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[经验共享] 无人机遥感系统:无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

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       UAV低空遥感系统由飞行平台、成像传感器系统和数据处理软件三大部分组成。

  一、低空遥感适用UAV平台

  飞行平台起到把成像传感器系统携带到空中指定地点、指定航高、沿着设定的航线飞行的作用。低空遥感目前可使用的UAV飞行平台有三大类,即固定翼无人机,旋翼无人机(又称无人直升机)和无人飞艇。三者相比较,旋翼无人机的灵活机动性最强,可以在很窄小的场地起降,可以沿设定的任意曲折的航线飞行,甚至可以低于最高建筑物的航高飞行,但是,它抗湍流的能力最差,而且一旦出现引擎失效,便像自由落体般地坠地,没有滑翔缓冲时间。无人飞艇大部分重量靠氦气浮力平衡,因此载重性能较好,空中安全性最好,也能沿设定曲折航线飞行,而且能飞得很低,很慢,可以利用遥感影像进行高精细测绘,但是,抗风能力较差,氦气成本也比较高,转移迁运比较麻烦;固定翼无人机的高飞性能好,作业效率高,但低飞安全度较差,起降操作较困难。对于这些优缺点,必须在实践中予以协调和采取相应弥补措施。

  并非如一般人所想象,无人机飞得越高越好,越快越好。低空遥感对UAV的基本要求应该是,首先保证低空飞行的安全度,其次保证所获取影像质量满足航测要求。这两个基本点引出一系列技术要求。

  1、最低航速

  这项要求专门针对固定翼无人机。提出低航速要求的理由有两条:第一,必须低速才能保证低空飞行的安全性,尤其是地形起伏,建筑物高起,以及狭窄山谷间的低空飞行,必须慢飞;第二,由于UAV荷载限制,一般UAV载的成像系统都没有像移补偿装置,当进行大比例尺测图要求高分辨率(例如5cm)影像时,为保证影像清晰(例如,要求像移小于1cm),则必须限制航速(例如,快门1/1000秒时,航速低于36km/h)。

  为了能实现低空低速飞行,无人机的荷载一定要尽量小,这就对后述的成像系统提出轻小型化的要求。对于旋翼无人机和无人飞艇来说,则很容易满足。

  2、滑跑起飞距离

  这项要求也是专门针对固定翼无人机的。轻小型无人机受限于载油量和通讯链路能力,不能长航时飞行。因此不像有人飞机一样可以有效使用遍布全国的机场设施。为了发挥它的灵活机动性特长,它需要选择简便跑道起飞和降落。因此,滑跑起飞距离就成为重要的应用安全度指标。滑跑起飞距离主要由所需要的起飞离地速度决定。对于同一架飞机,其起飞载重越大,则所需的起飞离地速度越大。目前市场上几种有效载荷5kg量级的轻小型无人机,大概要求60km/h的起飞离地速度。

  为了达到起飞离地速度,目前常用有三种方法:平坦跑道滑跑起飞;车载起飞;弹射架起飞。从操作简便性、广泛地形适应性来看,似乎弹射架起飞是比较好的发展方向。
降落相比起飞要简单些,可以滑跑着地,撞网着地,也可以伞降。

  3、飞行控制水平

  飞行控制系统在UAV中充当驾驶员的角色,有时简称自驾仪。下图所示为飞行控制系统的原理。

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

      飞控系统

      飞控系统的最低要求是能保持在空中正常风力情况下,飞行器机体平稳安全地沿着给定的航线轨迹飞行。飞控系统定位与定姿的精度对影像质量有很大影响,其严重的后果是影响像片重叠度。此问题涉及到需要协调的面比较宽。

  以佳能5D相机24mm镜头情况为例。如果使用单相机,其窄边视场角为53°,这时影像所覆盖的地面宽度等于航高H;若使用双拼组合宽角相机,则视场角为90°,这时影像所覆盖的地面宽度为2倍航高。假设允许飞行平台定位定姿的误差对航向旁向重叠度偏移量Δ不超过影像宽度的10%,则有如下表所示的Δ限值。

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术
       如果某架UAV,使用简易GPS导航,其定位精度为50m,姿态仪角度误差为10°。

  若使用单镜头相机,它只能满足1:2000以上的测图要求;若使用双拼组合宽角相机,它可满足1:1000测图要求。若想进行1:500测图,则需要增加像片间重叠度或使用更高精度的GPS和姿态仪。

  4、低空湍流飞行性能

  低空大气气流常受地形、地物的局部温度场的影响,形成湍流。这种湍流没什么规律性,各种波长的气流混杂,形成上下突风,左右突风或风切变。这种湍流使在其中飞行的无人飞行器产生上下左右颠簸,不仅影响航摄质量,更严重威胁飞行器的安全。

