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1672考古无人机学习指南（II）可见光测绘地面站规划
随着无人机技术趋向智能化和自动化，地面站航线规划已经逐渐取代人工飞行，成为无人机低空测绘作业的主要方式。无人机根据地面站内预设的航线轨迹，在目标测区自主飞行，并按照等时间间隔或等距离间隔拍照，获取重叠率一致的相片，经由后处理即可获取正射影像、数字表面模型、实景三维模型等一系列地理产品。考古工作中无人机经常用于遗址大区测绘或者发掘区精细化建模工作，熟练地使用地面站规划任务航线，能够事半功倍，让各位干考古的同仁们免除一边飞行一边“疯狂”按快门拍摄的劳苦作业，轻松完成高精度遗址建模与衍生数据生产。
一 地面站是什么
可能对于各位文科出生的考古同仁们而言，对“地面站”一词比较陌生。地面站，全称“无人机地面控制站”，是地面操作人员直接与无人机交互的渠道。它包括任务规划、任务回放、实时监测、数字地图、通信数据链在内的集控制、通信、数据处理于一体的综合能力，是整个无人机系统的指挥控制中心。简而言之，就是无人机的“驾驶室”，能监视无人机的空中姿态、控制无人机的飞行动作与任务载荷，并保持无人机与地面的通信链路。
早期的无人机地面站通常包含三个部分：笔记本电脑、遥控器和数传电台。笔记本电脑内预装专用的地面站航线规划软件，内置地图、PFD（姿态仪）、航线编辑器等功能；遥控器则是和飞机上的接收机组成一条通信链路，负责控制飞机姿态和任务负载状况；数传电台则是地面站和飞机之间建立的第二条通信链路，在无人机起飞后转为地面站自主飞行模式时，遥控器链路在超出信号范围（通常为1-2km）后转由数传电台维系飞机与地面的通讯，驾驶员直接通过地面站软件监视飞机姿态，发送指令给飞机。
上述的情况在多旋翼飞机出现后发生了转变，一些行业无人机将地面站集成为一台带屏遥控器，内置地面站航线规划软件。用户仅需在遥控器内设置航线参数生成任务文件，即可发送到无人机飞控中指挥无人机执行。而我们考古行业所接触到的无人机地面站，其实就是这种高性能的带屏遥控器，而用得最多的功能，就是地面站的航线规划。
二 考古常用的航线类型
笔者在考CAAC民航无人机超视距驾驶员执照时，曾经学过不同类型的航线，有多边形、圆形、扫描航线等等。对于考古工作来讲，最常用的就是扫描航线。
扫描航线其实是在一个划定的测区范围内，飞行器按照一定的间隔来回飞行的航线（图一）。飞行器在航线飞行时触发可见光相机，按照相同时间间隔或距离间隔拍摄照片，覆盖测区，经后处理生成二维正射影像。这种航线能够精确地控制拍摄照片的重叠率，确保采集的数据能够满足空三需要，顺利建模，因此很多无人机测绘任务青睐采用此航线规划。在笔者的考古航测工作中，扫描航线也是最常见的一类规划，采用大疆地面站软件（GSR、Pilot2、GS Pro等）只要划定测区，设定好重叠率，即可生成对应的扫描航线。
随着考古数字记录由二维转向三维，无人机也从单一的正射影像获取转向拍摄倾斜摄影，获取遗址区域三维模型。常见的倾斜摄影测量多采用五镜头测绘相机执行，但考古队配备的无人机大部分搭载的是单镜头，因此在基本的扫描航线之外，飞机还要朝测区周边的四个方向分别飞一组扫描航线，拍摄倾斜影像，即五向飞行模式。
除了扫描航线外，近年来为了提升航测效率，还出现了环绕航线，即无人机在测区内按照设定的圆心和半径做环绕飞行，相机镜头始终对准圆心位置做倾斜拍摄。这种航线一般用于城市高楼建模或者地物复杂的区域建模，能够很好地拍摄到复杂地物的细节，生成高精度三维模型。在考古中，这类航线多用于古建筑三维建模或者大遗址区域测绘。
