基于固定翼无人机的航空影像获取方法

刘 辉

（辽宁省自然资源事务服务中心—辽宁省基础测绘院，辽宁 锦州 121003）

0.引言

近些年，无人机以低费用、灵活性强、风险低、操作便捷等优势越来越多地应用到各个行业领域，日益贴近我们的生活，该项技术也处于高速发展期，逐渐趋于成熟。固定翼无人机在测量领域里的运用非常广泛，携带相机等测绘设备，一架续航时间2.5h、时速80km的电动固定翼无人机，一个架次就可以测绘20km2的面积，这在地震、洪水等自然灾害发生后的应急救援中的优势尤为明显[1]。固定翼的气动效率特别高，因此续航长、活动范围大，在大范围监控中，特别是森林防火中的表现尤为突出，同时，固定翼无人机还是偏远地区的输电线路、石油管道等长距离巡检的利器[2]。

UV20无人机系统是基于GPS导航的全自主无人驾驶航空飞行器系统，电动航时1:30，系统通过携带任务载荷（佳能5D III数码相机）执行遥感飞行任务，能够全自动、高精度地获取遥感数据，起飞回收方式为弹射起飞、伞降回收，按照程序自动完成弹射和开伞过程。

1.UV20无人机系统构成

UV20无人机系统主要由飞行器、飞行控制系统、数据链系统、地面站系统、任务载荷系统、弹射器系统组成。

飞行器包括飞机机体（机身、机翼、尾翼等）、动力推进装置、飞行操纵装置、供电系统。

飞行控制系统也称自驾仪，飞机的飞行控制主要由自动驾驶仪完成。负责无人机导航与控制，完成无人机的自主起飞、爬升、巡航、降高及回收，是系统最关键的部件，UV20无人机航摄系统的飞行控制系统使用加拿大Micropilot公司MP2028型号自动驾驶仪，集成了无人机自动驾驶仪的全部功能。

数据链系统是使用电台（遥控发射器）通过天线发射无线电，与飞机实现数据通讯，完成数据传输实现控制和监测飞机状态等作用。

地面站系统主要是利用地面控制软件，配合地面的数据通讯系统，完成对无人机飞行的航线规划、各类状态检测、关键数据监测、飞行数据（如，无人机位置、速度、高度等）、航线的实时监测和更改、控制任务载荷等。地面站软件界面包括三大功能区，分别为地图显示区、控制区、实时测控区。显示地图、航线、飞行轨迹、飞机位置、姿态、高度等信息。控制飞行和任务载荷功能（如，相机试拍、紧急返回、取消作业）。监控飞机当前位置、高度、飞机的姿态、空速、地速、相机曝光位置、飞行时间、动力电池余量等。

任务载荷就是无人机平台搭载的各种任务设备，如，摄像机、雷达等。传感器的搭载要根据工作需要，当然也得考虑无人机平台的载荷，还要具体传感器的工作条件要求[3]。本套UV20无人机系统搭载了佳能5D markⅢ数码相机，配备35mm定焦镜头。

弹射器由滑道、橡皮绳和小车绞盘、拉力计等组成。为了方便运输，滑道为3段可折叠式设计，每段1m，滑道组装完成后，总长3m；位于弹射架后端的绞盘，则是通过12v蓄电池驱动下，拉动小车增加弹力的装置。

2.UV20无人机系统最低作业条件

通过多次测试，总结该套UV20无人机系统应用在各类影像获取工作中的经验，得出了固定翼无人机在作业时需具备天气、地理环境等的最低条件。

2.1 起降场地的要求

2.1.1 地形和障碍物因素

由于UV20无人机系统需要依靠弹射器起飞，依靠降落伞自然落体降落。起飞时有一段低空滑起的过程，降落时有一段开伞飘落的过程，因此对起飞场地周边环境的要求非常高。我们通过大量的实际飞行，总结分析了起飞、降落相关数据，确定了起降场要求为：地势平坦[4]，起飞方向1000m、左右500m不能有障碍物（如，旗杆、电线杆、树木等）。

2.1.2 风速、风向等因素

风对于起飞、伞降的影响都是非常大的，起降场位置要求风速和风向一定稳定，一般要选择山坡的迎风面，尽量不选择在山坡的背风面和山谷内，因为这里的风在受到地面起伏影响时会形成乱流，风速、风向都极为不稳定，影响飞机起飞甚至摔坏飞机。在飞机降落过程中，容易出现场地里的风速和风向与空中的不一致情况，导致操作人员在预判飞机的空中开伞点不准确，造成飞机降落时飘向无法控制的区域，严重的可能损坏飞机。

2.1.3 地面站电台链路因素

地面电台需要实时监控无人机的飞行姿态，并在发生紧急情况时对无人机进行操控，最好要保持电台与飞机之间没有遮挡，确保链路通畅。因此要求起降场地与任务区的连线方向不能有高大的建筑物和山体等遮挡。另外，电台的发射半径为30km，因此起降场与任务区距离应不超过30km。

