吴全立
（青岛中油岩土工程有限公司，山东 青岛 266000）
摘 要：针对油气管线项目生产要求和生产中遇到的问题，结合相关规范探讨了影响低空无人机系统航摄精度的指标和参数。综合考虑像控点选择、相机镜头畸变、地面分辨率、航高设计、航线规划、重叠度设计、航摄时间、空气质量状况选择、气流影响、无人机系统稳定性、地形起伏及高层建筑物引起的投影差、无人机航速和相机曝光时间对像点位移影响等多方面因素对无人机航摄精度的影响，做了初步的分析并提出了相应的处理方法，为低空无人机系统在油气管线项目中应用提供参考，为不同环境下获取高质量影像资料提供保障。
关键词：低空无人机系统；油气管线；航线规划；像移；投影差
随着无人机技术的日趋成熟，无人机航摄技术已在各领域得到广泛应用。石油管线项目一般呈线状分布、距离长，布设在较偏远地段，经常通过河流、公路、山地等地形地貌复杂区域。项目前期规划、选址、设计阶段，在高山、荒漠等困难地区作业时无人机航摄技术能够更加安全、快速地提供满足要求的、直观的数据如DOM（正摄影像图）、DEM（数字高程模型）等。在项目建设期和后期维护阶段，无人机航摄技术在特殊地段如穿越跨越处、斜坡等地段，暴雨等恶劣天气以后巡检等应用中优势突出。
无人机航空驾驶器（unmannedaerial vehicle system缩写UAV），俗称无人机系统，主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。低空无人机系统指按照任务高度分类，任务相对高度一般在100～1000m之间的无人机系统，无人机系统组成如表1所示。
表1 无人机系统组成
飞行平台 传感器系统 飞控系统 地面站系统 地面保障系统系列无人机；维护系统；通讯系统小型数码传感器；精确标定检校；旋偏改正云台；定点摄影技术机载GPS；磁航向仪；小型IMU；气压计；高度计通讯系统；监控软件系统；维护系统运输车；保障车
无人机航摄实质是利用地面控制点通过后方交会获取影像的外方位元素，然后通过前方交回得到地面大量未知点的坐标和高程。无人机由于载重的限制，工作中一般搭载普通的数码相机即框幅式面阵CCD，通过中心投影技术获取地面影像。实际生产中，所要求的最终产品一般为正射影像资料，如DLG、DOM、DEM等，这就要求在后续生产中实现各种坐标系转换来实现，一般通过相机检校得到像平面坐标系，通过像空间坐标系作为中间过度坐标系，最终得到符合要求的地面坐标系。
无人机影像应满足清晰，反差适中，无过度曝光现象；不影响立体相对和立体模型建立；不影响后续内业数据处理工作和线画图制作；像点位移和影像重叠度不影响影响质量和影像匹配；影像拼接时没有无明显模糊、重影、错位等现象。
3.1 像控点选点影像
为避免像控点刺点时引入刺点误差，像控点目标选取时应选择易于识别的地物点。平面控制点一般选在线状地物交点、明显地物拐角点；高程控制点一般选在高程起伏较小、平山头等高程起伏较小地区。
3.2 相机镜头畸变影响
相机镜头的畸变是其在生产过程产生的固有的各类畸变的总称，对影像质量影响最大的畸变为径向畸变也伴有切向畸变。相机镜头畸变对影像质量的主要影响为产生的像移：实际像点到主光轴的距离（a’o）与理想像点到主光轴的距离（ao）之差，如图1所示：
相机镜头的畸变一般通过相机检校的方式测定内方位元素来解决，畸变对直接影响影像的质量，相机用于航摄作业前必须经过检校，相机检校精度应满足表2要求方可使用。
图1 实际像点到主光轴的距离与理想像点到主光轴的距离示意图
表2 相机检校精度表
像主点坐标中误差 主距中误差 残余畸变查≤10μm ≤5μm ≤0.3个像素
3.3 地面分辨率和航高设计
地面分辨率是衡量影像能有差别地区分开两个相邻地物的最小距离的能力。超过分辨率的限度，相邻两物体在影像上即表现为一个单一的目标，但不是能够识别最小物体的能力。要能够识别出物体的最小尺寸，应为地面分辨率的5～10倍。航高设计时为保证无人机安全应保证航线高度距离航线地面最高点距离至少100m。地面分辨率由航高、焦距、像元尺寸决定，相互关系：
GSD=H*μ/f （1）
式中，GSD表示地面分辨率，H表示航高，μ表示像元大小，f表示焦距。
3.4 航线规划与重叠度设计
