无人机低空遥感系统传感器选型研究

吴正鹏，奚歌，柳雨彤，张晓东

(1.天津市测绘院，天津 300381； 2.国家海洋信息中心，天津 300171； 3.天津市勘察院，天津 300191)

无人机低空遥感系统传感器选型研究

吴正鹏1∗，奚歌2，柳雨彤3，张晓东1

(1.天津市测绘院，天津 300381； 2.国家海洋信息中心，天津 300171； 3.天津市勘察院，天津 300191)

针对无人机低空遥感系统所搭载的传感器选型问题提出了相机重量、传感器尺寸、视场角、有效像素等参考因素；同时，通过无人机航摄项目模拟对索尼A900、佳能5D-Ⅱ、佳能5D-Ⅲ及尼康D800四款备选传感器的航空摄影测量效率进行评估；推荐首选尼康D800作为搭建无人机低空遥感系统的传感器。

无人机；低空遥感；传感器选型；航摄效率；摄影测量

1 引 言

国家测绘局已明确将“数字航空摄影、无人驾驶飞行器低空遥感影像等先进的影像获取技术用于测绘生产”列入了测绘系统工作要点。2010年4月，天津市测绘院购置了CK-GY04型固定翼无人机机载双相机低空遥感系统，两年间先后完成了新疆和田地区策勒、于田和民丰三县的1/2000地形图测绘，天津市滨海新区十大功能区基础地理信息数据更新，津南区八里台镇土地复垦等测绘项目；2012年11月，天津市测绘院根据业务发展及实际应用需求并结合新机型重新搭建了一套无人机低空遥感系统。本文主要针对无人机低空遥感系统所搭载传感器的选型情况进行简单介绍。

2 无人机低空遥感系统传感器选型参考因素

常用低空轻型固定翼无人机为保证飞行安全，其有效载荷一般都不超过5 kg，不能搭载一般有人驾驶飞机所使用的重达百公斤量级的专业航空相机。因此，搭建无人机低空遥感系统时，通常采用稍为高档的普通数码相机作为传感器，选型过程中，主要参考以下因素:

(1)相机重量

一般情况下，要求数码相机重量(包括机身及镜头重量)应不高于2 000 g。

(2)传感器尺寸，即传感器容量

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。当前主流全画幅相机，其CCD/CMOS尺寸能达到36 mm×24 mm，是无人机低空遥感传感器的首选。

(3)视场角

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，进而提高飞行作业效率并减少野外控制点的布设数量。然而，宽视场角也会带来影像边缘畸变大的问题，如何选择，需要综合考虑二者的效率，权衡利弊，予以取舍。林宗坚老师提出并实现了通过双拼组合相机扩展旁向视场角，实际生产中航空摄影测量效率大幅度提高，但是该传感器系统对无人机荷载要求较高。

(4)有效像素

传感器尺寸固定情况下，有效像素是影响无人机低空遥感系统成像地面分辨率的重要因素之一。测绘行业规范《无人机航摄系统技术要求》中要求用于航摄影像获取的数码相机的有效像素应大于2 000万。

3 无人机低空遥感系统传感器摄影测量效率评估

充分考虑上节所述无人机低空遥感系统传感器选型参考因素，由于低空无人机载荷有限，宾得、徕卡、飞思、哈苏等中画幅相机，鉴于其重量、机身尺寸、价格等因素，并不适合搭载在低空无人机上。因此，初步确定将索尼A900、佳能5D-Ⅱ、佳能5D-Ⅲ及尼康D800四款相机作为备选传感器，从而进一步开展航空摄影测量效率评估工作，其相关参数如表1所示:

无人机低空遥感系统备选传感器参数简表 表1

3.1 相同地面分辨率

为了方便评估上述4款备选传感器及其不同安置方式的航空摄影测量效率，现假定采用无人机低空遥感系统对总面积5.0 km2(东西向2.5 km，南北向2.0 km)的矩形作业区域实施航空摄影，要求:相机焦距选用24 mm，影像地面分辨率达到0.1 m，航片的航向重叠度70%、旁向重叠度40%。根据相关公式分别计算利用上述4款相机所搭建的无人机低空遥感系统的航摄参数，结果如表2所示:

备选传感器航摄参数计算表(相同地面分辨率) 表2

综合分析表2中4款传感器的相关航摄参数，有如下两方面的结论:

(1)传感器安置方式对摄影测量效率及高程精度的影响

①摄影测量效率。无论何种安置方式，同款传感器所获取的相片总数相当。但纵向安置方式的航线数比横向安置方式少近1/3，航摄效率优势明显；同时，有效减少了区域网空中三角测量对像控点数量的要求，降低了后期数据处理工作量。