2.2 最低的天气条件要求

雷雨、阴雨天气不能飞行，主要是因为UV20无人机系统由很多电子元件组成，很多元件没有进行防水设计。

风速大于为8m/s不能飞行。因为风速大于8m/s时，飞机按照巡航速度飞行时，顺风空速会降低到飞行速度标准以下，导致飞机无法保持姿态发生危险。

受地面电台功率发射半径大约30km的限制，总结出起降场地距离任务区需要低于30km。

3.影像获取与处理

固定翼无人机航摄系统作业流程分别为前期准备、实施航摄、数据分析和检查及成果整理（如图1所示）：

图1 影像获取作业流程

本文以在辽宁省北票市炒米甸子村开展的航飞试验为例，按照上述作业流程进行数据获取。

3.1 影像获取区域概览

飞行区域位于北票市炒米甸子村，测区内地形主要为丘陵地，面积约60km2，地面分辨率15cm。根据对场地和周边环境的要求，设计飞行高度1200m。摄区范围示意图（如图2所示）：

图2 影像获取范围示意图

3.2 前期准备

3.2.1 机载动力电源充电

调整充电器充电电流为2A到3A，对电池进行充电，直至充电器自动判断充电完成。紧急情况下，任务十分紧急，使用快速充电电流5A对电池进行补充电操作，为了提高电池的寿命和确保性能的可靠性，不建议频繁的大电流充电操作。

3.2.2 地面站计算机

外场作业前，对便携式计算机的可靠性进行评估，不应使用存在故障隐患的计算机，包括：计算机启动或运行过程中系统长时间失去响应、计算机启动或运行过程中蓝屏、计算机输入输出设备故障或疑似故障、可能存在病毒或蠕虫入侵、计算机响应速度过慢。确保计算机电量充足，以满足外场作业笔记本电脑的供电需要。

3.2.3 弹射架蓄电池充电

外场作业前，保证弹射器绞盘供电蓄电池电量足够，确保弹射器正常工作。

3.2.4 弹射架检查

检查弹射架的滑轨是否有变形，橡筋是否有破损，发射扳机能否正常打开、关闭。

3.2.5 测区地图缓存

打开地面站软件，找到任务区域，标绘范围点至地面站软件中，下载范围内地图（缓存至15层），下载完成后，预先规划航拍航线，在任务区域30km范围内，预选满足条件的起、降场地，备选2-3个。

3.3 实施航摄

3.3.1 起飞点、起飞方向确认

综合考虑起降场地的地理条件、风向、风速等多方面因素，将起飞点选在起降场地长边的下风处，起飞方向对准场地内迎风方向或长边方向，即起飞方向对着东北方向。

3.3.2 弹射架组装

将三折式弹射架安置在起飞点位置上，将弹射架拉开并锁定紧固螺栓，调整方向使其对准起飞方向，再将弹射架后方脚位固定到场地上，在其后方钉入固定销子，以防止其反弹，将前方脚位调整至合适高度，使其仰角满足UV20无人机的起飞角度。调整后方脚位，确保弹射架滑道的后端处于水平状态；调整弹射架前方脚位，确保弹射架滑道的前端处于水平状态。

3.3.3 弹射架测试

将组装好的弹射架安置好后，对其进行检测。首先，将小车拉至弹射架底端，锁定小车开关，插上安全销，将试射铁鸟安置到小车上，然后，使用绞盘将橡皮绳加力，当绞盘拉力显示为210N时，拔出安全销，打开小车开关，将铁鸟释放出去；最后，量取铁鸟从弹射架顶端至落地点的距离，距离超过20m，证明弹射架姿态良好，可以正常使用。

3.3.4 飞机组装

弹射架安置好后，进行飞机的组装，主要包括机翼、尾翼、动力电池、飞机回收装置（降落伞和气囊等），任务载荷（数码相机）等的安装。

3.3.5 地面站设置

在地面站架好天线，将天线的同轴电缆与电台端口连好，再将电台的数传USB连接线接口接到地面站电脑的USB口上，并安装好电台驱动。

3.3.6 起飞前UV20无人机检查

将组装好的UV20无人机安置在弹射架的小车上，锁死小车后开始检查飞机状态。先将地面站通过电台与飞机连接，建立连接后在地面站上检查数传状态，检查飞机传给地面站的信息是否正确，包括飞机的位置、空速等信息，着重在地面站上检查动力电源是否高于25v；测试发动机转速，给飞机起飞指令、检查飞机转速是否高于6900r/s；检查无人机回收装置，测试降落伞打开功能，检查伞舱盖是否能正确打开，检查气囊充气功能；检查任务载荷（航摄相机），试拍像片，检查相机是否正常拍照。一切检查和准备就绪后，等待执行任务。