图三 环绕航线
（Way Point Master航迹大师地面站软件）
最后，还有一种新兴的摄影测量方案——贴近摄影测量，即先通过扫描航线获取测区的粗略三维模型，在通过特定的地面站航线规划软件，依据测区的三维空间形态，设计贴近航点，每个航点对应一个拍照指令，最后生成一组贴近摄影测量航点合集，导入飞行器地面站执行。此类航线一般适用于悬崖类遗址（崖墓）或者古建筑等需要精细立面结构的场景。
三 适应考古工作的航线规划
考古无人机测绘工作大多为了获取遗址区域的正射影像和高精度实景三维模型，规划航线以扫描航线为主。下面就为各位讲解适应考古工作的无人机测绘任务航线规划的一些技巧。
航线规划包括两个部分：航线基础设定与航线优化。前者指在目标测区内根据测绘精度需要设定航线参数，生成测绘航线；后者则在保障成图精度的前提下，为提高采集效率对航线细节优化，提升单架次作业时间和采集效率，后处理时减少冗余计算量。
3.1 航线基础设定
1地面分辨率与飞行高度设置
对于可见光摄影测量而言，有一个很重要的参数——地面影像分辨率（GSD）需要考虑，它是指图像中相邻的两个像素中心的距离代表的实际距离是多少。GSD是控制成图比例的关键，在DPI（打印分辨率）为300时，1:500数字地图对应的地面影像分辨率为4.23。而GSD在无人机相机参数固定的情况下，由飞行高度影响。
以大疆P1全画幅航测相机为例，单个像元大小为4.4微米，焦距35mm（搭载35mm镜头下），若某考古遗址需要拍摄GSD为5cm/pixel的数据，根据上述公式计算可得任务航高为397.72米，实际设置时可以设置为397米。对于一些搭载较小CMOS（如一英寸）的无人机而言，推荐选择两倍GSD作业，以确保成图精度。
2 重叠率
无论是正射影像还是倾斜摄影，重叠率是确保成图的关键参数。在扫描航线中，影像重叠率分为两类：航向重叠率和旁向重叠率。其中航向重叠率是指，在同一条航线中前后相邻的两张影像的重叠率。航向重叠率越高，单条航线上的拍摄节点越多，对相机快门速度和SD卡写入速度都是极大的考验。对于考古工作而言，一般航线重叠率设置在70%。对于搭载广角镜头（24mm）的全画幅航测相机而言，航向重叠率可以适当下降，不低于45%都可以满足成图需要。
图四 航线重叠与旁向重叠示意图
旁向重叠率是指在扫描航线中，两条相邻的平行航线上，相邻两张影像的重叠率。相比航线重叠率而言，旁向重叠率对数据能否成图作用更为关键，因此重叠率需要设置得更高，一般为80%，全画幅或者中画幅可以降低至65%-70%。旁向重叠率直接影响扫描航线的间隔距离，这意味着如果旁向重叠率越高，同一高度和测区内的航线越密，飞行时间越长。
3 相机设置
完成上述航线关键参数设置后，接下来要对测绘相机参数进行参数调整。与拍摄遗迹照不同，测绘飞行过程中飞机始终处于移动状态，甚至有些航测无人机为提高采集效率，会提升飞行速度。因此最为关键的参数是快门，航测中快门速度不能太慢，不然会导致成像模糊，一般建议设置在1/1000以上，若光线太暗且ISO和光圈调节后效果均不理想，可以将快门速度下降到1/500，但飞行速度也要降低。除了快门外，光圈一般设置4-6（相机光圈最大F2.8情况下）即可，ISO可设置为自动。白平衡则根据天气设定为“晴天”或“阴天”模式。测光选择“平均测光”，对焦模式选用“首航点自动对焦”或者“自动对焦”。关于相机参数这块，笔者是基于实际飞行遇到的情况给出的建议值，具体设置需要各位根据现场情况灵活调整。