②基高比。横向安置方式优势明显，能有效帮助提高高程测绘精度，对高程精度有特殊要求的情况下，可考虑此种安置方式。

(2)不同传感器摄影测量效率对比

①摄影测量效率。地面分辨率相同的情况下，传感器的有效像素直接决定了单张影像地面覆盖面积的大小，从而影响到覆盖作业区域的像片数量。4款备选传感器中，尼康D800的有效像素为其他3款相机的近1.5倍，因此，覆盖相同作业区域的像片数量仅为其他3款相机的65%，航线数减少近20%，能有效提高航摄效率，减少区域网空中三角测量对像控点数量的要求，降低后期数据处理工作量。

3.2 相同摄影比例尺

与相同地面分辨率情况相似，假定作业区域不变，要求:相机焦距选用24 mm，航高500 m，航片的航向重叠度70%、旁向重叠度40%。相关航摄参数计算结果如表3所示:

备选传感器航摄参数计算表(相同航摄比例尺) 表3

由于4款传感器所采用的传感器尺寸大小近似相等，航高、焦距相同的情况下(即摄影比例尺相同)，其单张影像地面覆盖情况类似，面积几乎相同；在航摄效率、区域网空中三角测量对像控点的数量要求及后期数据处理工作量等方面没有差别。但由于4款传感器在有效像素方面存在较大差异，导致其所获取的影像的地面分辨率有较大差异，尼康D800最优，索尼A900次之，佳能5D-Ⅱ、佳能5D-Ⅲ近似，地面分辨率最低；而高分辨率能有效帮助提高无人机低空遥感系统的平面和高程测绘精度。

3.3 小结

从4款备选传感器的相关参数看，尼康D800在有效像素、最大分辨率、像元尺寸方面存在明显优势；综合分析其航空摄影测量效率，尼康D800在航摄效率、地面分辨率、区域网空中三角测量像控点数量要求及后期数据处理工作量等方面均展现出较大优势，可首选作为搭建无人机低空遥感系统的传感器。而对于荷载较小的超轻型无人机低空遥感系统(如旋翼机)，可选择索尼NEX-7相机(其传感器尺寸为23.4× 15.6 mm，有效像素2 430万，最大分辨率达到6 000×4 000，但机身重量仅为291 g)作为其传感器。

4 应用展望

近年来，无人机低空遥感系统在抗风能力、姿态稳定度、续航时间等方面得到极大提高；与高精度GPS的集成则使其成为高空间、高时间分辨率遥感数据获取的可靠手段，能满足突发事件及灾害监测、高时效性资源监测、数字城市建设、国土资源快速监察、新农村规划等应用要求。伴随着无人机低空遥感系统的转型换代，本文提出的相机重量、传感器尺寸、视场角、有效像素等参考指标及航空摄影测量效率评估方法可作为无人机低空遥感系统传感器选型的重要依据。

[1] 林宗坚，苏国中，支晓栋.无人机双拼相机低空航测系统[J].地理空间信息，2010，8(4):1～4.

[2] 吴正鹏.无人机载双相机低空遥感系统应用初探[J].城市勘测，2011(01):76～80.

[3] 范承啸，韩俊，熊志军等.无人机遥感技术现状与应用[J].测绘科学，2009，34(5):214～215.

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[7] 金伟，葛宏立，杜华强等.无人机遥感发展与应用概况[J].遥感信息，2009(1):88～92.

Research on Sensor Selection for UAV Low-Altitude Remote Sensing System

Wu Zhengpeng1，Xi Ge2，Liu Yutong3，Zhang Xiaodong1
(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China；2.National Marine Data Information＆Service，Tianjin 300171，China；3.Tianjin Institute of Geotechnical Investigation＆Surveying，Tianjin 300191，China)

To solve the sensor selection for UAV low-altitude remote sensing system，proposed the reference factors such as camera weight，sensor size，field angle and effective pixels.In themeantime，the UAV aerial photography project simulation was used to evaluate the efficiency of aerial photogrammetry for the four alternative sensors:Sony A900，Canon 5D-II，Canon 5D-IIIand Nikon D800.Nikon D800 was recommended as preferred sensorwhile build UAV low-altitude remote sensing system.

UAV；low-altitude remote sensing；sensor selection；aerophotogrammetry efficiency；photogrammetry

1672-8262(2013)05-50-03

P237

B

2012—11—06

吴正鹏(1981—)，男，注册测绘师，高级工程师，主要从事摄影测量与遥感数据处理、应用研究工作。