3.3.7 执行任务

将航摄计划上传到无人机飞行控制器中，按照放飞程序将UV20无人机弹射升空。无人机弹出后，由飞行控制器进行自动控制，爬升到300m高度后空中待命盘旋，地面站操作员确认系统工作正常后，点击作业按钮，安排无人机进行航拍作业，无人机到达预定航线和预定高度后，开始逐航线获取像片，完成一个架次后，自动返航，并在起飞点上空300m高度盘旋。

3.3.8 UV20无人机的回收

无人机在自动返航后，在上空盘旋等待指令，这时，综合考虑场地地理条件和风速、风向（影响飞机开伞后飘落方向和距离）后，确定降落伞的开伞位置，然后启动回收程序，降落伞打开后，地勤人员第一时间赶到飞机落地位置，将降落伞和飞机快速分离，防止降落伞拉扯飞机在地面上拖拽，造成飞机受损。

3.4 航摄设计

飞行区域面积60km2，按照UV20无人机的性能特点和航摄相关技术要求设置参数如下：分辨率为15cm，旁向重叠度50%，航向重叠度80%，航线角度为35°。按4个架次规划航线，4个架次的航线设计分别如下，架次1：覆盖范围8km2，航线角度340°，航线数量8条，航线总长114km；架次2：覆盖范围16km2，航线角度340°，航线条数8条，航线总长59km；架次3：覆盖范围19km2，航线角度340°，航线条数8条，航线总长58 km；架次4：覆盖范围18km2，航线角度340°，航线条数9条，航线总长60km。

3.5 数据分析和数据检查

数据分析和检查主要包括：数据下载、数据检查、数据质量评估、测区覆盖情况检查等。

3.5.1 数据下载

主要包括像片数据和机载POS数据下载，本测区共拍摄像片1226张，记录POS点位信息1226个，通过对POS数据与下载像片的数量进行分析比对，数量一致，可以将POS点位信息与像片号相对应，制作mark文件。

3.5.2 数据检查

数据检查主要含测区覆盖情况、像片效果检查。使用ArcGIS软件将POS的经纬度数据，绘制展点图检查测区覆盖情况。之后逐片进行像片质量检查，本测区的航摄像片均十分清晰、层次分明、没有污点、云雾等遮挡等情况，质量合格。使用POS数据检查像片获取范围（如图3所示）：

图3 使用POS数据检查像片获取范围

3.6 使用PhotoScan软件快速生成影像

使用PhotoScan软件制作影像数据共分为三个主要步骤，分别为数据准备、数据解算工作流和数据成果输出。

3.6.1 数据前期准备

先将原始像片（JPG或者TIF格式）和POS参数文件（.TXT后缀）引入到软件中，打开地理参考选项卡、匹配像片和POS数据，完成数据加载工作。

3.6.2 影像制作

影像制作的流程包含对齐像片（像片的相对定向）、优化对齐方式（无约束空中三角测量）、量测像控点、再次优化对齐方式（约束空中三角测量）、空三精度分析、生成密集点云、生成网格、建立DOM等。

对齐像片的精度参数可设置为最低、低、中、高、超高，随着相对定向精度的提高，效率逐渐降低，一般选择中等或高等精度即可。在进行13个共线方程参数的设置和优化后即完成了无约束空中三角测量。量测像控点时，将像控点坐标导入地理参考选项卡中，逐点位进行量测，准确量测像片上像控点的同名点位后，再进行一次优化对齐，完成约束空中三角测量。统计并分析像控点精度情况，剔除粗差，保存空三成果。制作影像需要逐步生成密集点云、网格（DSM），最后生成正射影像（DOM），一般情况下，选择像片原始分辨率生成DOM。

3.6.3 成果输出

输出正射影像成果时，在软件中配置输出参数，包括影像格式、地面分辨率、建立TFW文件和金字塔文件、是否裁切等，最后，导出正射影像（DOM）成果。后续可以按需导出包括项目概况、相机标定、地面控制点精度、处理参数等信息在内的项目生产报告。

3.7 成果整理

将检查后的数据成果封装起来，建立专用目录，包括：“原始数据（POS数据、像片数据）”影像资料（TIFF格式）”等文件。

4.结论与展望

通过上述对固定翼无人机详细地分析和阐述，总结出以下的飞行使用条件：通常航线长度超过200km，并且周围30km范围内能够找到适合的起降场，天气适合的条件下就可以优先考虑使用固定翼无人机进行航摄；当风力达到4级以上时，一般只考虑使用固定翼无人机；当航摄面积较大，超过60km2，地面分辨率可以放宽到15cm及以上时，多数考虑使用固定翼无人机。

无人机以其广阔的发展前景和应用领域受到了越来越多地关注，固定翼无人机作为无人机家族中重要的一员，只有不断总结并优化操作方法，才能发挥其做大效能。本文总结的固定翼无人机作业流程具有普适性和较强的实用性，能够对类似项目的实施提供一些参考。