張濟(jì)勇，曹玉明，孫小虎

(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京100120)

一、引 言

2010年10月15日，隨著我國(guó)關(guān)于低空空域管理改革指導(dǎo)意見(jiàn)獲得批準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)1000m以下低空空域?qū)⒅鸩綄?duì)民用領(lǐng)域開(kāi)放，這對(duì)近幾年發(fā)展起來(lái)的輕小型航空遙感系統(tǒng)將具有巨大的推動(dòng)作用。

輕小型航空遙感系統(tǒng)是指采用輕型機(jī)飛行平臺(tái)進(jìn)行航空攝影與遙感的一項(xiàng)測(cè)量技術(shù)，主要應(yīng)用于100 km2以下區(qū)域的大比例尺測(cè)圖。主要的飛行平臺(tái)有有人輕型機(jī)，無(wú)人飛行器和飛艇。目前在國(guó)內(nèi)商業(yè)運(yùn)用的輕小型航空遙感系統(tǒng)采用的飛行平臺(tái)主要為無(wú)人飛行器，大部分載重量為6 kg～15 kg，攜帶的相機(jī)基本上為普通佳能或尼康相機(jī)，無(wú)POS系統(tǒng)和LiDAR設(shè)備，因此造成像控點(diǎn)測(cè)量工作量大，且測(cè)量精度也不高。本文結(jié)合國(guó)外工程中采用有人輕型機(jī)作為飛行平臺(tái)進(jìn)行航空攝影與遙感系統(tǒng)工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了輕小型航空遙感系統(tǒng)特點(diǎn)和在電力工程中的運(yùn)用情況。

二、系統(tǒng)介紹

輕小型機(jī)航測(cè)遙感系統(tǒng)主要組成為：輕型機(jī)飛行平臺(tái)、高精度POS系統(tǒng)、慣性穩(wěn)定平臺(tái)、輕型數(shù)字測(cè)繪相機(jī)和輕型機(jī)載激光雷達(dá)。可根據(jù)不同應(yīng)用需求以多種組合模式運(yùn)行，組合模式主要包括穩(wěn)定平臺(tái)+POS+數(shù)字測(cè)繪相機(jī)、穩(wěn)定平臺(tái) +POS+LiDAR+數(shù)字相機(jī)、穩(wěn)定平臺(tái)+數(shù)字測(cè)繪相機(jī)+GPS等不同模式的結(jié)構(gòu)集成。通過(guò)系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)，在體積上和重量上滿(mǎn)足輕小型飛行平臺(tái)的要求。

1．有人輕型機(jī)飛行平臺(tái)

有人輕型機(jī)飛行平臺(tái)主要是為適應(yīng)小面積航攝和低空高分辨率航攝的需求，而研制生產(chǎn)的輕型有人駕駛航攝機(jī)，巡航高度為200 m～11 000 m，信號(hào)傳輸作用距離視距 ＞200 km，最大遙感設(shè)備載重為120 kg，抗風(fēng)能力能抗最大風(fēng)力7級(jí)(約15m/s)，抗雨能力能抗大雨，可以夜間作業(yè)，起降方式的主模式為輪式，輔助方式彈射起飛，或傘式回收等4種備份手段。根據(jù)上述要求，國(guó)內(nèi)目前能夠滿(mǎn)足要求的航測(cè)飛機(jī)有蜜蜂、海鷗、海燕等。目前也有測(cè)繪單位采用動(dòng)力三角翼等基本滿(mǎn)足要求的飛行器(如圖1所示)。

2．高精度POS系統(tǒng)

POS系統(tǒng)是采用動(dòng)態(tài)差分GPS(DGPS)技術(shù)和慣性測(cè)量裝置(Inertial Measurement Unit，IMU)直接在航測(cè)飛行中測(cè)定傳感器的位置和姿態(tài)，并經(jīng)嚴(yán)格的聯(lián)合數(shù)據(jù)處理(卡爾曼濾波)，獲得高精度的傳感器的外方位元素，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)或極少地面控制的傳感器定位和定向。由于輕小型航空遙感系統(tǒng)采用的數(shù)碼相機(jī)幅面小，且飛行穩(wěn)定性相對(duì)較差，因此必須要采用高精度POS技術(shù)。否則在數(shù)據(jù)處理和像控點(diǎn)測(cè)量方面，工作量比較大，而且測(cè)量精度比較低。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程實(shí)例以及行業(yè)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)商業(yè)運(yùn)用的無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)進(jìn)行大比例尺地形圖測(cè)量，外控點(diǎn)測(cè)量工作量相當(dāng)于常規(guī)地形圖測(cè)量的1/4的工作量，而且測(cè)量精度也不高。

