的、有强烈反光或倒影的表面，如水面、雪地。”在这些特殊拍摄环境中，由于视觉系统无法正常工作，避障功能将失效。此时驾驶员应提前规划航拍飞行路线，确保飞行器的无障碍飞行。

3 实测总结及飞行安全策略

无人机驾驶员必须重视飞行安全问题。在航拍前必须严格进行安全检查，在起飞、飞行、航拍及返航降落过程中，密切关注各种系统警报，始终把飞行安全放在第一位。为此，作者提出以下几点低空微型智能一体化无人机的飞行安全策略：

3.1 飞行前安全检查

1）了解当地无人机飞行和航拍的法律法规，禁止在禁飞区和飞行权限外的限飞区飞行。

2）避免驾驶非防水设计的无人机在雨雪环境中飞行。

3）熟读无人机产品说明和安全飞行手册，了解其安全飞行条件，并严格遵守安全飞行操作指引。

4）确保智能飞行器电池满格，遥控器和手机电量充足。

5）正确安装飞行器电池和桨翼。

6）完成电池预热、指南针校准、GPS 信号测试后再起飞。若发现以上指标有任何不符合起飞的条件，或在飞行控制页面发现任何指标报警，都不应盲目起飞。

7）启动飞行器确保桨翼运转良好，无异常声音。

8）事先规划的飞行路线，确定拍摄范围、拍摄点、飞行路径和返航策略。

3.2 飞行中安全策略

1）起飞后原地升高至10m 左右悬停，等待系统自动记录返航点后再飞离起飞点。

2）根据现场飞行条件和航拍要求，选用合适的飞行模式，按预先规划好的飞行路线，飞至航拍点进行拍摄后返航降落至原起飞点。

3）飞行过程中应随时关注警报提示，检查GPS信号强度和电池剩余容量，保证留有充足的电量返航。

4）如遇天气情况骤变，拍摄环境变化，飞行器异常报警，应立即中止航拍并返航。遇到紧急情况时，则应以保护地面的人、动物和设施为主，手动控制飞行器使其就近降落在安全地点。

3.3 降落后安全检查

1）清洁飞行器镜头、视觉系统镜头、桨翼以及机身各部件。

2）检查机身各部件和桨翼有无破损、变形。

3）检查遥控器和手机的电量是否充足，待飞行器电池降温后进行充电。