  低空湍流对固定翼无人机的最大损害是形成颠簸过载,而机体损坏。为防范强颠簸过载,可采取的措施是:减慢航速;重心配置靠后;采用小展弦比机翼或三角翼无人机。

相比而言,无人飞艇抗低空湍流性能最好,虽然遇到湍流也影响航摄质量,但因为飞艇主要靠浮力支持,因此安全性可以保障[5,6]。

  如前述,旋翼无人机抗低空湍流能力最差。

       二、低空UAV适用成像传感器系统

  低空UAV所载的成像传感器系统,一方面要适应低空UAV轻荷载条件;另一方面,要满足低空航测高分辨率高精度的性能要求。

  1、曝光关系

  根据相关研究成果地面物体的光照度越高,摄影航高越低,相机镜头孔径越大,则相机焦面所能检测到的光能量就越足,如果相机感光元件的感光度也很高,则就可以把镜头光圈数设置得很大(即光圈很小),曝光时间设置得很短,这样,就能获得清晰度很高、分辨率很高的影像。在这里,低航高,大孔径,短曝光时间,是UAV系统的三大关键技术指标。

  2、光学信息量 

  对于一个确定孔径的镜头和一片干扰噪声水平已确定的感光面阵。其镜头获取光能量的极限值已确定,因此其可获取到的信息量之极限值也就随之确定。超出采样定理增加采样密度,就是徒劳。即使在采样定理范围内,因每个感光单元的噪声功率已确定,成像面积已确定,将成像面积切割得更小,每个感光单元所获取信号功率减小,就会导致P5/Pn值降低,造成每个像元的平均信息量降低。因此,所获取到的总信息量并不与面阵像元数目成正比地增加。实践中已经发现同等镜头条件下的面阵数目大的相机所获取的影像并不优于面阵数目稍小的相机。但精确的计量还有待于光学计量实验室建成后的实验来确定。

  实践的自由度Nt是针对运动光场而言的。低空航摄时,成像系统相对于地面是运动的。

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术
      像移对信噪比的影响

      上图中,左图是静止景物没有像移的情况,图中t1t2表示曝光的时间段,L表示感光像元宽度,水平晕线矩形表示在t1t2时间段内感光单元所接受的地面对应景物的光能量(功率PS),右图表示有运动像移的情况,由于运动像移在t1t2时间段内地面景物投入到该感光单元的能量不限于L,而增加了Δ,光能量用水平晕线平行四边形表示,虽然面积与左图的矩形相等,但若将左右图形叠加比较,则可发现其不重叠部分面积与原来信号矩形的面积比为:Pn / PS = Δ / L                        

    可见像移降低了影像的信噪比,降低了影像信息量。降低的程度取决于像移偏量Δ 与像元尺寸之比。显然,对于低分辨率摄影这种影响不大,但是,当进行高分辨率摄影时,此影响就值得重视了,减小Δ 的办法是缩短曝光时间或降低航速。

  3、组合宽角相机

  (1)为什么需要组合宽角相机

  轻小型低空无人机为了保证安全,必须轻载荷。现在市场提供的固定翼无人机有效载荷一般不超过5Kg。因此,这类无人机不能装载一般有人驾驶飞机所使用的重达百公斤量级的高档航空相机。目前大多采用稍为高档的普通数码相机,像幅在3K×4K以上。在单个数码相机的基础上研制双拼组合宽角相机的理由如下:

  a、扩大面阵传感器容量

  面阵传感器容量是数码相机的关键技术特征,大面阵传感器价格昂贵,而且不容易买到。因此,利用多相机组合形成等效大面阵相机,是近些年世界先进技术成就[1]。

  b、形成组合宽角视场

  视场角是航空相机的重要技术指标。宽视场角有两个作用:航向的宽视场角可以提高基高比,从而提高高程量测精度;旁向的宽视场角可以增加航带影像的地面覆盖宽度,从而提高飞行作业效率以及减少野外控制点的布设数量。下面介绍的双拼组合相机是在旁向扩展视场角,因而只有第二项作用。当然,必要的话,也可以改装成只起第一项作用的双拼组合相机。

  (2)具有自检校功能的双拼组合宽角相机

  理想的双拼组合宽角结构如下左图,这是两个相机的镜头中心完全重合,两相机视场刚好拼接,既无间隙也不重叠。但是,实际相机是有尺寸的,理想状况不可实现。因此,设计成如下右图的几何结构。在这里,两相机相向倾斜相同翻滚角ω ,从而构成扩展的视场角A1SA2,并且具有重叠区B1SB2(S为虚拟等效投影中心)。借助重叠区B1B2的双影像可以进行自检校,确定两相机相对方位元素的初始设置误差。

