浅谈无人机遥感的发展

浅谈无人机遥感的发展

李毅 唐长增 钟承志

（广西第一测绘院 南宁 530023）

摘 要：作为一种新型的遥感数据获取手段，无人机遥感非常适合小范围内的高分辨率的遥感数据的即时获取，可用于城市规划、新农村建设、污染监测、土地资源调查等领域。本文主要就无人机遥感的优势、系统组成、主要技术指标进行了阐述和探讨。

关键词： 无人机 遥感系统 非量测型相机

1 引言

无人机是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。它最早出现于20世纪20年代，最先用于军事领域。当时是作为训练防空炮手的靶机使用的。随著电子技术的进步，无人机性能越来越高，更多先进的技术装备如高级窃听装置、穿透树叶的雷达、提供化学能力的微型分光计等被安装到无人机上，用于军用战场侦察和监视任务。而随着民用领域需求的提高，无人机也逐渐渗透到民用领域的各个行业。在无人机上搭载不同的民用设备，就可以应用于不同的领域，出现不同的无人机。比如通信中继无人机、气象探测无人机、灾害监测无人机、农药喷洒无人机、地质勘测无人机、交通管制无人机和边境控制无人机等。在无人机上搭载成像系统，作为遥感平台，形成无人机遥感系统，扩大了遥感的应用范围和用户群，其应用前景将越来越广泛。

无人机遥感与卫星遥感、航空航天遥感相比，有着独特的优势。第一，对场地要求低，作业方式灵活快捷，能快速响应拍摄任务；第二，平台构建、维护以及作业的成本极低，与卫星遥感、航空航天遥感相比几可不计；第三， 因其飞行高度低，能够获取大比例尺高精度影像，在局部信息获取方面有着巨大的优势；第四，飞行高度一般低于1000米，不必申请空域：第五，能够获取高重叠度的影像，增强了后续处理的可靠性：第六，具有便于携带，转移方便等优点。但无人机遥感也有着不足，比如对载荷的体积重量有严格限制，对载荷的抗震性能也有较高要求，受风速影响较大等。而其搭载的成像设备为非量测型相机，在拍摄方式和后期处理上都与传统的航空摄影测量有所不同。针对无人机遥感的特殊性，本文就无人机遥感的优势、系统组成、主要技术指标作些阐述和探讨。

2 无人机遥感系统的组成

无人机遥感系统由空中控制系统、地面控制系统和数据后处理系统组成，如图1所示。

图1 无人机遥感系统组成

（1）空中控制系统包括无人机飞行平台、遥感传感器子系统和遥感空中控制子系统。遥感传感器子系统由通信设备、影像获取设备组成；遥感空中控制子系统由稳定飞行姿态的垂直陀螺、获取飞行平台位置信息的GPS接收天线，以及控制飞机自主飞行的微处理器等组成。

（2）地面控制系统包括航迹规划子系统、无人机地面控制子系统以及数据接收显示子系统。航迹规划子系统由飞控软件组成，无人机地面控制子系统由控制飞机起降、飞行和拍摄的遥控设备组成，数据接收显示子系统由数据接收终端和数据处理终端组成。

（3）数据后处理系统包括数据预览子系统和数据后处理子系统。数据预览子系统和数据后处理子系统主要由相应的数字摄影测量软件以及工作站组成。

利用无人机遥感系统采集数据时，其作业流程大致如下：根据遥感任务的要求对待拍摄地区进行航迹规划，在地面控制子系统中将规划好的航线载入到遥感空中控制子系统。无人机地面控制子系统按照规划的航线控制无人机的飞行，遥感空中控制子系统则按照预设的航线和拍摄方式控制遥感传感器进行拍摄；遥感传感器子系统将拍摄的数据进行存储，无人机

平台则利用无线传输通道将飞行数据传输到地面的控制子系统；地面工作人员可以在地面监测无人机的飞行航线，必要的情况下，可以根据接收的数据更改本次飞行的计划，比如可以马上进行部分地区的补拍；拍摄结束后可以自动切人手控飞行，等待降落。

