低空无人机系统航摄地面分辨率与航高的关系研究

低空无人机航摄系统地面分辨率与航高的关系研究杨润书马燕燕云南省地矿测绘院（云南昆明650218）摘要：本文就低空无人机航摄系统的地面分辨率与地面起伏、重叠度等因素进行了研究，综合考虑确定适宜的航高的方法。关键词：地面分辨率航高像点位移重叠度效率中图分类号：1引言低空航摄系统目前使用的无人飞行器UAV（UnmannedAerialVehicle）平台主要有三类，即固定翼无人机，旋翼无人机（又称无人直升机）和无人飞艇，与其他摄影测量以其机动灵活、获取的影像空间分辨率高、系统成本较低、操作维护简单等优点，尤其能够自主快速获取现势性很强的彩色数码影像，经过处理加工后可以获得数字高程模型（DEM），数字正射影像图（DOM），数字线划图（DLG）等测绘产品。本文以较为常用的固定翼快眼II型无人机为例。2无人机航摄系统无人机飞控系统包含:机载飞控、地面站、通讯设备。作为无人机的飞行控制核心设备，其主要任务是利用GPS等导航定位信号，通过测定无人机在飞行中的俯仰、横滚、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收处理地面发射的测控信息,对无人机进行数字化控制，控制无人机按照预定的航迹飞行，使其具有自主智能超视距飞行的能力。无人机航摄系统以快眼II型无人机为飞行平台，快眼II型无人飞机最大空速160km/h，巡航空速120km/h，航时约2～3h。利用高分辨率数码相机了CanonEOS5DMarkII系统获取遥感影像，相机分辨率2100万pixel，影像幅面5616*3744pixel，像元大小6.41μm。利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，可实现航迹规划和监控、信息数据压缩和影像预处理等功能的低空遥感系统。3地面分辨率3.1像点位移在曝光瞬间飞机飞行过的距离在CMOS上的成像同名地物点移动的距离称为影像的像点位移，像点位移是由于无人机飞行速度，摄影的曝光时间和影像地面分辨率有关，用下式计算得到。δ=v×tGSD(1)式中：δ为像点位移，单位为像素；v为飞机飞行速度，单位为m/s)；t为曝光时间，单位为s；GSD为地面分辨率，单位为m。通常曝光时间设定为1/1000s，对于不同的地面分辨率和飞行速度引起的像点位移如下表。表1曝光时间1/1000s的像点位移表地面分辨率飞行速度100km/h120km/h140km/h160km/h0.20m0.140.170.190.220.15m0.190.220.260.300.10m0.280.330.390.440.08m0.350.420.490.560.05m0.560.670.780.89从上表可看出，对于要达到0.15-0.20m分辨率，采用千分之一秒的快门速度，飞行速度即使达到160km/h，像点位移也不会超过0.3个像素。要达到0.08-0.10m分辨率，采用千分之一秒的快门速度，飞行速度最好不超过140km/h，否则像点位移将超过0.5个像素。要达到0.05m分辨率，采用千分之一秒的快门速度，飞行速度最好不超过100km/h，否则像点位移将超过0.5个像素；如果要达到或优于0.05m分辨率，飞行速度要控制在100km/h，或者提高快门速度，若光线条件较好的话，提高快门速度到1/1500s，即使飞行速度即使达到120km/h，像点位移也可控制在0.5个像素以内。3.2地面分辨率与航高的关系通常用单位长度内所能分辨出来的黑白相间的线对数（线对/毫米）来表示分辨率的大小。对于图像或影像，通常以像元的大小来表示其分辨率（即能分辨的最小尺寸）。分辨率数值在地面上的实际距离，称为地面分辨率。地面分辨率是衡量遥感图像（或影像）能有差别地区分开两个相邻地物的最小距离的能力。地面分辨率是影像上能与背景区分开来的最小像点所对应的地面尺寸，地面尺寸愈小，分辨率愈高。