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利用遥控飞行器拍摄城建声像档案的初步研究
来源：&&&&&&时间： 15:37:26
摘& 要：航空摄影可以从独特的视角反映拍摄物的形状特征和活动场景的整体风貌，具有常规地面拍摄不可比拟的优势。然而，利用传统的载人飞行器航拍受到诸多的限制，在城建声像档案领域的应用并不多。本文对遥控无人飞行器及通过其进行航摄的技术特点进行了重点介绍，并展示了部分在城建档案采集中的摄影成果。
关键词：遥控飞行器& 航空摄影& 声像档案
&&& 城建声像档案是城建档案的重要组成部分,它采用现代化声像技术手法,形象、生动、直观、真实地保存了城市的记忆,再现城市建设和发展的历史进程,印证城市面貌的变化。随着科技的发展，航空摄影在基础测绘、矿产资源开发调查与监视、铁路建设勘测等很多领域得到了充分的应用。然而，受载人航空飞行器的种种限制，航空摄影在城建声像档案领域的应用还有待突破。为创新声像档案的获取途径，南宁市城建档案馆对利用遥控飞行器航拍进行了实验性的研究，取得了初步的成果，实现了声像档案从地面向天空延伸，从静态记录逐步走向摄影动静结合的记录模式转变。
&&& 1.常规拍摄的不足与航空摄影的特点
目前，城建领域声像资料的获取通常采用照相机和摄像机配合的模式进行拍摄记录。传统的地面拍摄由于拍摄站点高度可调节的范围很小，即便采用大型摇臂，也存在可控调节高度不大、拍摄角度受限制、易遮挡的问题，难以把握建设现场或建筑物的整体态势。此外，为拍摄较大范围的建设工地场景，通常需要爬到附近的制高点上进行取景拍摄，而这也往往受到拍摄角度、通视条件的限制以及拍摄距离过远使得成像不够清晰，造成拍摄效果不尽人意。
&&& 航空拍摄具有&站得高，看得远&的优势，容易把握整体态势，可以从独特的视角反映拍摄物的形状特征，在获取城市风貌影像，大型建设场景、建筑物（群）整体外观等方面具有其他方式不可比拟的优势。通过航空摄影可用全景式、大视野的角度，更立体、直观、全景地展现城市建设发展变迁，从视觉上立体地诠释城市发展的轨迹，也给城市的发展留存一份完整的视觉档案。因此，航空摄影必将成为获取城建档案声像资料的一种重要手段。
&&&& 2.遥控飞行器相对于载人飞行器的优势
&&& 2.1 推广应用载人飞行器航摄的困难
尽管航空拍摄具有非常显著的优势，但是，目前国内城建声像档案领域应用该技术手段相当少，究其原因有主要有如下几点：
&&& 1.审批手续严格，限制条件多。根据我国《航空法》规定，我国的领空是不开放的，任何组织单位或个人的飞行都需向空军或民航申请，并且对申报主体资格限制相当严格，一般的单位或个人也很难办到。更麻烦的是若受天气因素影响变更飞行时间，还需要重新办理申报手续。
&&& 2.租用载人飞行器困难，且需要特定的起降场地。在我国能够提供飞行器（小飞机、直升机等）租赁服务的单位很少，且办理的程序也比较复杂。另外，通用航空的机场少，很多中小城市甚至难以找到合适的起降场。
&&& 3.拍摄费用非常昂贵。正常程序的飞行器租赁时间从起飞开始计算直至着陆,其间包括转场飞行时间、拍摄飞行时间。如果由于天气或其他原因造成拍摄无法进行费用是照收的。以直升机为例，飞行一小时约需要2～4万元，如此昂贵的费用，大大限制了航拍的应用。
&&& 4.载人飞行器的最低高度通常在500米以上，不适合对建筑单体或建筑群外观的近距离拍摄，难以获得高分辨率的影像。
&&& 2.2& 采用遥控飞行器航空拍摄的优势
由于国内载人航空摄影受到上述条件的限制,所以在我国很多地区和领域，人们逐步开始利用无人飞机、无人直升机、多轴飞行器等遥控飞行器来进行航空摄影作业。采用遥控飞行器进行航空摄影具有很大的优势：
&&& 1.遥控飞行器通常体积小，飞行高度不太高,不会影响到国家军事机密和民航正常运营,所以一般不用申报航空管制部门批准（机场、特殊地区除外）,手续非常简单。
