免像控无人机数字航空摄影技术在获取高原湿地高精度影像中的应用——以祁连山国家公园酒泉片区甘肃盐池湾国际重要湿地为例

赵永成，李俊芳，张 帆，宋智军

（1.甘肃盐池湾国家级自然保护区管护中心，甘肃 酒泉 736300；2.宁夏天昱科技有限公司，银川 750000）

近年来，越来越多的测绘行业无人机及无人机遥感平台的研发，使得数字航空摄影技术的遥感系统更加完善。在大面积和复杂地理环境下（如高原、湿地、雪山和冰川等）的航空摄影作业常常受制于无像控点的原因不能快速获取高分辨率的影像。在此类特殊地理环境下，免像控无人机结合星链RTK 进行数字航空摄影作业，一方面可快速获取高分辨率影像及高精度控制点数据，另一方面可野外预先快速实测影像未能分辨的地物要素，提高大比例尺地形图成图的完整性和工作效率。

1 免像控无人机系统和数字航空摄影技术概述

免像控无人机航空摄影技术是一种新的数字测绘航空摄影技术，是通过用高精度RTK 和惯导测量控制单元（IMU）快速采集无人机航测时的精确位置和无人机姿态信息，为数据的内业处理工作提供更为准确与可靠稳定的起算数据，提高任务结算的精度从而有效达到免像控目的[1]。

1.1 飞马免像控无人机系统平台

飞马D2000 无人机系统是飞马全新研发的一款小型、长航时但同时能满足高精度测绘、遥感及视频应用的多旋翼无人机系统，具备多源化数据获取能力。全系统模块化分解后可集成在一个作业箱中，便于携行。其主要性能指标有：空机重量2.6 kg，最大起飞3.35 kg，最大载重750 g，最大飞行速度20 m/s，差分GPS 20 Hz，最大起飞海拔6 000 m，图传大于等于5 km，数传大于等于20 km，工作温度-20～45 ℃。

D2000S 无人机配备高精度GNSS 板卡，支持PPK、RTK 及其融合作业模式，可实现稀少外业控制点或一定条件（地物特征丰富）下无控制点的1∶500 成图，支持高精度IMU 获取及精确POS 辅助空三，实现免像控应用。其主要性能指标见表1。

表1 双频GPS 导航模块参数

D2000S 无人机是一款有多模块化载荷的四旋翼无人机系统平台，外部可以搭载不同的载荷设备实现不同的任务作业。其搭载的5 个载荷模块为航测模块用于正射影像作业，倾斜模块（五镜头）用于倾斜摄影生产实景三维模型的作业，同时还可以搭载可见光视频模块、热红外视频模块、热红外遥感模块3 个模块。因而具有很强的数据获取能力，既能实现高精度的测绘，还能实现遥感监测和视频监控等作业目标。

其任务载荷采用模块化设计，搭配航测模块满足航空摄影技术，即遥感监测应用，可实现目标识别、目标定位、目标实时追踪和目标位置、速度估算等功能。同时配合无人机管家专业版软件，可实现精准的地形跟随飞行，保障影像分辨率一致性同时提高分辨率。支持从精准三维航线规划、三维实时飞行监控、控制点量测到空三处理全流程作业，提供DOM、DEM、DSM 和TDOM 等多种数据成果及浏览。

1.2 数字航空摄影技术

航空摄影是利用航空设备搭载光学相机在空中对地面或者空中目标进行摄影，从摄影方式和像片倾斜角度分为垂直摄影和倾斜摄影。随着无人机的不断发展，航空摄影也越来越成熟稳定，无人机航空摄影技术也被普及于各个行业的各种业务中。当前，无人机航空摄影技术以全数字航空摄影理论为基础，搭载数字摄影测量系统完成。无人机航空摄影因其低空飞行而获取影像的精度高，反应速度快，作业成本低，特别是不惧复杂且特殊的地理环境等特点，被广泛用于测绘，水文、矿产资源的调查和农林牧业的监测中。

2 免像控无人机在高原地区航空摄影作业的关键技术

2.1 高原地区对无人机飞行的影响因素

无人机飞行设计本就是属于低空飞行设计，在海拔低的平原地区飞行是不受影响的。但是当在高原高海拔地区就要考虑以下几个方面的问题。

1）海拔高度升高时，大气密度将明显降低，致使温度下降，空气稀薄，导致发动机输出功率会随着高度明显下降。此时对于无人机来讲，就要考虑旋翼总需用功率，要设计并使用面向高原桨叶，使无人机在高原地区的大气环境下有足够的升力[2]。

2）高原高海拔地区的气候条件通常比较恶劣，尤其是在重叠的山脉中，往往自有“小气候”存在，导致气候变化差异性大。比如，突如其来的大风、雨雪和浓雾等气象条件都会对无人机飞行造成很大的影响。在高原地区无人机飞行作业一定要事先了解气象情况，勘察现场，飞行作业之前要预留足够的时间观察现场并记录有无“小气候”的存在，做足地面保障工作和飞行保障工作，确保无人机安全航摄作业。