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术
      实际上,双相机的机械结构设计成如下左图所示,两个相机沿航线前进方向先后拍摄。第一相机向左倾ω角;第二相机向右倾斜ω角。事先,通过示波器精确测量两相机的各自曝光延迟。在同步曝光控制器中考虑两相机本来的曝光延迟时差,并考虑按通常巡航速度和两相机在航线方向间距反求的补偿延时差,综合设计两相机同步曝光控制器的延时差。通过此硬件设置大体做到双相机“同步曝光”,其残余时差的影响依靠后面的自检校方法消除。

  对于组装好的双拼组合宽角相机,也必须通过对检校场摄影的方法,用后方交会解求双相机的相对方位元素,并转化到以双相机对称中心线为虚拟等效中心投影轴的坐标系统中。

  按照空间后交解算出的双相机相对方位元素值,将双相机影像分别投影到虚拟等效中心投影的坐标系中,转换成虚拟中心投影的等效影像。如下右图。

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术
       分析上右图中的双相机影像重叠部分可知,如果前述的双相机间相对定向方位元素的解算没有误差,而且双相机严格地曝光同步,则重叠部分的双影像应当完全重合。但是,由于这两项误差的存在,造成重叠区双影像不完全重合。通过影像匹配,可以探测出重叠区范围内全部特征点位上双影像不重叠形成的视差然后根据有关算法求解相对方位元素的残差。使得双像投影在重叠区内完全重合。以此为基础,即可实现双相机影像拼接,得到似同一个相机的等效中心投影影像。

  有人曾对这种组合相机的双相机透镜中心不在同一位置点的问题进行了深入研究,其成果说明,当相机间存在一定间距,而地面存在地形起伏时,会造成双拼影像不可校正的残余误差。因此,设计中注意到这一点,经精确计算限制双相机间距,保证因此引起的拼接误差,在地形起伏不超过三分之一航高情况下,小于0.3像元。

  以两个佳能5D MarkII相机,设计固定翼无人机载双拼组合宽角相机为例。

  选用焦距24mm的镜头,单个相机的像幅大小为3.7K×5.6K像元,视场角为53°×65°。将单相机视场长边方向置于航线方向(即x方向),短边置于y方向,单相机的视场范围下图所示。

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

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      上图所示为双拼组合宽角相机y方向视场剖面图,两相机间取22°范围的重叠,相当于单相机视场的40%,以此作为自检校的重叠区。如此构成的组合宽角为84°,能形成地面相当于1.8倍航高的航线宽度视场。

  如果取旁向重叠为0.3H,则单相机航线的净宽度为0.7H,而双相机航线的净宽度为1.5H,相当于单相机的两倍。
  
  (3)具有自检校自稳定功能的四拼组合宽角相机

  把双拼组合宽角相机的原理扩展到航向和旁向两个方向,则既可扩展航带宽度,又可提高航向重叠度内的基高比,提高高程量测精度。四拼组合宽角相机,在双拼相机的基础上,增加了以下两项技术措施。

   a、利用下图所示的四相机特殊重叠关系,增强了自检校功能,从而保证了四拼相机系统的轻小型化和高精度特性;

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

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         b、利用下图所示的机械阻尼加电子测姿再加软件处理的方法,实现了从大倾角影像向小倾角影像的转换,从而放弃了云台稳定装置,进一步减轻了成像系统的重量。

无人飞行器遥感系统的构成及关键技术

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       三、UAV低空航测适用数据处理软件

  1、UAV低空遥感用于航空摄影测量生产技术流程
QQ截图20170704115729.jpg
       2、UAV低空遥感专用影像处理及UAV航空摄影测量软件——MAP-AT 

  有人机普通航空摄影测量的软件已经非常成熟[13],但是,为了能够自由地,得心应手地按照低空UAV航测所面临的一系列特殊问题进行修改和更新,必须研发具有自主版权的专门针对UAV低空航测的软件。

所研发的MAP-AT软件首先继承国内外先进航测软件已有的优点:  

  (1)利用POS数据进行全自动排片处理;

  (2)全自动选取相对定向点和连接点,自动完成自由空中三角测量网构建;

  (3)多视影像全部参加匹配,并且通过光束法平差,实现高精度定位;

  (4)充分利用在生产中已经很习惯的测图仪器,例如Vituozo和JX-4等。
 

  在此基础上,增加研发了下列功能:

  (1)针对低空大倾角影像变形大的连接点自动选取失败而设计的自动检查和人工操作弥补功能;

  (2)在TIN内插处理中加入适用多种不同情况的人工干预处理功能;

  (3)与组合宽角相机相配套的影像拼接裁切与误差检查功能;

  (4)把大比例尺编图符号更新到2008国标版,支持DLG生产后的编图功能;

  (5)支持建筑物景观三维模型构造的功能[14]。


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