&&& 2.遥控飞行器的购置及运营维护费用低廉，飞行费用远低于载人飞行器。
&&& 3.遥控飞行器通常体积小,机动灵活,可做超低空视距飞行，选择最佳的视角得心应手。例如它可以在山涧、隧道等狭小的地方进行快速飞行，甚至可以穿过大的门洞, 从而能拍到其它飞行器无法达到的视觉效果。
&&& 4.遥控飞行器对起降场地要求较低，受场地限制较小，在操场、公路或其它较开阔的地面均可起降，转场等非常容易。
&&& 5.遥控飞行器安全性能好，对航拍人员具有非常安全的保障, 即使万一飞行器失控,也不会出现真飞机那样机毁人亡的惨剧。
&&& 3.遥控飞行器航摄的技术特点及影响因素
&&& 3.1 &遥控飞行器航摄的技术特点
&&& 1.遥控飞行器航拍是以无人驾驶飞行器为空中平台，以专用照相机、摄像机以及视频无线传输技术获取信息，用计算机对图像信息进行处理，并按照一定精度要求制作成图像。多用途、多功能的影像系统是获取遥感信息的重要手段，根据飞行器的载重能力也可使用小型数字摄像机或视频无线传输技术进行彩色摄制。
&&& 2.机载系统可将飞机下方的地面图像实时地传输到地面，实时显示、实时记录，用于导航和取景。拍摄人员根据地面监视器实时操纵飞机和拍摄。因此对无人机的操控技术要求就比较高。
&&& 3.遥控飞行器的飞行范围受遥控距离和目视距离的限制。目前用于航拍的遥控飞行器飞行距离最远不能超过300 米。理论上,以遥控器的遥控最远距离为飞行最大半径, 但在实际操作中, 因需要操控员以肉眼观测遥控飞机的飞行姿态, 以掌控飞行状况, 所以遥控飞行器的实际飞行半径很小, 很难达到300米，多数情况是, 在接近于300 米的时候就要考虑到飞行器是否能够安全返回的问题了。
&&& 4.云台稳定系统是遥控飞行器的重要构成部分。通常采用的三轴陀螺稳定航拍系统分为开放式陀螺稳定平台和一体式陀螺稳定吊舱。它带有性能出色的四点连接避震悬挂系统，对抑制由直升机产生的中高频震动有显著的效果。
&&& 5.由于遥控飞行器的承载能力有限，携带动力能源（电池、航油）不多，因此，飞行时间不长，巡航时间一般在10～30分钟左右。因此，在进行航摄前合理选定拍摄目标和规划飞行路线非常重要。
&&& 3.2& 影响遥控航空摄影的因素
&&& 1.天气因素的影响。航拍首先要求空气能见度比较好,天空要透亮。除雨雪外的影响外，相对于载人飞行器来说,遥控飞行器普遍重量较轻, 在空中受风力的影响较大。然而由于体积和重量的限制, 很多遥控飞行器的减震系统并不能做到很好, 所以画面的稳定性要稍打折扣。因此，要取得较好的拍摄效果，最好选择无风或微风的天气。
&&& 2.交通因素的影响。出于安全及防止行人干扰的考虑，放飞遥控飞行器最好避免选择在交通繁忙的路段和时段，特别是对于需要较大起降场地的固定翼飞行器，交通因素的影响更为突出。另外，由于遥控飞行器的航程一般较小，相关设备需要搭乘地面交通工具到需要航拍现场，因此，现场的可达性也需要予以考虑。
&&& 3.电磁干扰的影响。电磁干扰是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，通常由电磁辐射发生源如变电器、马达和机器设备产生的。遥控飞行器通过无线通讯来实现对飞行路线和状态的控制。在变电站、高压输电线路、通讯基站附近等电磁干扰强的场所，飞行器将难以与控制端进行正常通讯，因此，在正式实施航拍前，应该对场地附件电磁环境进行测试，以确定电磁干扰的强度是否对飞行正常飞行造成影响。
&&& 4.在绕建筑物进行飞行拍摄的时候,在飞行器和遥控设备之间不能有建筑物遮挡, 否则就会影响到遥控效果。这也就意味着遥控飞行器难以做一些盘旋拍摄。例如遥控直升机就很难完成拍摄从楼底或楼中央边盘旋拍摄边上升至楼顶的镜头。当飞机从地面起飞, 绕到大楼的后面的时候, 遥控器和飞机之间的遥控信号会被大楼挡住, 飞机收不到信号会马上降落, 直接产生安全问题。