3）高原地区平均气温通常较低，甚至常年在零度以下。从事航空摄影作业的无人机为电动无人机。电动方式稳定性高，不易抖动，飞行时飞机姿态平稳，这点对于光学相机的摄影至关重要。实验表明，无人机的锂电池的作业环境在气温低于4 ℃时，锂电池电解液会变稠或凝结，使电池充、放电效率和电池电量降低，导致无人机的续航时间大大缩短，影响飞行作业。在高原地区进行无人机航空作业时要尽量选择春夏两季，且未作业时要对电池注意保温，在作业时也应对电池先进行预热，作业中也要时刻注意无人机电量变化，保障有足够的电量返航，以免发生低电量无法安全返航而坠机[3]。

2.2 免像控无人机在高原数字航空摄影的技术方案

无人机航空摄影作业通常指的是免像控无人机数字航空摄影。数字航空摄影作业是结合地理信息即地面控制点完成。但是在高原地区，由于海拔高、地理环境特殊、气候条件恶劣等因素，通常这些地区无网络覆盖。在无网络覆盖的情况下，免像控无人机就无法基于千寻位置平台、省级CORS 和移动CORS 等高精度定位平台获取地面控制点和坐标信息，因而不能实现免像控数字航空摄影，此类情况下就要布设像控点。当然，在平原地区布设像控点很容易，在高原地区通常有两大障碍。一是高原地区往往没有就近的已知控制点，二是较远的控制点不能直接使用，需要由远到近不断引点。引点不仅受制于距离和高原特殊的地理环境，如高原、湿地、雪山和冰川等，而且引点的误差是积累误差，这对于测绘精度的影响较大，成本也是巨大的。由于以上两大障碍，导致常规的航空摄影技术方案在高原地区是无法实现作业任务的。

基于以上所述情况，在高原地区无人机数字航空摄影就需要新的技术方案。通过理论指导和试验尝试，有2 种技术方案是可行的。一是RTK 无人机与星链RTK 基准站结合进行厘米级别的高精度定位的航空摄影作业。二是选用PPK、RTK 及其融合作业模式的无人机和星链RTK 结合进行厘米级别的高精度定位的航空摄影作业。这2 种技术方案的地面站RTK 都必须选用星链RTK，区别与平原地区的传统地链RTK。通过理论研究和实践，在高原地区的无人机数字航空摄影更适合于第二种技术方案。其技术方案示意图如图1 所示[4]。

图1 PPK／RTK 无人机与星链RTK 技术方案示意图

依据这种技术方案，选用飞马D2000S 无人机和千寻星距SR3 Pro 星链RTK。其优势是充分利用了飞马D2000S 免像控无人机所配备的高精度GNSS 板卡，D2000S 支持的PPK、RTK 及其融合作业模式与基于星链的千寻星距SR3 Pro RTK 厘米级别的高精度定位的结合，相较于传统的不支持PPK 作业模式的单RTK作业模式的无人机定位精度高，工作效率高，工作半径大，操作简便。

2.3 免像控无人机在高原数字航空摄影的关键技术

2.3.1 相机校验技术

无人机系统中载荷的航测相机是属于非量测相机。顾名思义，非量测相机不能直接进行测量。当用于数字航空摄影的时候就要对非量测相机进行高精度校验，也就是解决相机的畸变差问题。校验的方法是基于空间后方交会模型的试验场检校法，即通过拍照的已知空间坐标点，依据单片空间后方交会解法或多片空间交会解求外方位元素以及其他影响光速形状的要素[5]。

2.3.2 PPK 和INS 技术

PPK 技术，即动态后处理技术，是利用载波相位进行事后差分的GPS 定位技术。由于无人机体型小，在飞行过程中受到来自大气压和风力的因素会使飞机姿态受损，对采集的数据精度有所影响，需要做修正。而PPK 技术就是一种动态后处理技术，能够用来自行修改相片位置、纠正数据信息，保证数据精度不会受损。而且PPK 技术还能够克服部分气候带来的不利影响，其应用原理在于先借助接收机、流动站测量卫星载波机位，然后利用PPK 技术纠正、确认相关数据信息。INS 技术则是惯性导航系统，该技术不依赖于外部信息就能够自动调整数据信息，并绘制相关图像，是一种自主式导航系统，其应用原理在于根据惯性空间力学定律计算运动速度、旋转角度等数据，最后进行调整和确认[6]。

3 项目实施

3.1 项目区域概况

项目研究区域隶属于祁连山国家公园酒泉片区，具体为盐池湾国际重要湿地，面积约为200 km2。其位于青藏高原北缘，祁连山西端，孕育了冰山冻土、高山寒漠、高山草甸草原、湿地和荒漠生态系统。其中冰川和湿地在祁连山疏勒河流域水源涵养、水土保持方面有着无可替代的重要作用。

3.2 项目作业流程

无人机数字航空摄影的工作应用于各类不同的项目中都有相应的作业流程，以便更好地进行作业任务，最主要的是按照流程做好流程每个环节的技术要点工作。高原湿地变化的监测流程如图2 所示。

