无人机低空数字摄影测量参数计算和路线设计系统_廖永生 (1)

低空摄影轨迹和模拟
飞控系统接口
飞行合理性评估
图 3 无人机低空摄影测量参数计算与路线设计系统结构
系统设计控制系统接口，飞行轨迹设计合理则可以将相关参数直接传输到飞行控制系统 进行飞行设定。
4.2 系统实现方法 系统采用 Skyline 和 Visual C#二次开发的方法，开发步骤如下：
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（1）界面设置，主要包括 Skyline 主界面设置，数据导入菜单、航摄因子输入与计算菜 单、飞行轨迹合理性分析菜单等；
影响因子
飞行环境
计算参数
主参数
目标参数
冗余参数
参数可用性评估
副参数 DOM、DLG 成像要求
确定飞行轨迹
图 2 无人机低空摄影测量参数反算计算法计算流程
低空航空摄影测量一般采用横向拍摄，即相机长像幅与航线垂直的方法。即飞行方向为 相片的短边，垂直方向为相片长边。
3.2 计算模型 （1）正算计算模型 正算计算模型通过成像目标参数和主参数进行计算，其中成像目标参数像元大小 Sc、航 向重叠度 Vn、旁向重叠度 Hn；主参数焦距 f、分辨率 Rp（Rm×Rn）和事件快门差 Ps； ·飞行高度计算
固定不变且参与计算的参数
旁向重叠度 像幅 摄线数
摄线总长 相片数
焦距
Hn M×N
n HL Pn f
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副参数
不参与计算，但是对飞行有影 响的固定参数
分辨率 传感器尺寸 快门时间差 存储容量
飞行方向
Rp（Rm×Rn） m×n Tps Me
*Hale Waihona Puke Baidu
高度
H
速度
Sf
计算参数
通过制定目标参数计算出的 非固定参数
无人机低空数字摄影测量参数计算 和路线设计系统
廖永生 陈文森 广西地球空间信息应用联合实验室南宁 广西第一测绘院
摘 要：无人机在低空数字摄影测量有着很广阔的应用前景，但是摄影作业方法和流程与传统摄影测 量有着较大差别。在低空数字摄影测量中，根据成像要求和成图要求，需要确定飞行参数，飞行参数确定 依赖于硬件设备性能参数和其他环境参数，并通过飞行参数确定三维飞行路线。为了能够高效快速计算无 人机低空摄影测量的无人机飞行参数而设计的摄影参数计算和规划系统，能够根据低空摄影测量要求计算 出各项飞行参数，同时能够在三维系统中模拟飞行环境，评估作业环境和飞行质量。
关键词：无人机；低空摄影测量；参数计算；虚拟现实 中图分类号：P231 文献标识码：B
一、前言 无人机或无人飞行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是一种以无线电遥控或由自身 程序控制为主的不载人飞行器。数码摄影，又称数位摄影或数字摄影，是指使用数字成像元 件（CCD，CMOS）替代传统胶片来记录影像的技术。配备数字成像元件的相机统称为数码相机。 摄影测量(photogrammetry)是通过影像研究信息的获取、处理、提取和成果表达的一门信息 科学。利用无人机搭载民用数码相机进行摄影测量称为无人机低空数码摄影测量作业。其最 终目的是在获得数码影像基础上，应用计算机技术、数字影像处理、影像匹配、模式识别等 多学科的理论与方法，提取所摄对像以数字方式表达的几何与物理信息，用来编制地形图。 近年来，由于无人机技术和数字摄影技术的发展，无人机低空遥感技术得到了快速发展。 进入 21 世纪以来，我国开始普及无人机低空摄影测量技术，与传统摄影测量技术相比，无人 机低空摄影测量技术作业设备相对简单，费用低廉，无空域使用限制，作业要求相对简单灵 活。近几年以来，无人机控制技术逐渐成熟，民用数码相机的性能越来越高且价格逐渐降低， 使无人机低空数码摄影测量作业越来越方便，因此，从国家到地方各个测绘企事业单位和研 究所都大力研究无人机低空摄影测量的新技术与方法，并逐步推广使用。在灾后应急测绘、 小范围内的大比例尺地形图测量以及土地调查等工作发挥了重大作用。 但是，无人机由于重量轻，控制系统相对于有人机简单，因此，与传统的航空摄影测量 以及现代航空数码摄影测量比较，无人机低空摄影测量主要缺陷是无人机重量很轻，飞行稳 定性较差，气动性能差，载重量有限。 无人机这些问题，很难从根本上解决。普通无人机系统可搭载的设备包括数码相机（单 台或多台组合）、相机安装云台、航电系统。由于 INS 设备很重，仅有少量无人机能够搭载。 由于设备较少且飞行稳定性较差，且飞行高度低，受地形地貌因素影响较大，无人机飞 行参数与传统的摄影测量参数和环境有较大差别，无法用传统方法确定航摄因子，因此，设