3.2 航线优化
航线优化，是指在保证数据采集质量的前提下，通过优化航线细节，降低飞行时间和飞行功耗，提升单架次作业效率，并在保证成图需要同时减少冗余影像采集，提升后处理效率。考古工作中常见的航线优化有三种主要方式：减少拐弯频次、适当降低重叠率、优化拍摄策略
1 减少拐弯频次
首先是减少拐弯频次。无人机在执行考古遗址测绘是采用的扫描航线会经常拐弯以进入新的航线拍摄影像。然而无人机在扫描航线中拐弯需要经历刹车减速-转弯-再加速至标定速度三阶段，电机转速变化较大，增加耗电。因此当我们发现地面站预规划的航线拐点过多，可以透过更改主航线角度，减少拐弯点来提高效率。下面我们引入一个例子来说明：
某考古遗址分布在一块近似橄榄型的河岸台地上，台地南北狭长，东西较窄。测区GSD要求3cm/pixel以内，这里我们为了保证更高的地面分辨率，采用1.63cm/pixel。航向重叠率为70%，旁向重叠率80%，相机参数略。根据预设参数，DJI Pilot2地面站生成了图七所示的航线。该方案主航线角度为125°，可以看见航线较为密集，拐弯点较多，软件提示需要近29分钟才能完成，实际飞行算上起降、风力等因素，总耗时约45分钟。
由于测区狭长，我们目测可知，如果主航线角度为西南-东北向（即角度在5°-20°，或315°-345°区间，飞行方向不同而已），那么航线拐弯点就会分布在测区南北两端，拐弯点明显减少，主航线长度增加。经此优化的航线为图八形态，软件计算优化后的扫描航线仅需25分钟，实际作业约为33分钟，在相同的重叠率和GSD下，图八的优化航线采集效率较图七的方案提升近1/4，仅需一组电池即可完成作业；而图七在飞完一组电池后，还需要换电再飞行约10分钟才能完成。
2 适当降低重叠率
虽然无人机摄影测量推荐的重叠率标准为航向70%，旁向80%，但在执行大区域考古遗址正射影像获取时，可以将重叠率适当调低，降低航线间隔。以DJI P1测绘相机为例，在航高350m的情况下执行建图航拍，旁向重叠率55%，航向重叠率60%即可完成建图需要，空三一次过关，而飞行时间仅为标准重叠率参数下的1/3。这种方法仅适用于对建图要求不高的考古测绘场景，需要谨慎使用！
3 优化拍摄策略
当我们面临特大区域的拍摄（如考古调查的区域，面积超过10km2 ）、测区内高差较大或者测区内遗迹结构复杂的情况时，上述两种优化方法都无法取得最佳方案，就要考虑拍摄策略的优化。
对于超大区测绘，最常见的是大区分割，将一个测区划分为若干个较小的测区，无人机依次执行对小测区的航测任务，完成后通过地面控制点配合RTK定位等技术，后处理时联合拼接，形成一张大图。
若测区高差较大，采用常规扫描航线无法保障测区各位置GSD一致时，就要采用仿地飞行模式。在地面站中导入测区的DSM（数字高程模型），软件根据数字高程模型的高差，对扫描航线进行高度优化，让飞机随着地形变化变高飞行，保障采集精度与飞行安全。
最后，若遗迹区域过于复杂，可以考虑采用环绕航线模式，或者智能摆动拍摄（DJI P1）获取更多视角的倾斜影像，提高影像对地覆盖率，确保遗迹各方位均有影像覆盖，后期密集匹配时能匹配有效像素点，避免出现空洞、拉花等现象。
小结
无人机作为高度集成的智能装备，能够帮助我们考古工作者完成很多复杂的测绘作业。学会地面站航线规划，不仅能够保障考古测绘的质量，还有效提高了测绘效率，降低操作难度（因为不用手动飞行了，也没那么累）。在执行后处理阶段也能获得更优质的考古地理数据，为进阶分析、田野存档奠定良好的基础。