图2 项目作业流程图

3.3 项目实施中具体应用要点

3.3.1 明确作业任务需求，正确选择摄影方式

无人机数字航空摄影技术分为垂直摄影和倾斜摄影。摄影方式的选择是根据作业任务需求的不同而确定，一般以获取正射影像为目的的摄影方式为垂直摄影，以实景三维建模为目的的作业摄影方式为倾斜摄影。此项目研究的是高原湿地的变化，是需要高精度的正射影像，采用垂直摄影方式进行作业。

前文提到过，D2000S 无人机是一款有多模块化载荷的四旋翼无人机系统平台，外部可以搭载不同的载荷设备实现不同的任务作业。此项目作业选择搭载的载荷模板是航测模板（D-CAM3000），即垂直摄影相机模块进行作业，其主要性能指标见表2。

表2 航测模块（D-CAM3000）

3.3.2 优化航线设计，获取精准数据

数字航空摄影的目的就是获取精准的数据。在实际的航空摄影作业中，通过设计优化航线，包括无人机的飞行高度、旁向重叠度和航向重叠度等相关参数，以此达到获取精准数据的目标[7]。

研究高原湿地的变化，对正射影像精度要求是优于0.2 m 即可。采用航测模板（D-CAM3000）对项目研究区域航摄获取正射影像数据，飞行高度638 m，地面分辨率10 cm，航向重叠80%，旁向重叠60%，测区内布控3 个检查点。采用PPK/RTK 融合差分作业模式进行1∶1 000 免像控地形图精度的航空摄影规划航线。

3.3.3 航摄实时监控，动态掌握气象情况，密切关注电量情况

在高原湿地进行航空摄影作业，因其可能有“小气候”的存在，特别要注意的是摄区的天气情况。同时因为高原地区气温低对锂电池的影响较大，飞行作业时也要密切关注返航距离与无人机电池电量情况，确保无人机能有足够的电量安全返航。

3.4 数据处理及生产的要点

3.4.1 GPS 解算

通过飞马无人机管家进行千寻虚拟基站数据的下载。飞马D2000S 无人机自带PPK/RTK 融合差分模式，经PPK/RTK 融合差分解算，以及GPS 解算将大幅度提高POS 数据精度，优质的POS 数据有助于提高空三加密的精度。

3.4.2 空三加密

飞马无人机管家专业版支持“高精度GPS 免像控模式、PPK+控制点、仅控制点”3 种空三模式，可满足各种数据的处理需求。这里采用“PPK+控制点”的空三处理模式。即导入测区控制点文件，完成刺点工作后，将所有控制点设置成检查点，使用“PPK+控制点”的空三算法重新进行定向计算，并得到精度报告。

3.5 甘肃盐池湾国际重要湿地高精度影像获取的目的

高原湿地在水源涵养、气候调节、碳固定和生物多样性保育等方面发挥着重要的作用，对高原湿地的研究和监测至关重要。早在20 世纪90 年代，科研人员就开始将遥感技术应用到高原湿地的研究监测中，当然这得益于卫星遥感的快速发展[8]。但是卫星遥感属于高空摄影，在具体的研究中通常因为影像精度不高而阻碍研究，而更高精度的影像获取是需要无人机低空数字航空摄影来完成。

2014 年国家林业局印发《国际重要湿地生态特征变化预警方案（试行）》（以下简称《方案》），对国际重要湿地生态特征变化实行由低到高的黄色、橙色和红色三级预警。《方案》规定，预警级别将依据评估结果中监测指标的变化情况确定。当监测数据精度更高时，得到的监测指标就更为准确。对于湿地生态特征变化的监测就需要更高精度的正射影像。因此对祁连山国家公园酒泉片区盐池湾国际重要湿地进行优于0.2 m 的无人机航空摄影，以便得到更高精度的监测数据，监测和分析盐池湾国际重要湿地的生态特征变化。

在国家大地坐标系CGCS2000，1∶100 000 比例尺的影像图为祁连山国家公园酒泉片区甘肃盐池湾国际重要湿地卫星与无人机影像融合图，图例中红色为盐池湾国际重要湿地航测范围。从卫星和无人机的融合图中可以明显看出卫星影像和无人机影像的几何特征与物理特征都有明显的差距，无人机航摄影像的分辨率即精度远高于卫星遥感影像。

在国家大地坐标系CGCS2000，1∶2 000 比例尺的无人机影像图（局部）中，其地面分辨率是15～20 cm，在这个影像精度下，对于湿地生态特征变化的是非常明显直观的，因而解译得到的监测数据更为准确。这为祁连山国家公园酒泉片区盐池湾国际重要湿地的生态特征变化监测提供了更高精度的基础影像数据。

4 结束语

本文通过试验验证了免像控无人机在无网络RTK覆盖的高原湿地进行数字航空摄影获取高精度影像的作业模式的可行性，并结合实际项目对该作业模式获取高精度影像的效率及精度进行了分析，该作业模式大幅度提高无人机在无网络RTK 覆盖的高原湿地等地区的数字摄影测量的精度和效率。