对于低空无人机航摄系统而言，如果影像传感器（即数码相机）一定，选用的摄影镜头一定，其所影像的地面分辨率与航高的关系为当航高较高时，分辨率较低；反之，当航高较低时，影像的地面分辨率相对较高。其关系如下式：H=f×GSDa(2)式中：H为摄影航高，单位为m；f为摄影镜头焦距，单位为mm；GSD为地面分辨率，单位为m；a为像元尺寸，单位为mm。对于5DmarkII的像元尺寸大小为6.4μm，根据(2)式，不同的地面分辨率对应的航高如下表。表2地面分辨率对应的航高镜头焦距地面分辨率0.20m0.15m0.10m0.08m0.05m------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------24mm750562.5375300187.535mm1093.7820.3546.8437.5273.450mm1562.51171.8781.2625390.6---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------低空飞行通常是在云下飞行，且飞行高度较低时，不仅是影像分辨率提高，而且影像的清晰度也相对较高，当然也有负面影响，如果飞行时间段或天气状况把握不好，有一定垂直高度的物体影子误会拖得很长，给后期的内业工作带来影响，甚至影响到最终成果成图像的使用。而且飞行高度过低时，也可能会诱发安全问题。表2所列是以不同焦距镜头，要获得相应地面分辨率的影像所需要的航高。若选用50mm镜头拍摄则分辨率可提高约一倍,但相片的宽度和高度也依比例减少，效率大大降低。常用的镜头焦距为24mm和35mm，通常我们考虑了以平均高程面为基准，可根据(2)计算出航高值，但是我们应该清楚，在平均高程面以下的地区或这些点，其分辨率是达不到人们要求的计算值，如果地面高程的按照算术平均值计算出的平均高程面，相对于基准面之上和之下的区域约各占一半，高程值等于平均高程面的地区或这些点，其地面分辨等于设计值，高于平均高程面的地区或这些点，其地面分辨优于设计值，低于平均高程面的地区或这些点，其地面分辨率达不到设计要求。由于地形多数都是有起伏的，特别是地丘陵地或山地地区，地形起伏更大，为此我们在技术设计中应该考虑低于平均高程面的地区或这些点中大多数点要达到地面分辨率的要求，通常航高设计应该是针对平均的最低区域，当然极个别的低点可不预以考虑。3.3像片重叠度确定像片的航向和旁向重叠度与标准重叠度往往不一致，重叠度依据下面公式进行计算：{px=px′+(1−px′)∆h/Hqy=qy′+(1−qy′)∆h/H(3)px,qy代表像片上各点的航向和旁向重叠度(以百分比表示)；xp'，y'q航摄像片的航向和旁向标准重叠度(以百分比表示)；∆h相对于摄影基准面的高差,单位为m；H代表航高，单位为m。由(3)式可看出，当相对于摄影基准面的没有高差时，即∆h=0时，像片的航向和旁向重叠度与标准重叠度一致，实地上最高点的像片重叠度为最大，最低点的像片重叠度为最小。因此设计时需要考虑高差的因素，确保重叠度满足要求。3.4综合确定航高对于地面分辨率和重叠度而言，航高都是相对较低为好，但是较低的航高带来的是像片张数多，无论是内业还是外业像控工作量都增加，除了工作量增加外，航高较低时安全风险也相对更高一些。综合考虑地面分辨率、重叠度以及工作量和安全等因素，在满足各项技术精度指标的前提下，得到的相对较为适宜的航高。4结论对像点位移而言航速是相对较低为好，飞行速度越慢，像点位移越小。综合考虑地面分辨率、重叠度以及工作量和安全等因素，确定适宜的航高显得很有必要。[参考文献]1.杨润书.吴亚鹏.李加明.万保峰.无人机航摄系统的特点及应用前景[J].地矿测绘.2011.27(1).8-9.2.林宗坚.UAV低空航测技术研究.测绘科学.2011.36(1).5-9.