无人机航测在青藏高原的作业特点及其应用

马立华 熊文博 郑永虎（青海省高原测绘地理信息新技术重点实验室）

我国高原面积占国土面积40%，无人机在高原地区飞行，由于受环境因素的影响，无人机的飞行状态以及机载设备的运行与低海拔地区飞行有着明显的区别。随着高原地区进行无人机航测的需求日益增加，因此展开无人机在高原地区的航测应用研究十分必要。

无人机高原航测团队。

随着国家西进战略的不断纵深推进，无人机航测技术在高原地区有着广泛的应用前景，无人机在青藏高原地区的实际应用从理论和实践上探索了无人机高原飞行的有关问题，取得了一定的成果。在青藏高原，其平均海拔在4000m以上，高原特点表现相当明显；但是该地区测绘地理信息的基础相对薄弱。因此，研究以无人机为平台进行高原地区的航测飞行，对提高生产效率，提升产品质量，拓宽测绘产品的应用范围，以及对该区域的测绘地理信息建设具有重要的意义。实践证明，使用目前比较通用的常规固定翼航测无人机，在海拔4000～5000m的高原实施航测飞行，是可以做到的。

无人机发动机也会受到高原特性的影响。

青藏高原环境对无人机飞行的影响

在海拔4000m左右，空气密度只有海平面的60%～70%，空气含氧量相当于海平面的60%～65%，大气压只有海平面的一半。由于空气密度小，加剧了空气增温和降温的强度，使气温日变化幅度增大，因地形地貌因素影响日气温变化一般超过15度。另外，青藏高原许多地方一年之中大风日超过100天，有的地区甚至超过200天；降水量每年5月至9月最多，可占全年降水量的80%～90% ，而降水的主要形式是雪和冰雹。

高原低温缺氧对发动机的影响

在高原地区，空气密度随海拔升高而降低，对于内燃机来说造成进入发动机气缸的空气充量也发生变化，使得进入气缸的燃油得不到充分燃烧，功率明显下降。低温也使发动机润滑油特性下降，使其在高海拔高空作业时发动机的不稳定性明显增加，经常出现发动机过热，燃油调校值不稳定，空中熄火等现象。

高原地区无人机航摄系统的组成。

高原低温环境下对电池的影响

在高原地区所有的环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大。温度下降，电极的反应速率也下降。假设电池电压保持恒定，放电电流降低，电池的功率输出也会下降。温度也影响电解液的传送速度，温度上升则加快，传送温度下降，传送减慢，电池充放电性能也会受到影响。

高原高山及峡谷地形对飞行的要求和影响

跑道更长：高原空气稀薄，无人机的真空速要比平原大得多，并且发动机的推力明显减小，使无人机起飞距离及着陆距离显著增加。

性能要求更高：高原飞行时无人机的机动能力降低，爬升和稳定能力变差，无人机空中加速、减速所需距离增长，转弯半径增大。

易遭遇风切变：高原峡谷海拔高，近地面空气受阳光照射受热不均，加之地形气流，峡谷地区经常出现大风，而且风速、风向变化也很大，极易形成乱流、颠簸和风切变。

实时通信链路易受影响：地形地貌对无人机监控回传信号影响十分明显，常规范围下的距离有着明显的下降，某些特殊情况下基本无监控信号。

综上所述，青藏高原地理环境对无人机飞行和航摄质量有着很大制约，全国测绘地理信息行业对无人机在低海拔地区的研究成果很多，而在高原地区进行的无人机遥感航测工作还比较少。因此，加大无人机在青藏高原地区航飞及数据处理技术研究，对开拓无人机在高原地区的应用领域有重要的意义。

另一方面，由于青藏高原人口密度小，地物稀少，植被稀疏，地貌单一，因此在这个角度上，青藏高原相对于低海拔发达地区更适合无人机的实际飞行。

高原地区无人机系统的改造与选配

高原对发动机的实际影响

发动机是无人机各部件中最重要的部件之一，对于正确了解和掌握各款发动机在高原地区的使用特性，也就等于克服了高原无人机技术难点之一，为无人机的安全飞行打下良好基础。

利用青海省高原测绘地理信息新技术重点实验室为平台，在高原为获得更加实际的发动机功效数据，对发动机的拉力进行了高海拔地面静态测试。在发动机出厂标称值最大可产生拉力13.76kg，无人机重量17.2kg，无人机功重比1∶0.8；海拔3950m时，测得最大拉力仅为7.6kg，无人机功重比仅为1∶0.35。有效地说明了高海拔地区对发动机功率的影响。

无人机的选型

应根据不同飞行特点需要来订制适宜高原地区作业的飞行器，也可根据其飞行条件影响改进无人机，提高技术参数，如载重、航时、翼形、升力系数、机体结构、起落架等，来完成高原特定条件下的无人机安全飞行，取得有效数据信息。

从经验得知，海平面滑跑起飞的安全离地速度应不小于60km/h（16.6m/s），而在海拔4000m高度，无人机的安全离地速度。速度不得低于75km/h（20.8m/s）。根据任务需要无人机会有不同的搭载配置，重量也会随之变化。通过计算，无人机的海平面标准推重比应不低于0.8，才可以确保飞机在海拔4000m以上的高度有足够的动力起飞和爬升。虽然这个结论数据只是相对条件下的飞行数据，但具有相当高的可靠性，完全可以用于指导飞行实践。

飞行控制与电源管理

飞行控制主要包括飞行控制器、无线传输电台、控制执行机构、电源等。飞控系统主要是利用GPS导航定位信号，陀螺仪加速度计等硬件设备，通过算法解算控制无人机的执行机构使其自主飞行。由于高原低温影响电池性能，因此高原飞行应该注意温度变化对电源放电系数的影响，在高海拔地区应对其进行保温控制。