由于高精度POS系統(tǒng)長(zhǎng)期以來(lái)受歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的限制，國(guó)內(nèi)在此方面的研究也多用于軍事，在國(guó)內(nèi)民用航空攝影測(cè)量中采用高精度POS系統(tǒng)還沒(méi)有真正意義上用于商業(yè)應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)的相關(guān)單位正在進(jìn)行國(guó)內(nèi)的航攝系統(tǒng)集成試驗(yàn)，估計(jì)在不久的將來(lái)，該系統(tǒng)的研制成功將對(duì)推動(dòng)輕小型機(jī)航空遙感系統(tǒng)發(fā)展具有十分重大的意義。

3．?dāng)?shù)字測(cè)繪相機(jī)和輕型機(jī)載LiDAR

國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)航空遙感系統(tǒng)攜帶的相機(jī)大部分為普通的佳能或尼康相機(jī)，這對(duì)高精度輕小型航空遙感系統(tǒng)來(lái)說(shuō)顯然是不夠的。根據(jù)國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2008AA121301)要求，輕型單鏡頭數(shù)字相機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求為：旁向視場(chǎng)角范圍在 55°以上(50mm焦距);幅面為7K×5 K或6 K×5K(12 Bit，RGB三色);相機(jī)重量為5 kg～8 kg(不含電源)。輕型組合寬角數(shù)字測(cè)繪相機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求為：旁向視場(chǎng)角范圍在90°以上;幅面為1．5億像元以上(RGB三色);相機(jī)重量為20 kg～35 kg(不含電源);平面精度為±5 cm(有地標(biāo)點(diǎn));高程精度為±5 cm(有地標(biāo)點(diǎn))。輕小型機(jī)載激光雷達(dá)(Li-DAR)系統(tǒng)技術(shù)主要技術(shù)指標(biāo)要求為：平面精度為±25 cm(航高500m，POS 方位精度0．008°，姿態(tài)精度0．005°); 高程精度為 ±12 cm(航高 500m，POS方位精度 0．008°，姿態(tài)精度 0．005°)(具體指標(biāo)見(jiàn)國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2008AA121301))。根據(jù)國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目的介紹，目前數(shù)字測(cè)繪相機(jī)和輕型機(jī)載LiDAR均已研制成功，這將大大提高輕小型機(jī)航空遙感系統(tǒng)的測(cè)量精度。

三、國(guó)外工程實(shí)例

該工程位于南美洲國(guó)家，地理緯度為南緯40°，該工程分為兩個(gè)子工程，分別為：輸變電網(wǎng)工程和風(fēng)電場(chǎng)工程，總面積將近700 km2。

1．輸變電網(wǎng)工程

輸變電網(wǎng)工程為帶狀區(qū)域測(cè)量，帶狀長(zhǎng)度為400 km，帶寬2 km，測(cè)量比例尺為平面1∶5000，垂直1∶500，航測(cè)工期1個(gè)月。測(cè)量單位為工程所在國(guó)測(cè)量公司，該公司提供的測(cè)量方案采用輕小型機(jī)航空遙感系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，系統(tǒng)設(shè)備組合模式為穩(wěn)定平臺(tái)+POS+LiDAR+數(shù)字測(cè)量相機(jī)，設(shè)備如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)備

飛機(jī)參數(shù)為：自重3750Lbs，任務(wù)載荷3150Lbs，飛行速度為120～140 Kts，巡航時(shí)間為4．5 h，最大飛行高度為731m;相機(jī)參數(shù)為：分辨率為6十萬(wàn)像素，有效像素?cái)?shù)為8984×6732 pixels，幅面為53 904mm×40 392mm;LiDAR參數(shù)為：掃描高度范圍為210～3500m，激光掃描視場(chǎng)范圍為0°～ ±50°，掃描視場(chǎng)寬度為0．7×飛行高度(max)，激光發(fā)射頻率為0～70 KHz，激光回波采樣為4回波，水平精度為1/5500×飛行高度，高程精度＜5-20 cm。