作业过程中，垂直陀螺能测量飞机的俯仰／翻滚姿态角，同时垂直陀螺与微处理技术的结合，使飞机可以在在自主飞行时保持在近似“水平”状态。机载通信设备将摄像头获取的实时影像、GPS位置数据等传回地面数据接收终端， 以使地面控制中心对飞机的飞行和拍摄情况进行监控，及时修正航向、飞行姿态等。最终获取的高清影像通过地面相配套的数字摄影测量工作站进行处理。

3 系统主要技术指标

3.1 无人机飞行平台主要技术指标

无人机飞行平台与卫星遥感平台、航空航天遥感平台相比，显得轻便小巧，故对其要设计相适应的技术指标。

（1）飞行高度控制在3000m以下为宜；

（2）飞行速度控制在5O～100km／h为宜；

（3）发动机安装在飞机前进方向的后部；

（4）相对地面的飞行高度的变化应小于5％；

（5）相邻摄站飞行高度的变化应小于5％；

（6）航摄平台在作业时其水平误差不得大于3。

（7）测量飞行速度的误差不大于5％；

（8）偏离航线的绝对误差不得大于相片旁向覆盖域的5％；

（9）因发动机引起的相机谐振，其振幅偏摆角在曝光时间内不大于8.6秒。

3.2 成像设备的性能指标

无人机遥感系统里的成像设备主要是非量测型相机，即高端的普通数码相机。近年来，随着生产工艺的进步，普通数码相机的分辨率越来越高，与传统的胶片影像相比已经相差无几。其几何性能和辐射性能也大幅攀升，其点位精度已达到次微米级，CCD芯片的不平度也达到了微米级。另外，对CCD芯片来讲，不存在“底片变形的问题”。同时，从镜头的分解力来看，在航摄规范中规定航片有效使用面积内镜头分辨率“不少于50IP／mm”，换算后相当于每像素7.4μm，大多数的数码相机都可以满足。但目前的数码相机畸变差与航测规范要求仍存在一定的差距。故在使用非量测型相机时一定要对其进行严格的检校。

3.3 飞行平台稳定性指标

影像质量与飞行平台的稳定性有着很大的关系。飞行平台越稳定，获取的影像数据质量也越高。随着技术的发展和设备的更新，无人机飞行平台的稳定性也相应提高了。有研究表明，在侧风小于4级的情况下，无人机自主飞行时，其沿预定直线飞行的俯仰角和横滚角一般都在3°以内 。另外，飞行平台的稳定性也取决于控制飞行的微处理器的自身精度。GPS 卫星定位接收机的位置精度一般在±15m范围内，此时空速传感器的速度精度约为显示值的10％。对于一般的无人机来说，速度保持在设定值的±20％、高度保持在设定值的±15m以内，其飞行稳定性是符合要求的。

3.4 飞行参数的要求

按照航空遥感的一般要求，拍摄时的航向重叠率为60％，最小不得小于53％；旁向重叠率为30％，最小不得小于15％。但对于无人机遥感，其航向重叠率应大于80％，而小于90%，旁向重叠率大于40％。

航线弯曲度应<3%，航高变化应<20m，旋偏角应<10度，滚转角应<4度。

3.5 成图精度要求

从影像地面分辨率出发，结合相机的像象元大小与焦距，可以求出成图比例尺对无人机遥感平台飞行高度的要求。以5D mark II相机（CCD像元大小36×24mm，最大分辨率5616×3744）为例，将其焦距设在50mm，则其对应成图比例尺的相对航高如表1所示。

表1 成图比例尺与相对航高的对应关系

成图精度要求

地面分辨率相对航高 摄影比例尺 成图比例尺

平面精度 高程精度

1:500 0.125m 0.25m 4cm 300m 1：6000

1:1000 0.25m 0.5m 8cm 600m 1：8000

1:2000 0.5m 1m 15cm 1200m 1：15000

4 结束语

无人机遥感，作为一种低空遥感，与卫星遥感、航空航天遥感技术的成熟和完善相比，尚属于起步阶段，还有许多亟待解决的问题。但作为一种新型的遥感数据获取手段， 非常适合小范围内的高分辨率的遥感数据的即时获取，可用于城市规划、新农村建设、污染监测、土地资源调查等领域。随着设备的更新，技术的发展与完善，无人机遥感必将成为现代国家对地观测体系中不可或缺的重要组成部分，并将越来越广泛地应用于民用生活。