种方法计算参数明确，计算快速，但是得到最计算值可能不适合飞行环境和飞行设置。计算
流程如图 1 所示。
成像要求（DOM、DLG 目标）
目标参数
主参数
副参数
冗余参数
计算参数
影响因子
参数适飞性评估
飞行轨迹
飞行环境
图 1 无人机低空摄影测量参数正算计算法计算流程 257
反算是根据飞行环境确定计算参数，通过计算参数和主参数结合计算出目标参数，评估 目标参数是否复合成像要求。该计算方法适合飞行设置，但是计算结果可能不适合要求，需 要进行多次计算。计算流程如图 2 所示。
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计一种快速的算法和系统确定低空数码摄影测量航摄因子，同时可以对飞行环境的适宜性和 可作业性进行评估，算法和飞行环境模拟集成，最终设计无人机低空数字摄影测量参数计算 和路线设计系统。
二、参数和因子 参考传统的航空摄影测量和数码摄影测量与无人机低空数码摄影测量的特点，可以将无 人机低空数码摄影测量的作业参数分为几类。 （一）成像参数 地面成像参数是航空摄影测量中，是制作 DOM 和绘制 DLG 的基本要求。地面成像参数将 直接决定 DOM 和 DLG 比例尺以及数据处理的质量。低空航空摄影测量遥感的地面成像参数是 最终目标参数也是起算参数。 成像参数包括地面像元大小（比例尺）、影像旁向重叠度和航向重叠度。 （二）飞行作业参数 ·飞行作业参数是飞行作业中的无人机飞行参数，飞行参数由成像参数确定，同时飞行 参数的准确性将影响成像质量。飞行作业参数和说明如下。 ·飞行高度：无人机飞行相对于主要地平面的高度； ·飞行速度：无人机飞行设定速度； ·飞行方向：正东西或正南北的顺序以及逆序向； ·飞行摄线长：飞行方向作业区域长度； ·摄线数量：飞行在作业区域航摄线实际数。 （1）硬件参数 硬件参数主要是相机参数，包括相机分辨率、相机镜头焦距、相机存储容量，相机快门 差。相机快门差是飞行控制系统中快门指令发出到实际曝光的时间差。 （2）环境和其他影响因子 环境参数对飞行有一定影响，但是不参与实际计算，可以作为飞行适宜性和飞行轨迹的 参考。包括地面平均高、地面高差、风向、风速和航摄转向线等。
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航线间隔是两张相片中心横向距离 Wp=2*N-Hn*N/2=(2-Hn)* Sc * Rn/2 ·转向线长和摄线长确定 摄线长由摄影区域和飞行路线确定，无具体算法，采用 V+C+V 的模式，即来回直线和转 向弧线组合。转向弧线由无人机飞行性能和航线间隔决定，无转向线一般长 500 米——800 米。 飞行速度与无人机飞行性能和航电系统有关，摄影基线长是相机拍摄相隔时间，摄影中 控制系统和摄影快门有一时间差，必须进行修正，拍摄位置的准确性。摄影基线 Ln，飞行速 度 Sf，每条基线相隔拍摄时间 Tp=Ln/Sf，Tps<Tp=Ln/Sf，则飞行速度 Sf<Ln/Sn, 速度设定后，则拍摄时间需要进行修正，则 Tp=Ln/Sf+Tps ·相片数计算 单条航线相片数为 Lp/Ln+1，则总相片数 Pn=(Lp/Ln+1)*n 相片占用空间计算 Me>(Lp/ Ln +1)*n*B，其中 B 是单张相片大小。 ·风向和风力影响 风向和风力对无人机飞行情况的判断需要采用空气动力学方程，计算比较困难，本文不 讨论。在一般情况下，在基本迎风或者逆风飞行方向（夹角小于 5°），飞行允许风力可到达 3 级，在侧风飞行情况下（夹角大于 5°），飞行时风力须在 2 级以内。 ·大功率设备影响 大功率的无线电波设备，如雷达、无线电基站会对飞行控制系统造成严重干扰，导致无 人机失控，因此，在雷达上直射区域 3 公里范围内和无线通信基站 2 公里范围内不宜飞行。 ·地表最大高差 飞机飞行高度以主要地平面高度为主，在丘陵地带，山丘比较多，一是可能会对飞行造 成一定危险，二是成像分辨率差别较大时数据处理将出现困难。因此，飞行时，平均地面与 最高点的高差必须控制在一定范围内，必须根据高差分析其飞行适宜性。