&&& 5.操作者的熟练程度。遥控飞行器飞行平稳，飞行姿态、飞行路径正确是取得良好摄影作品的前提条件。另外，即使是用上了工程塑料和金属材料，遥控飞行器及摄影器材也还是容易摔坏的。因此，为保障飞行安全和拍摄质量，用遥控飞行器进行航摄对操作人员的技术及技能的要求非常高。
&& 4 遥控飞行的主要机型和设备介绍
&& 4.1 无人直升机与无人多轴飞行器的综合比较
&&& 遥控飞行器为航空遥感提供了操作方便，易于转场的遥感平台。可根据不同的需要选择不同类型的平台。目前市场上各式各样的设备很多，采用多轴飞行器航拍，价格相对便宜，采用无人直升机，价格相对昂贵，当然，采用载人直升机价格则更高，表1对比了无人多轴飞行器与无人直升机的差异。
表1& 无人直升机与无人多轴飞行器的比较表
无人直升机
无人多轴飞行器
汽油或电池
小，但大型设备可以载2公斤左右的设备
短，8-15分钟
小，相对于直升机
&&& 目前空中航拍照片和视频采用多轴飞行器是相对经济的方式，并且航拍的效果也可以满足非影视级别的要求。但目前国内，特别完整和完善的多轴航拍无人飞行器产品还很少，主要是航模爱好者将飞行设备和拍摄系统进行组装，那么这些设备的使用和维护，就需要具备较高的专业技术。国外有一些相对成熟的产品，但价格非常贵。
图1 德国microdrones四旋翼系统
如德国的microdrones md4-1000四旋翼系统是一种全球技术领先的垂直起降小型自动驾驶无人飞行器系统，可用于执行资料收集、协调指挥、搜索、测量、通讯、检测、侦查等多种空中任务。
&&&&&&& 4.2 国内遥控航飞摄影的主要设备
&&& 航模使用的几多轴飞行器设备介绍：
图2& 四轴航拍系统 Zero &Steadi 470
以北京零度智控提供的解决方案为例，该系统特点是：调试简单；可以遥控调整横滚、俯仰两轴角度；通过&傻瓜式&的个人手机、平板等手持地面站操作；具有智能航向锁定（Carefree）功能；智能锁定兴趣点，绕点飞行、跟随飞行；采用专用减震垫，最大限度消除&果冻&；修正算法快速有效，视频稳定性强；性价比较高。
图3& 六轴多旋翼航拍系统S800 EVO
以深圳大疆创新公司的6 S800 EVO为例，该系统特点：搭载拍摄稳定云台系统，是目前专业市场中控制精度最高，反应最灵敏，稳定性最高的云台产品，即使飞行器处于高速飞行状态中，它仍能够精准地控制您的摄影摄像设备保持稳定，角度精度可以达到&0.05&，使画面输出达到最佳的效果。
图4& 专业八轴航拍飞行器
该系列飞行器为满足高端用户对专业航拍的特殊追求而设计，为达到高可靠性、稳定性、安全性、低震动、低噪声、长航时飞行的目标，每一个飞行器出厂前均由专业工程人员专业组装和精密调试，具备冗余电源和高集成信号总成设计，配合专利快拆结构，使得航拍操作者得以轻松携带，实现快速展开并安全飞行。
&&&& 4.3 多轴飞行器的性能综合比较
表2& 多轴航拍飞行器性能综合比较
最大起飞重量
9kg（含电池）
最大有效载荷
空载18分钟，满载10~12分钟
空载20分钟，满载10-15分钟
空载30分钟，满载15-20分钟
最大10.2m/s
最大10.2m/s
7-8m/s（4级风）
7-8m/s（4级风）
小斯坦尼康
Zero &Steadi 470
大疆S800六轴多旋翼航拍系统
HTEC-MASTOR-M8专业8轴航拍飞行器
&&& 注：以上产品为高配产品。
&& 4.4 固定翼飞行器的性能特点
&&&&&& 固定翼飞行器相对于多轴飞行器具有可遥控距离大，巡航时间长，航速快的特点，在加装高增益天线的情况下在最远距离可达20KM。固定翼飞行器的机载电子设备（数传电台、微波发射机、飞控板、GPS、照相设备等）一般集成到飞行器内部。固定翼飞行器按飞行动力来源分电动与油动两类，尽管电动无人机航速低于油动无人机，但其重量更轻，价格，同时可靠性也高于油动无人机。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& 图5& 慧视8机型
