佳木斯市勘察测绘研究院 黑龙江佳木斯 154004
摘要：近几年，无人机的发展非常迅猛，应用也越来越广泛，具有方便、灵活、快捷的优点，非常适合小范围的航空摄影作业，本文从确保飞行安全、提高航拍效率的角度，重点阐述旋翼无人机倾斜摄影的航摄规划问题。
关键词：旋翼无人机；倾斜摄影；航线设计；架次划分
The Planning of Oblique Aerial Photography Based on Rotor UAV
Sun De-hou，Huang Chang-sheng
（Jiamusi Institute of Surveying and Mapping，Jiamusi 154004，China）
Abstract：In recent years，the development of the UAV is very rapid，is used more and more widely.The UAV has the advantages of convenient，flexible and rapid operation，is very suitable for aerial photography of small range.For ensuring flight safety and improving the efficiency of photography，This paper focuses on planning problem of oblique aerial photography based on rotor UAV.
Key words：Rotor UAV；Oblique Aerial Photography；Passage Planning；Sorties Division
1 引言
近几年，无人机的发展非常迅猛，日新月异。无人机的型号越来越多，有固定翼无人机、旋翼无人机，有燃油无人机、电动无人机，有大型无人机、微型无人机。无人机的应用越来越广，不仅在公安、消防、林业、水利、农业、影视、传媒等领域得到了广泛应用，在测绘领域的应用也越来越普及。从早期的影像图制作、中小比例尺地形图测绘，到大比例尺地形图测绘、三维场景建模、变形监测等，测绘精度和效率越来越高，且成本投入越来越小。这得益于无人机的发展，同时也得益于高精度微型摄影相机的发展，尤其是微型倾斜摄影相机的发展。无人机的安全问题一直备受关注，空域的使用缺乏有效的监管，各种危及公众安全的黑飞事件屡见报道。无人机应用过程中的安全问题需要引起我们的高度重视，航摄规划时更要把安全问题放在首位，其次才能考虑效率问题。
2 摄区踏勘
如果摄区位于机场10千米范围内，原则上是不允许开展航摄任务的。如确需开展航摄工作，事先必须与机场塔台取得联系，掌握航班动态，根据航班间隙合理确定航拍时间。为了保障安全，有些无人机的飞控系统会限制无人机在距离机场5千米范围内飞行。尽管已经掌握了航班的动态信息，在无人机起飞前还是要与机场塔台确认一下航班动态，确认航班没有临时变动方可执行航拍飞行任务。如果航班间隙少于1小时，为安全起见，期间不能安排航怕任务。即使摄区周边没有机场或距离机场超过10千米，也不能随意起飞无人机，需要与空域主管部门进行沟通，了解有无直升机、小型飞机等通用飞行任务，确保摄区上空没有飞行计划，并限制无人机的飞行高度，相对航高通常不应超过200米。对于人员密集场所，如学校、市场、车站等，应选择合理的飞行时间，避开人员高峰期。同时要随时观察空中有无风筝、气球等影响无人机飞行的障碍物，以便及时避让。无人机通常可以抵抗6级风，但风力超过4级，降雨概率较大时不要冒险作业。
3 航线设计
3.1 无人机起降点的选择
无人机起降点的选择非常关键，需要综合考虑以下因素：场地开阔，可以全程监控无人机的飞行状态；周边100米范围内不应有信号发射塔、高压电线等干扰源；起降点场地不应小于10平米，且应平整，不受外界干扰；遇突发事件处置方便，能够迅速到达事故现场；航摄效率，即起降点与航摄起点和终点的距离尽可能短，并可同时兼做相邻架次的起降点。选择楼顶作为起降点的，需要注意飞行高度应为以地面为基准的航高减去起降点高度，不能直接设定为以地面为基准的航高。同时要安排地勤人员保障安全。