随着无人机技术趋向智能化和自动化，地面站航线规划已经逐渐取代人工飞行，成为无人机低空测绘作业的主要方式。无人机根据地面站内预设的航线轨迹，在目标测区自主飞行，并按照等时间间隔或等距离间隔拍照，获取重叠率一致的相片，经由后处理即可获取正射影像、数字表面模型、实景三维模型等一系列地理产品。考古工作中无人机经常用于遗址大区测绘或者发掘区精细化建模工作，熟练地使用地面站规划任务航线，能够事半功倍，让各位干考古的同仁们免除一边飞行一边“疯狂”按快门拍摄的劳苦作业，轻松完成高精度遗址建模与衍生数据生产。
一 地面站是什么
可能对于各位文科出生的考古同仁们而言，对“地面站”一词比较陌生。地面站，全称“无人机地面控制站”，是地面操作人员直接与无人机交互的渠道。它包括任务规划、任务回放、实时监测、数字地图、通信数据链在内的集控制、通信、数据处理于一体的综合能力，是整个无人机系统的指挥控制中心。简而言之，就是无人机的“驾驶室”，能监视无人机的空中姿态、控制无人机的飞行动作与任务载荷，并保持无人机与地面的通信链路。
早期的无人机地面站通常包含三个部分：笔记本电脑、遥控器和数传电台。笔记本电脑内预装专用的地面站航线规划软件，内置地图、PFD（姿态仪）、航线编辑器等功能；遥控器则是和飞机上的接收机组成一条通信链路，负责控制飞机姿态和任务负载状况；数传电台则是地面站和飞机之间建立的第二条通信链路，在无人机起飞后转为地面站自主飞行模式时，遥控器链路在超出信号范围（通常为1-2km）后转由数传电台维系飞机与地面的通讯，驾驶员直接通过地面站软件监视飞机姿态，发送指令给飞机。
上述的情况在多旋翼飞机出现后发生了转变，一些行业无人机将地面站集成为一台带屏遥控器，内置地面站航线规划软件。用户仅需在遥控器内设置航线参数生成任务文件，即可发送到无人机飞控中指挥无人机执行。而我们考古行业所接触到的无人机地面站，其实就是这种高性能的带屏遥控器，而用得最多的功能，就是地面站的航线规划。
二 考古常用的航线类型
笔者在考CAAC民航无人机超视距驾驶员执照时，曾经学过不同类型的航线，有多边形、圆形、扫描航线等等。对于考古工作来讲，最常用的就是扫描航线。
扫描航线其实是在一个划定的测区范围内，飞行器按照一定的间隔来回飞行的航线（图一）。飞行器在航线飞行时触发可见光相机，按照相同时间间隔或距离间隔拍摄照片，覆盖测区，经后处理生成二维正射影像。这种航线能够精确地控制拍摄照片的重叠率，确保采集的数据能够满足空三需要，顺利建模，因此很多无人机测绘任务青睐采用此航线规划。在笔者的考古航测工作中，扫描航线也是最常见的一类规划，采用大疆地面站软件（GSR、Pilot2、GS Pro等）只要划定测区，设定好重叠率，即可生成对应的扫描航线。
随着考古数字记录由二维转向三维，无人机也从单一的正射影像获取转向拍摄倾斜摄影，获取遗址区域三维模型。常见的倾斜摄影测量多采用五镜头测绘相机执行，但考古队配备的无人机大部分搭载的是单镜头，因此在基本的扫描航线之外，飞机还要朝测区周边的四个方向分别飞一组扫描航线，拍摄倾斜影像，即五向飞行模式。
除了扫描航线外，近年来为了提升航测效率，还出现了环绕航线，即无人机在测区内按照设定的圆心和半径做环绕飞行，相机镜头始终对准圆心位置做倾斜拍摄。这种航线一般用于城市高楼建模或者地物复杂的区域建模，能够很好地拍摄到复杂地物的细节，生成高精度三维模型。在考古中，这类航线多用于古建筑三维建模或者大遗址区域测绘。
图三 环绕航线
