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在南极用无人机做倾斜摄影是怎样一种体验?

时间:2020-4-9 14:00:36栏目:倾斜摄影点击数(0)已有0人评论 加入收藏

  冯洋,男,38岁,黑龙江测绘地理信息局高级工程师,中国南极科考队员,从事无人机飞行工作3年。在刚刚结束的中国第33次南极科学考察活动中,他操作无人机在中山站所在的东南极拉斯曼丘陵协和半岛区域飞行近2个月,先后经历地磁干扰、阵风湍流、白化天、交通阻塞、空域干扰等诸多险情,圆满完成既定任务。

  冯洋在操作无人机飞行中/图 来源网络

  2016年11月2日,中国科考队从上海出发开启第33次南极科考之旅,经过澳大利亚的弗里曼特尔港口,29日到达中山站。冯洋的工作任务是使用无人机进行倾斜摄影,获取中山站所在的协和半岛区域地表影像数据,回国后生产制作数字全景地图。

  出发

  冯洋和他用来完成任务的无人机倾斜摄影装备/图 来源网络

  这次任务,冯洋携带的飞机是大疆S800和M600,合作伙伴广州红鹏公司对其做了特殊改装,包括更换机臂、电机、电调,以及更换大尺寸的桨等,并在防寒、防潮等方面采取了强化保护措施,在低温、潮湿环境下进行了长时间测试,还妥善解决了一直困扰冯洋他们的地磁干扰的问题,再加上由“1个垂直+4个倾斜”五部相机集成于一体的倾斜影像拍摄云台,组成一套多旋翼无人机倾斜摄影系统。冯洋带了近10组电池,并准备了多余的螺旋桨、螺丝、玻璃胶、扎带等。唯一遗憾的是在运输时个别电池出现了质量问题,直接导致了每天飞行架次的减少。

  中山站位于东南极大陆拉斯曼丘陵协和半岛,站区距离冰盖边缘约5公里。同样在拉斯曼丘陵建立科考站的还有俄罗斯和印度。科考期处于南极的夏季,温度在-5-5℃之间,最冷的时候达到-10℃,白色和棕色。拉斯曼丘陵以几千年万年风蚀出来的丘陵地貌为主,地表只有两种颜色,低洼处伴有积雪或湖泊,远处就是积雪、冰盖海面和冰山,地势高差近百米,局部地势起伏较大。半岛上仅有的一条路是多年行车走出来的,也只是多年来人工将大的石块搬走,相对平坦而已,但有的地方几乎能够达到30度的仰角,行车困难。

  在南极外出作业,有着严格的安全规定。外出飞行时,按照规定不能少于两个人。在出发进入项目区之前,他们要和站长、站区报房值班人员登记报告,并通过对讲机或卫星电话保持通信。机械师将他和队友及设备送到到达项目区后返回,在预定的时间再去接他们。队友和冯洋一同搬运设备,在飞行时他还要站在高处进行了望。

  飞行前制定计划时,冯洋和队友会先把一个大的项目分成N个小块,在飞行时操作飞机S形飞行。每次起飞前,都需要从场地、气象、空域、设备4各方面进行准备:

  冯洋在操作无人机飞行中/图 来源网络

  飞行准备-场地

  首先,要在飞行前对起降场地进行踏勘,并实地查看周围的裸岩、积雪、冰面、水面的位置和情况。为了节省时间,他们往往选择大风等不利于飞行的天气里步行勘测,因为站区的车辆也不多,需要首先保障更需要车辆的队员使用。

  冯洋选择起降场地都是在“路”的周边区域,选择平坦的地方作为其将场地。飞行区域必须跟着场地走,还要尽量在一个起降点飞行多个架次,覆盖更多的区域。为了节约电池电量,使飞机减少往返的路途,有的起降点会选择在距离道路比较远,而且在车辆无法到达的地方,这时就需要人力将所需设备搬运到指定区域后再飞行。设备很重,尤其是电池,两个人抬着两个大箱子在布满锋利岩石的地方行走很困难。

  飞行准备-气象

  无人机飞行对天气要求较高,冯洋他们会选择在天气晴朗、风力较小的天气执行飞行任务,考虑到积雪融化等因素对地表环境变化的影响,他们会在较短的时间内连续多天工作,以保持地表影像的连续性。

  但中山站附近区域的天气变化较快,由于受冰盖下降风的影响,一般是上午风力较大,午间风力开始减小,下午至晚间基本没有风。白天气温有时候会下降到0℃以下,最后一天飞的时候日间最高气温已经是-10℃。所以在天气预报是晴好的天气时,冯洋他们都是上午就准备好设备处于待命状态,一旦发现风力降低到3-4级就出发,到达飞行区域后基本可以直接飞行了。但在接近冰盖边缘的山谷区域飞行时则需要进一步判断,因为山谷的影响,地面风力比平地要小得多,这就造成了风速很小的假象,但在山顶上空会形成气流的湍流,瞬时风力是很大的。