以南宁慧视科技公司的慧视8机型为例，该机型机翼为双垂尾布局，无水平尾翼，重3.5公斤, 翼展2112毫米可以通过手抛、滑跑或弹射放飞，起飞速度达到55km/h，采用滑降、网降、伞降方式降落，操作轻便灵活，不过其降落区域需要60米&20米。系统由飞行器和地面站组成，两者通过数传电台实现双向传输的通信系统。
&&&&&& 该类机型主要用于小范围的航空摄影测量成正射影像图，所使用的设备主要是大型电动无人机+高像素微单相机。正射影像是利用从空中拍摄地面的照片，通过计算机合成一张完整的图像，得到从空中正上方俯视目标的效果。图6为该机型航摄并通过后期影像纠正后的图。
&&&&&&&&&&& 图6&& 正射影像成果图
&&&&&&& 5 &应用遥控飞行器获取声像档案的几点体会
&&&&&&& 为了解决城建声像拍摄途径单一、表现效果不佳的问题，南宁市城建档案馆在2013年初开展了利用遥控飞行器进行拍摄的研究，通过技术咨询、实地考察以及试验性飞行及航拍，逐步明确了我馆在利用遥控飞行器进行航空摄影的模式和技术指导，主要有如下几点经验和体会：
&&&&&& 1、遥控飞行器对我馆是个全新的课题，为了降低项目风险，我馆采用了与专业公司合作的方式，通过申请财政专项经费，将无人机航摄作为&城市记忆影像库&、&历史街区影像资料库&项目的工作内容来开展这项工作。
&&&&&& 2、根据城建档案收集的目的，我馆对拍摄对象进行了分类，提出明确拍摄要求：
表3&& 遥控无人机定点拍摄项目分类表
重点建设地区
城市空中鸟瞰景观，如五象新区、旧城改造、历史文化街区。
定点定期，在拍摄中兼顾日出、白昼、夕阳西下和入夜等不同时间段。
对城市地铁、主干道、绿城、水城建设等专题，重点工程。
定点拍摄，在拍摄中兼顾日出、白昼、夕阳西下和入夜等不同时间段。
竣工项目的建设工程项目（房建、市政）的全景。
项目竣工前后拍摄，在天气晴好白昼时段。
&&&&&& 3、在机型的选取上，考虑到多轴飞行器飞行状态平稳，悬空高度容易控制的特点，采用的遥控航拍的机型是四轴飞行器，实践拍摄的效果也不错。
&&&&&& 4、由于航摄受天气影响比较大，为确保天气一旦符合要求即可进行航拍，必须提前做好拍摄点的实施计划，提前到现场踏勘考察交通及电磁干扰情况，制定航摄路径。
&&&&&& 5、通过遥控飞行器获取影像及视频素材后，做好后期的剪辑与制作是强化声像作品表现力的重要手段。
&&&&&& 6、 部分航摄作品展示
广西体育中心建筑群鸟瞰
&&&&&&& 7 、结束语
&&&&&&& 城市航拍的声像成果是忠实记录城市规划、建设、变迁的宝贵声像资源，其历史价值和利用价值越来越受到人们的重视。遥控飞行器航空摄影技术将随着环境感知和防撞技术、测控和信息传输技术等民用无人机关键技术的解决，在城建声像档案领域得到更加广泛的应用。
&&&&& 【参考文献】
[1] 丁超,航拍飞行器的选择及注意事项[J]，现代电影技术,～19
[2] 飞路，极具潜力的遥控航空摄影[J]，航空知识，～61
[3] 黄爱凤 邓克绪，民用无人机发展现状及关键技术，航空航天科技创新与长三角& 经济转型发展论坛论文集[M]，24
[4] microdrone md4-1000 产品概述.
http://www./cn/products.asp
[5] &新一代小斯坦尼斯.
[6]飞行平台.
[8] 慧视-飞翼无人机系统
. /index.php?case=archive&act=show&aid=48
（易智华 胡新佩）
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