3.2 航高的确定
航高取决于成图精度和所采用的相机解析度及主距。倾斜摄影相机由多个不同角度的镜头组成，可同时获取多组不同角度的影像。与传统单镜头成像模式相比，多镜头成像模式能够消除成像死角问题，并大幅提升成果的精度。通常120～150米航高可以满足1：500地形图的成图要求；150～200米航高可以满足1：1000地形图的成图要求；200～300米航高可以满足1：2000地形图的成图要求。航高越低影像精度越高，航高越高摄影效率越高。需要注意的是，无人机与场地或建筑物最高处应保持30米以上的垂直距离，以保证飞行安全。
3.3 像片重叠度的确定
无人机因其自重较轻，抗风能力较差，飞行过程中的姿态保持较差，像片重叠度的设计要略高一点，否则容易出现航摄漏洞。通常用于影像和地形图成图的，航向重叠度应不低于70%，旁向重叠度应不低于40%；用于地面场景重构的，一般地区航向重叠度应不低于75%，旁向重叠度应不低于50%。城区航向重叠度应不低于75%，旁向重叠度应不低于65%。设计旁向重叠度时需要注意航线间距不能过小，通常航线间距应大于30米，避免急速转弯发生事故。若因低航高、高旁向重叠度要求导致航线间距应小于30米，无人机转向模式应采用悬停转向模式，不能采用自适应转向模式。
3.4 航程的控制
航线转向次数越多作业效率越低，通常航线按长方形区域进行布设，航线平行于长方形的长边，这样能减少无人机转弯的次数，提高效率，如图1所示。同时应根据无人机的续航能力合理设计航线的长度，绝不可以将航线长度设计为无人机的最大航程，要为处理突发事件留有余地，确保无人机具备足够的动力安全返航。无人机的动力一旦耗尽，将直接导致炸机，发生事故。用电池作为无人机的动力，在新电池使用前应测准电池的续航能力，每次飞行前应测试电压，确保电池处于满电状态。飞行过程中要实时监测电池电压的变化情况，遇变化异常时应立即返航。遇低温刮风天气，应相应缩短航程。
图1 无人机航线设计
4 架次划分
因为无人机的航程有限，执行大范围的航摄任务时，需要进行架次划分，将航摄任务划分为若干个飞行架次。为便于划分，首先设计一个最佳的长方形区域，即一个架次的航摄范围。长方形区域的大小根据航摄采用的航高、相机类型、重叠度、航程限制来确定。为保障安全，包含起飞、降落的航线总长度应不超过无人机最大航程的0.7倍。之后用这个长方形模板按矩阵方式去分割整个航摄区域，长边方向可以间隔半个航线间距，短边方向应至少重叠一条基线，不规则摄区的外围架次可以适当调整单个架次的航摄范围，将不必要的航线删去。每个架次的航线应布满整个长方形区域，航线条数不能多也不能少，同时按照多个架次同一起降点的原则设定起降区域。如图2所示。
图2 摄区架次划分示意图
5 结语
无人机与传统大飞机相比，尽管具有方便、灵活、快捷的优点，但它不适合用于大范围的航摄工作。尤其旋翼无人机倾斜摄影的效率较低，按相对航高150米，旁向重叠度75%，无人机最大航程7km的条件计算，一个工作日能够完成8～12个架次的航拍任务，航摄面积约2km2。
虽然无人机的应用已经非常广泛，可靠性越来越高，但是它的安全隐患仍然很大，各种安全事故屡见不鲜。安全问题是无人机作业过程中应该关注的主要问题，要严格履行飞行审批手续，严格按照操作规程操作使用，航摄规划时要考虑突发事件处置问题，只有做到万无一失，才能降低事故发生的概率。
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论文作者:孙德厚,黄昌胜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/20
标签：无人机论文; 航线论文; 航程论文; 地形图论文; 长方形论文; 应不论文; 效率论文; 《建筑学研究前沿》2017年第32期论文;