  冯洋记得,最后一天飞行作业的区域靠近丘陵地带和冰盖的衔接处,但部分航线已经进入冰盖区域(冰盖上有很多冰裂隙,千万不能乱走)。飞行前地面风力1-2级,初步判断120-150米空中风力3-4级,不会超过5级,问题不大。但在飞行途中,突然看到飞行轨迹严重偏离预设航线,在预设航线的一侧呈不规则的波浪形变化,并伴有回归设定航线的趋势,冯洋听声音,发现电机噪声偏大,有抖动,但目视姿态还可以,飞机的各个螺旋桨都在旋转,机身没有自旋,他初步判断是侧面强风的影响,所以决定等飞机自稳调整。果然,在继续飞行大约300米后恢复正常。虽然前后只有几分钟时间,但冯洋的感觉很漫长,他已经是一身冷汗。

  南极还有一种白化天气,它是由于太阳光在地面冰雪面和空气中的冰晶中反复反射,形成的白蒙蒙的现象,这种天气一般来得很快,而且会持续一段时间。但往往白化天时也会出现大风+地吹雪的情况,地面的车辙、脚印也很快会被淹没,分不出天地,人也会失去方向感。冯洋回忆,一旦遇到这种天气,他会和队友立即整理设备返回站区,实在来不及就会到车辆、避难所、附近的建筑里面躲避,并呼叫站区报告位置,那样的话只能等待救援了。

  和队友在水边/图 来源网络

  飞行准备-空域

  在南极中山站区域没有空中管理部门或机构,附近有俄罗斯进步站、印度巴拉提站,他们经常有直升机在执行运输任务,100公里外的澳大利亚戴维斯站也经常有直升机到这三个站“串门”。直升机目标大,在空中很远就能看见,而且还有雷达等设备,能够很容易发现并采取避让措施,三方彼此之间并没有空域通报机制,也都不太重视空域使用通报。

  无人机目标小,且没有自动应答设备,而且飞行高度一般在100-300米之间,和直升机飞行高度重叠,当直升机飞行员发现时已经是很近的距离了。而由于地形限制,无人机操作人员视野受限,即使听见直升机轰鸣声,也无法判断直升机飞行方向,往往会采取切断航线飞行,紧急降落等措施。即使如此,如果是空域重叠的话,也是来不及避让的,这对无人机设备和直升机都是一个巨大的安全隐患。

  冯洋记得,有一天正常飞行时,发现印度的小飞机“小松鼠”贴着山边就过来了,飞机飞在100多米高度,冯洋和队友之前听到了声音,就开始准备降落无人机,但等发现时已经距离它比较近了,还好这个“小松鼠”并没有在无人机准备降落的路线上,虚惊一场。

  基于上述原因,冯洋在飞行前会提前几天发送电子邮件通知对方飞行空域、时间、高度、区域四点坐标、配图等信息,注明是无人机飞行,然后通知站区报房,在此时间段内通过报房保持三方信道通常。在飞行时还会派人在飞行区域周边的山顶上人工了望,一旦发现直升机就用对讲机呼叫自己的操作人员,采取相应的安全措施。

  飞行准备-设备调试

  在南极飞行,前面提到的场地、气象和空域是最重要的,最末才是设备的准备。

  在南极的低温环境下,对无人机的维护时间也需要加长。比如在国内电池是放在箱子里,带到现场就可以,但是在南极得放在车上,车上保暖条件好一点。飞机的保暖措施还是比较好的,但地面站软件使用的PAD监控器是金属后壳,掉电特别快,他在用的时候是偶尔拿出来查看一下参数,平时放在怀里,同时还怕放在怀里把它停止或者误操作,所以要非常注意。对于数据则是用两个硬盘双备份。

  不同的无人机飞控对GPS、磁罗盘、陀螺仪数据的解算是不同的。有的飞控在解算GPS、磁罗盘、陀螺仪数据后得出的方向、角度、姿态等数据与现实不符,即使无人机通过自检,也会经常出现指南针错误等提示,严重的是起飞后向一个方向自行加速漂移飞行,控制十分困难,类似于在使用“手动模式”飞行,炸鸡也就在所难免,这是有先例的。

  冯洋说,目前比较好的解决方式有两个,一是:在无人机设备飞行作业前先升级飞控、地面站等设备程序到最新,并进行试飞测试,确保正常工作。目前看小精灵4、Mavic Pro表现的都正常。二是使用带有地面差分基站的无人机设备,例如大疆经纬M600。

  中山站所在的协和半岛距离南磁极大约2700公里,这里地磁偏角较大,磁场角度、磁场强度等都与国内存在较大差异。在国内飞大疆的飞机前进行地磁检校一般不会超过30秒,但是在南极大约需要3-5分钟,花费的时间非常长。

  冯洋拍摄的南极景色/图 来源网络

  南极生活

  在国内出发前,对飞行中遇到的各种情况都会形成预案,例如无人机发生堵转后姿态不稳降落时,冯洋会首先选择积雪深的地方,这样能够最大程度保护设备;如果不满足也会选择在沙地,这样会尽力保护飞控等电子设备。他说,一定要避免跌入水中、冰面,水中就不说了,因为夏季气温升高,冰面也是十分危险。