（Way Point Master航迹大师地面站软件）
最后，还有一种新兴的摄影测量方案——贴近摄影测量，即先通过扫描航线获取测区的粗略三维模型，在通过特定的地面站航线规划软件，依据测区的三维空间形态，设计贴近航点，每个航点对应一个拍照指令，最后生成一组贴近摄影测量航点合集，导入飞行器地面站执行。此类航线一般适用于悬崖类遗址（崖墓）或者古建筑等需要精细立面结构的场景。
三 适应考古工作的航线规划
考古无人机测绘工作大多为了获取遗址区域的正射影像和高精度实景三维模型，规划航线以扫描航线为主。下面就为各位讲解适应考古工作的无人机测绘任务航线规划的一些技巧。
航线规划包括两个部分：航线基础设定与航线优化。前者指在目标测区内根据测绘精度需要设定航线参数，生成测绘航线；后者则在保障成图精度的前提下，为提高采集效率对航线细节优化，提升单架次作业时间和采集效率，后处理时减少冗余计算量。
3.1 航线基础设定
1地面分辨率与飞行高度设置
对于可见光摄影测量而言，有一个很重要的参数——地面影像分辨率（GSD）需要考虑，它是指图像中相邻的两个像素中心的距离代表的实际距离是多少。GSD是控制成图比例的关键，在DPI（打印分辨率）为300时，1:500数字地图对应的地面影像分辨率为4.23。而GSD在无人机相机参数固定的情况下，由飞行高度影响。
以大疆P1全画幅航测相机为例，单个像元大小为4.4微米，焦距35mm（搭载35mm镜头下），若某考古遗址需要拍摄GSD为5cm/pixel的数据，根据上述公式计算可得任务航高为397.72米，实际设置时可以设置为397米。对于一些搭载较小CMOS（如一英寸）的无人机而言，推荐选择两倍GSD作业，以确保成图精度。
2 重叠率
无论是正射影像还是倾斜摄影，重叠率是确保成图的关键参数。在扫描航线中，影像重叠率分为两类：航向重叠率和旁向重叠率。其中航向重叠率是指，在同一条航线中前后相邻的两张影像的重叠率。航向重叠率越高，单条航线上的拍摄节点越多，对相机快门速度和SD卡写入速度都是极大的考验。对于考古工作而言，一般航线重叠率设置在70%。对于搭载广角镜头（24mm）的全画幅航测相机而言，航向重叠率可以适当下降，不低于45%都可以满足成图需要。
图四 航线重叠与旁向重叠示意图
旁向重叠率是指在扫描航线中，两条相邻的平行航线上，相邻两张影像的重叠率。相比航线重叠率而言，旁向重叠率对数据能否成图作用更为关键，因此重叠率需要设置得更高，一般为80%，全画幅或者中画幅可以降低至65%-70%。旁向重叠率直接影响扫描航线的间隔距离，这意味着如果旁向重叠率越高，同一高度和测区内的航线越密，飞行时间越长。
3 相机设置
完成上述航线关键参数设置后，接下来要对测绘相机参数进行参数调整。与拍摄遗迹照不同，测绘飞行过程中飞机始终处于移动状态，甚至有些航测无人机为提高采集效率，会提升飞行速度。因此最为关键的参数是快门，航测中快门速度不能太慢，不然会导致成像模糊，一般建议设置在1/1000以上，若光线太暗且ISO和光圈调节后效果均不理想，可以将快门速度下降到1/500，但飞行速度也要降低。除了快门外，光圈一般设置4-6（相机光圈最大F2.8情况下）即可，ISO可设置为自动。白平衡则根据天气设定为“晴天”或“阴天”模式。测光选择“平均测光”，对焦模式选用“首航点自动对焦”或者“自动对焦”。关于相机参数这块，笔者是基于实际飞行遇到的情况给出的建议值，具体设置需要各位根据现场情况灵活调整。
3.2 航线优化