(上) 航测航线计算。

航测作业飞行中的注意事项

充分利用数字地图，根据项目已知资料在地图上确定航飞区域，首先要确定已知的区域资料的坐标系以及区域文件格式，无论任何信息都要进行转换或求解确定所飞行的区域。将数字地图上显示的目标地域图片保存下来，导入到地面监控站地面控制软件，目的是在地面控制软件中能够直观地看到航线的布设及目标区域的位置。

航线计算

面状区域型的航空摄影一般以东西飞行为主，也可根据测区的范围特点采用南北飞行，有时也可根据测区地形及区域的不同采用自由航线航线布设，但要保证覆盖整个测区。

像片重叠度根据地面分辨率的要求，具体设计可灵活选择，航向重叠度一般应为60%～80%；旁向重叠度一般应为15%～60%，根据作业经验设定为40%较为合适。

在青藏高原，摄区地形条件很难达到高差小于航高1/6的要求，所以航高理论上取测区内相对基准面进行计算，重叠度要满足测区内最高点取值来计算，逐条航线计算航线间距和曝光间隔，以满足航向重叠和旁向重叠的要求。

地面控制

在青藏高原大部分地区山高谷深，人迹罕至，地面站接受通信信号差，加上手机通讯信号无法覆盖，一般在平原地区飞行中使用的机载GPS定位回传系统无法在手机上接收到有效坐标信息，如果一旦发生问题人员无法及时到达现场。所以在高原地区飞行中，大多使用双地面站接受通信信号，分布按地形变化设置，保持飞行回传信号的通畅，使其达到多点接收，提高无人机在高原地区飞行的可靠性。

航前检查

无人机的航前检查需要检查以下条目：

● 检查传感器数据以及其零位和需要清零的传感器（空速、俯仰滚转偏置，陀螺零位）；

● 转动无人机，检查陀螺和加速度计工作方向和数据正确；

● 挡住空速管，空速是否为零，手指按住空速管加压，检查空速变化；

● 设置当前地面高度，安全开伞高度，是否使能自动应急开伞；

● 检查GPS，卫星数量和PDOP；

● 检查并记录初始电池电压和舵机电压是否达到相关技术要求；

● 检查航线：覆盖率、转弯半径、航高；

● 设置拍照间隔；

● 上传航线、下载机载航线层，检查航线上传是否完整；

弹射起飞是较合适的高原起飞方式。

● 相机试拍；

● 发送起降点位置。

飞行中检查

无人机的飞行中检查需要检查以下条目：

● 监视无人机姿态、转速、高度、空速以及空中标平；

● 进入UAV后，继续监视制式航线，有异常，切回RC，无异常，待无人机飞至预定高度；

● 预判制式航线与实测点之间位置，选择适当角度发送实测点（避免负角度，锐角等大机动动作）；

● 进入航线后，实时监视转速，空速，高度，偏航距；

● 完成航线返航后，进入制式，关闭机载航线层，航线层，选择起降点，编辑起降点航高并上传，手动降低航高；

● 无人机降落后，请勿断开飞控电源，下载POS数据并检查相片数量；

● 大面积航飞区域，采用双机同时作业能有效提高航飞的作业效率；

● 像片调绘、像控测量、内业处理的流程和其他地区没有区别，不再一一介绍；

需要注意的是，在青藏高原地广人稀，像片调绘和像控测量最好同时作业，并在像控作业过程中测绘足够数量的保密检查点，以提高效率，减少作业成本。

应用领域及取得的成果

利用无人机航拍航测快速获取高分辨率影像资料，进行地图测绘和地理信息数据的获得，助力地质找矿、防灾减灾、交通建设等是近几年刚刚兴起的新技术，在高海拔地区还处于试验阶段，大量用于生产的不多，但也已经取得了一些航测成果。

在“格尔木市夏日哈木镍钴矿勘查”项目中，为满足地勘工作的需要，对矿区内异常体范围进行1∶ 2000地形测量，并首次在东昆仑发现基性岩体有关的岩浆熔离型镍钴铜矿产。

在水利工程中，青海省蓄集峡水利枢纽工程航空摄影测量项目是典型应用。该工程位于青海省德令哈市蓄集乡，东西宽4km，南北长12km，测区内山高谷深，相对高差达1000m，飞行过程中的绝对航高4600m，需要逐条计算航线间隔。因此航测采用提前布设像控点和测绘检查点的方法以减小工作量，在航摄时采用双地面站监控防止无人机丢失信号盲飞情况的发生。

青海省（应用）基础研究计划项目“无人机航摄系统在地质灾害应急、监测与治理中的应用基础研究”中，无人机完成研究区16km2的DOM、DEM、DLG的制作，在DOM的基础上调查地质灾害的种类、分布、大小等，成果水平达到国内领先水平。

在土地确权应用中，无人机可获取地形图，为土地确权工作提供所需的基础数据，高原地区在人烟稀少地区进行无人机航测，提高了土地权确权登记效率，降低了人工劳动强度。从2014年起，无人机航测为青海省互助县、民和县、同德县、贵南县、共和县、格尔木市、德令哈市等县（市）农村土地确权登记颁证项目提供基础调查底图（DOM），飞行面积超过8000km2。

在昆仑山口的航测飞行中，起飞场海拔达到4700m，飞行高度达到5520m，并成功获取高分辨率影像数据，创造了运用无人机低空航摄技术在高海拔地区获取高分辨率影像的新纪录。

近年来，国家测绘地理信息局非常重视无人机航测测量技术，通过应用航拍摄影测量技术，能够为社会提供更多、更好、更丰富精确的城市测绘模型产品和服务。无人机航测技术无疑将会在我国高海拔地区地理信息产业中扮演更加重要的角色。 ■