  2个多月的南极生活,给冯洋留下很多难忘的记忆。队友和机械师毫无怨言地帮助运输设备,一起完成任务。在站区测试无人机时,机械维修组的队友们返回站区,很多人对无人机很感兴趣、很好奇,后来冯洋就操作无人机给大家拍了一张合影。他笑称,这些人都是不同科研领域的专家,但是每个人都按照站里的安排,去做一段时间公共服务,比如修车等,他们身上崭新的衣服经过摸爬滚打后变成照片上的样子,都是勇于奉献的人,很温馨也很励志。

  在野外飞行时,他们渴了就直接趴在湖边喝湖水。那是冰盖上积雪的融水,在丘陵的低洼地带形成一个淡水湖,夏天就是湖水,冬天就是冰,千万年都在哪里。中山站周边的美景很多,冰山、湖水、奇怪的岩石,遗憾的是忙于工作,飞行前后都需要对设备进行检查,注意力很难集中在美景上,也没拍到太多风景画面。

  趴在湖边喝水/图 来源网络

  和机械维修组的队友合影/图 来源网络

  航测设备

  这不是无人机首次参加南极科考任务,中国第32次南极科考时,也派出两架无人机到长城站进行科考活动,冯洋作为设备负责人和广州红鹏公司的技术人员在一起摸爬滚打一个多月,全程参与了生产、制造、测试,以及最后的装箱运输过程,对每一个提出的问题都进行了论证和测试。最后结果证明所有的预案都是必要的,并且是行之有效的。

  在3年多的时间里,冯洋几乎尝试过大疆系的全部飞机,日常测试、训练和娱乐时主要飞精灵系列、悟1、Mavic pro等,测绘作业则主要使用筋斗云系列和经纬M600等六轴、八轴无人机。在他看来,大疆的设备可靠性不错,容易上手,软件支持也不错。但缺点也比较突出,那就是安全性或安全机制还不够,当然,这不仅是大疆一家公司需要改进的,而是无人机设备普遍面临的问题。改进建议有二,一是增加和完善降落伞设备,实现故障、失速等情况下的弹伞,尤其是在飞机动力完全丧失后,可以有独立的触发方式弹出降落伞,通过多种安全措施最大程度保护地面目标。二是采取设备销售登记、限高、限飞行区域等措施减少“黑飞”、“扰航”事件的发生。这是无人机厂商可以在自己能力范围内实现的,可以尽量降低无人机对社会环境的负面影响。

  冯洋结合自身的工作经历还提到,无人机需要安装可以与载人机进行识别的自动应答设备,这是无人机发展应用的关键,有了它,无人机才可以被纳入通航管理。(最新消息是,大疆已经推出了ADS-B无人机应答功能)。

  冯洋拍摄的极光/图 来源网络

  无人机测绘前景无限

  冯洋介绍,传统测绘方式包括野外作业,使用卫星影像、传统航摄等手段,生产制作平面的地图。传统测绘一般分外业和内业两个方向,外业把飞机或卫星拍出的照片做相控,测量GPS坐标,做出控制点,之后把相控的坐标和地图影像给到内业工作人员,内业把影像放到一个坐标系上画成地图,生成的图像主要是影像图和线画图,像Google地图等都是这样画出来的。

  传统的航拍影像只能90度垂直地面拍摄,但倾斜摄影可以同时从前后左右拍摄四张图片,并和下视镜头的照片结合起来生产出三维实景地图,这种地图更加符合人眼视觉中的直观世界,不仅能够直观反映地物的外观、位置、高度等属性,还具有可量测、精度高、高清晰、细节丰富、现实感强等诸多特点,几乎可以替代现阶段所有的常规地图的使用。

  因此,无人机方便、快捷、灵活的方式加上倾斜摄影的行业应用,增添了技术手段,增加工作效率,也颠覆了以往的工作模式和产品模式,提供更为全面、丰富的地理信息产品。

  另外,对于南极冰裂隙发育密集的地区,传统的测量方式有较大的安全隐患,无人机的应用则在一定程度上解决了这个问题,目前还在继续研究和测试中。

  俄罗斯进步站距离中山站仅数百米,中国科考队员到野外进行科考时,还需要经过他们的站,两国队员平时交流很频繁,印度巴拉提站的队员也会到中山站交流访问。飞行工作中,冯洋常常遇到俄罗斯的科考队员,他们对中国在南极的无人机很好奇,表现出其大的兴趣。俄罗斯队员也有用无人机从事一些地形勘察之类的活动,例如查看冰裂隙、油管等,用的是小精灵,通过今年中国无人机的作业,已经开始关注无人机的使用,后续一定会有更大的投入。

  时间回到2014年年底,冯洋所在的单位——黑龙江省测绘科学研究所,正在研究倾斜摄影技术,考虑到无人机方便快捷、机动灵活,他们同时尝试了无人机的影像数据采集,冯洋对无人机一直很感兴趣,从此与无人机不离不弃直到现在。冯洋未来计划,除了在行业应用方面拓展红外相机、地磁雷达等载荷应用,还包括继续开展极地倾斜摄影飞行,“使用无人机飞行,和为南极科考生产高品质的地图产品,是我的兴趣所在。”

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