由于摄影像素差需 要控制在 4 倍以内，同时要保证飞行安全，因此，一般地面高差不能超过飞行高度的 50%。 如高差超过飞行设计高度的 50%，则不适宜进行低空飞行作业，或者更换更高像素的数 码相机后调高飞行高度。 3.3 飞行参数计算案例 以某区域的无人机低空摄影测量为例，该区域属于南方丘陵喀斯特地貌地带，地貌复杂， 航摄地面区域大小为 4Km*1.5Km，地面平均面 150m，使用相机 Cannon 5DMarkII，分辨率 5616×3744，镜头焦距 50mm。由于当天风向是由北向南，因此飞机飞行方向也采用正北和正 南向。 摄影要求像素大小在 4cm 以下，经过计算，获得的航摄因子参数如表 2 所示。
在实际参数计算中，根据计算参数的用途和在参数计算模型中的作用，可以将低空数 码航空摄影测量的参数分为几类。如表 1 所示。
表 1 无人机低空摄影测量参数分类表
参数类型
含义
参数 像元大小
符号 Sc
目标参数
最终计算结果参数
航向重叠度
Vn
目标冗余参数
通过目标数据计算所获得的 参数或者计算过程中的参数
主参数
（2）3DGIS 基本功能实现，即 DEM 数据和 DOM 数据导入叠加功能和基本浏览功能实现； （3）编码实现航摄因子自动计算功能； （4）编码实现飞行轨迹计算和适宜性分析功能； （5）飞行控制系统接口实现。 系统开发成果如图 4 所示。
图 4 无人机低空摄影测量参数计算和路线设计系统界面（立体视界）
40%
飞行方向
南北
基线长（m）
178
摄线间隔（m）
116
航线长度（Km）
4.3
摄线数
24
摄线总长（Km）
106
包括转向线
相片数量
3415
四、无人机低空遥感摄影测量飞行设计系统
4.1 系统设计
根据无人机低空摄影测量航摄因子和参数的计算方法，结合 3DGIS 和 GPS 技术，设计无
人机低空摄影测量飞行设计系统。该系统以原有的小比例尺 DEM 和 DOM 作为底图数据。在系
地面摄影宽度 M×N，其中像元大小 Sc=M/ Rm =N/ Rn, 其中 M=Sc* Rm =N=Sc* Rn
根据成像公式 f/H=m/M=n/N 推导得 H=f*M/m=f*Sc* Rm /m 即飞行高度由焦距、目标像元大小、传感器尺寸和分辨率确定。 ·摄影基线长计算 摄影基线长有航向重叠度和地面像幅确定 基线长 Ln=2*M- Vn *M=(2-Vn)* Sc* Rm 摄影基线由分辨率、航向重叠度和像元大小决定。 ·航线间隔计算 由于航线和摄线是平行线，因此航线间隔与摄线间隔相同。
4.3 未来改进 除了普通因子外，风力、雾气、沙尘和地物反光率都有可能对无人机低空摄影测量造
成一定影响，因此，未来该系统将使用虚拟现实技术，模拟风力、雾气、时间光线等综合条 件以及更多的飞行参数，评估无人机飞行的适宜性和进行分析。同时在飞行定位精度提高的 基础上可以在原有底图影像中模拟成像中心点，可以方便未来外业控制点布点规划和实地测 量。从而对无人机低空摄影测量在区域的快速作业提供有效的决策和指导，实现无人机低空 摄影快速作业。
统中输入摄影成像要求后和设定相机的主参数后，系统可以自动计算航摄因子和参数，根据
计算获得的因子和其他最佳因子设计出飞行轨迹，根据飞行轨迹和 DEM 分析飞行参数设定的
合理性和飞行是适宜性。系统结构如图 3 所示。
DEM 数据
小比例尺 DOM 数据
输入飞行像素或比例
相机性能参数库
系统主界面
飞行轨迹计算
表 2 某区域无人机低空摄影测量计算航摄参数表
参数和因子 面积（Km2） 摄影比例尺 地面分辨率（m） 单张相片地面像幅（m）
数值 5.8 1:6000 0.039 219×146
备注 摄影比例尺
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平均面高度（m）
150
飞行相对航高（m）
300
飞行设置高（m）
450
GPS 高
航向重叠度
70%
旁向重叠度
基线长 摄线长
Ln Lp
航线间隔
Wp
转向线长
Bp
风向
*
影响因子
不参与计算但是对飞行可能 造成一定影响的因子
风速 地表差 转向航线
* Ht *
大功率干扰设备
*
三、参数计算
3.1 计算流程
低空航空摄影测量的参数确定算法包括正算和反算两种方法。
正算是直接通过成像参数（目标参数）和主参数计算出以飞行参数为主的计算参数，这