該公司飛行設(shè)置參數(shù)和LiDAR設(shè)置參數(shù)如圖3所示。

圖3 飛行多數(shù)和LIDAR參數(shù)

該公司在帶狀區(qū)域兩端分別架設(shè)一臺(tái)GPS基準(zhǔn)站，通過(guò)高精度的POS系統(tǒng)直接獲取外方位元素，僅需要兩端GPS基準(zhǔn)站的坐標(biāo)，無(wú)需進(jìn)行像控點(diǎn)測(cè)量。該公司航拍時(shí)間為3～5天，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間為3個(gè)星期提交工程成品資料。通過(guò)對(duì)整個(gè)帶狀區(qū)域隨機(jī)檢查，其平面點(diǎn)位精度為0．35 cm，高程精度為0．18 cm，交叉跨越物高程精度為0．24 cm，完全滿(mǎn)足《330 kV～750 kV架空輸電線路勘測(cè)規(guī)范》(GB 50548—2010)中相關(guān)規(guī)定。

2．風(fēng)電場(chǎng)工程

風(fēng)電場(chǎng)工程為面狀區(qū)域，面積為105 km2，丘陵地貌，測(cè)量比例尺為1∶2000，等高距為2 m，測(cè)量工期為1個(gè)月。由于風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址緊鄰線路工程，測(cè)量單位為同一家單位，因此采用的航測(cè)設(shè)備和航測(cè)模式均與線路工程相同，僅在測(cè)量風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址時(shí)，將飛機(jī)高度降為600m。

該公司提交的成品資料經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員檢查，其平面點(diǎn)位精度為0．29 cm，高程精度為0．21 cm，滿(mǎn)足《工程測(cè)量規(guī)范》(GB 50026—2007)中相關(guān)要求。

四、結(jié)束語(yǔ)

輕小型航空遙感系統(tǒng)作為近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)一項(xiàng)新的測(cè)量技術(shù)，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感系統(tǒng)和航空遙感系統(tǒng)對(duì)小區(qū)域大比例尺地形圖測(cè)量成本高、航空手續(xù)復(fù)雜以及飛行氣候和起飛條件要求較高等不利因素，在遙感領(lǐng)域具有很重要的地位，特別是在工程測(cè)量領(lǐng)域具有十分重大的發(fā)展前景。

同樣，有人輕小型航空遙感系統(tǒng)相對(duì)于其他兩種無(wú)人飛行平臺(tái)的輕小型航空遙感系統(tǒng)也具有比較大的優(yōu)勢(shì)。首先，相對(duì)于無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，有人輕小型機(jī)平臺(tái)具有飛行穩(wěn)定性強(qiáng)，安全性能高，能夠攜帶超過(guò)120 kg的高精度POS系統(tǒng)、測(cè)量數(shù)字相機(jī)和LiDAR等設(shè)備。目前商業(yè)運(yùn)用的無(wú)人機(jī)大部分由于任務(wù)載荷僅為6～15 kg，僅僅只能攜帶普通相機(jī)，因此對(duì)于1∶1000和1∶500大比例尺地形圖測(cè)量精度不高，而且地面工作量也比較繁重。如果采用任務(wù)載荷超過(guò)120 kg的無(wú)人機(jī)，其成本將會(huì)很高，而且飛行安全性低于有人輕小型機(jī)。同樣，對(duì)于無(wú)人飛艇，由于無(wú)人飛艇充氣成本高，穩(wěn)定性差，因此應(yīng)用比較少。

隨著以中國(guó)測(cè)繪科學(xué)院等單位承擔(dān)的國(guó)家863重點(diǎn)項(xiàng)目對(duì)數(shù)字測(cè)繪相機(jī)、高精度POS系統(tǒng)和輕小型機(jī)載LiDAR等關(guān)鍵技術(shù)的研制成功，歐美國(guó)家對(duì)我國(guó)高技術(shù)限制的解除，以及國(guó)內(nèi)低空領(lǐng)域的逐漸放開(kāi)，有人輕小型航空遙感系統(tǒng)將會(huì)迎來(lái)蓬勃的發(fā)展。

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