航线规划时需考虑飞行速度和航向受上升气流、下降气流、侧风、顺逆风等气候条件的影响，所以航摄时影像曝光间隔一般按照距离曝光。为保证后续数据处理方便和减弱飞机阴影对航片的影响，航线一般选择东西方向平行于图廓线飞行，根据具体项目需要也可选择南北方向飞行或沿线路、河流、境界等线状地物飞行。
考虑到地形条件对重叠度影响，要求测区内最高点重叠度满足要求，一般采取分区航摄来控制地形高差对重叠度的影响，地形高差引起对重叠度的影响如图2所示。为保证能够生成立体相对、空三加密等后续内业数据 处理，重叠度需要满足以下要求：航向应超出测区至少两条基线长度；旁向应超出测区至少50%的像幅宽度；在不影响后续内业数据处理时，旁向重叠度应超出测区至少30%的像幅宽度；一般要求航向重叠60%～80%，最小不应小于53%，旁向重叠15%～60%，最小不应小于8%。
图2 地形高差引起对重叠度的影响示意图
3.5 航摄时间选择与空气质量状况保障
航摄季节应选择摄区最有利的气象条件，应尽量选择地表植被和其他覆盖物对摄影和测图的影响最小时作业，确保所获取的影像资料能够真实地反映地面细部。保证有足够的光照度，选择晴天多的天气，大气透明度好避开雾霾等天气。避免过大的阴影。沙漠等强光反射区域，当地中午前后各2h不能摄影。陡峭山区和高层建筑密集的大城市应在当地中午前后各1h内摄影，条件允许时可实施云下摄影。
3.6 气流影响、无人机系统稳定性等对飞行质量影响
无人机在空中作业时时经常会遇到侧风、上升、下降气流等不稳定环境，造成机身上升、下降、左右滚摆、机头俯仰、偏离航向，致使影响像片倾角、像片旋角、航偏角、航线高度，像片倾斜引起的像点位移如图3所示。一般采用航线规划时无人机沿着风向飞行，尽量减少侧风的影响；通过像片纠正减弱像片倾角、像片旋角等引起像片和目标物体不垂直造成的变形和像点位移。
图3 像片倾斜引起的像点位移示意图
3.7 地形起伏及高层建筑物引起的投影差
投影差：由于地面点高出或低于选择的基准面造成相片上的像点产生了移动，即因地形起伏引起的像点位移，如图4所示。主要采用根据测区情况进行航摄分区来解决地形高差引起的投影差。一般要求：航高差同条航线相邻相片≤30m，同条航线最大航高与最小航高≤50m，实际航高与设计航高≤50m。
3.8 无人机航速和相机曝光时间对像点位移影响
曝光延迟引起的像移：在相机曝光过程中由于飞机继续向前飞行造成的像点位移值，如图5所示。实际工作中为保证无人机飞行安全，无人机必须以大于失速的空速巡航。在满足曝光条件下，可以对航摄时的最长许可曝光时间进行控制和采用像移补偿装置以减少像移。
航摄时的最长许可曝光时间：
式中，δ表示像点位移，ω表示飞行速度，t表示曝光时间，m表示航摄比例尺，f表示焦距。
图4 地形起伏引起的像点位移示意图
针对油气管线项目生产过程中遇到的问题，结合相关规范要求，讨论了无人机航摄过程中各种因素对无人机影像质量的影响。结果表明，气候条件（包括气流、光照、大气透明度）、地形起伏、航摄时间选择、重叠度、飞行速度、曝光时间、无人机系统稳定性、相机性能等都会对无人机影像的质量造成影响。分析结果可为不同环境下的航线规划设计提供参考，为无人机影像质量提供保障。
图5 飞机继续向前飞行造成的像点位移值示意图
参考文献：
[1]孙毅,王英勋.无人机驾驶员航空知识手册[M].北京:中国民航出版社,2014.
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[3]低空数字航空摄影测量外业规范[S].CHZ3004-2010
[4]低空数字航空摄影规范[S].CHZ3005-2010
[5]张莞玲.无人机低空摄影测量系统的应用[J].工程技术研究,2017,(4):24+110.
[6]刘朝辉.小型无人机遥感平台在摄影测量中的应用[J].工程技术研究,2017,(6):142-143.
中图分类号：V279
文献标志码：A
文章编号：2096-2789（2017）09-0119-02
作者简介：吴全立（1981-），男，工程师，研究方向：低空无人机系统。
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