航线优化，是指在保证数据采集质量的前提下，通过优化航线细节，降低飞行时间和飞行功耗，提升单架次作业效率，并在保证成图需要同时减少冗余影像采集，提升后处理效率。考古工作中常见的航线优化有三种主要方式：减少拐弯频次、适当降低重叠率、优化拍摄策略
1 减少拐弯频次
首先是减少拐弯频次。无人机在执行考古遗址测绘是采用的扫描航线会经常拐弯以进入新的航线拍摄影像。然而无人机在扫描航线中拐弯需要经历刹车减速-转弯-再加速至标定速度三阶段，电机转速变化较大，增加耗电。因此当我们发现地面站预规划的航线拐点过多，可以透过更改主航线角度，减少拐弯点来提高效率。下面我们引入一个例子来说明：
某考古遗址分布在一块近似橄榄型的河岸台地上，台地南北狭长，东西较窄。测区GSD要求3cm/pixel以内，这里我们为了保证更高的地面分辨率，采用1.63cm/pixel。航向重叠率为70%，旁向重叠率80%，相机参数略。根据预设参数，DJI Pilot2地面站生成了图七所示的航线。该方案主航线角度为125°，可以看见航线较为密集，拐弯点较多，软件提示需要近29分钟才能完成，实际飞行算上起降、风力等因素，总耗时约45分钟。
由于测区狭长，我们目测可知，如果主航线角度为西南-东北向（即角度在5°-20°，或315°-345°区间，飞行方向不同而已），那么航线拐弯点就会分布在测区南北两端，拐弯点明显减少，主航线长度增加。经此优化的航线为图八形态，软件计算优化后的扫描航线仅需25分钟，实际作业约为33分钟，在相同的重叠率和GSD下，图八的优化航线采集效率较图七的方案提升近1/4，仅需一组电池即可完成作业；而图七在飞完一组电池后，还需要换电再飞行约10分钟才能完成。
2 适当降低重叠率
虽然无人机摄影测量推荐的重叠率标准为航向70%，旁向80%，但在执行大区域考古遗址正射影像获取时，可以将重叠率适当调低，降低航线间隔。以DJI P1测绘相机为例，在航高350m的情况下执行建图航拍，旁向重叠率55%，航向重叠率60%即可完成建图需要，空三一次过关，而飞行时间仅为标准重叠率参数下的1/3。这种方法仅适用于对建图要求不高的考古测绘场景，需要谨慎使用！
3 优化拍摄策略
当我们面临特大区域的拍摄（如考古调查的区域，面积超过10km2 ）、测区内高差较大或者测区内遗迹结构复杂的情况时，上述两种优化方法都无法取得最佳方案，就要考虑拍摄策略的优化。
对于超大区测绘，最常见的是大区分割，将一个测区划分为若干个较小的测区，无人机依次执行对小测区的航测任务，完成后通过地面控制点配合RTK定位等技术，后处理时联合拼接，形成一张大图。
若测区高差较大，采用常规扫描航线无法保障测区各位置GSD一致时，就要采用仿地飞行模式。在地面站中导入测区的DSM（数字高程模型），软件根据数字高程模型的高差，对扫描航线进行高度优化，让飞机随着地形变化变高飞行，保障采集精度与飞行安全。
最后，若遗迹区域过于复杂，可以考虑采用环绕航线模式，或者智能摆动拍摄（DJI P1）获取更多视角的倾斜影像，提高影像对地覆盖率，确保遗迹各方位均有影像覆盖，后期密集匹配时能匹配有效像素点，避免出现空洞、拉花等现象。
小结
无人机作为高度集成的智能装备，能够帮助我们考古工作者完成很多复杂的测绘作业。学会地面站航线规划，不仅能够保障考古测绘的质量，还有效提高了测绘效率，降低操作难度（因为不用手动飞行了，也没那么累）。在执行后处理阶段也能获得更优质的考古地理数据，为进阶分析、田野存档奠定良好的基础。
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