无人机航测遥感系统技术之浅论
来源:晨风影像科技 作者:消息 发布时间:2013-12-11 22:56 已经有:人看过
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航空摄影测量技术作为空间信息技术体系的两大分支之一,得到了各国的重视。我国在该领域也取得了一系列重大的进展,研制出许多航空摄影测量设备。微型无人机航空摄影测量系统具有运行成本低、执行任务灵活性高等优点,正逐渐成为航空摄影测量系统的有益补充,是空间数据获得的重要工具之一。 |
然而,传统的无人机并不是专门为摄影测量目的而设计的,同样,许多通用传感器、导航仪等设备也不是专门为无人机设计的,其结果是导致了它们之间的集成很困难。本公司历经数年的科研,集成了一套的完整的微型无人机大比例尺航空摄影测量系统,其无人机的研制充分考虑了摄影测量飞行的特殊性,较其采用无人机改装的摄影测量系统具有较大优势。
无人驾驶飞行器摄影测量系统以获取高分辨率空间数据为应用目标,通过3S技术在系统中的集成应用,达到实时对地观测能力和空间数据快速处理能力。要使其成为理想的遥感平台,有多个关键技术需要解决:
1)传感器技术
根据不同类型的遥感任务,需要开发相应的机载遥感设备,如高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、多光谱成像仪、激光扫描仪、磁测仪、合成孔径雷达等,选用的遥感传感器应具备数字化、体积小、重量轻、精度高、存储量大、性能优异等特点。
2)传感器及其姿态控制技术
传感器的控制系统要能够根据预先设定的航摄点、摄影比例尺、重叠度等参数以及飞行控制系统实时提供的飞行高度、飞行速度等数据自动计算并自动控制遥感传感器的工作,使获取的空间数据在精度、比例尺、重叠度等方面满足遥感的技术要求。对于抗风能力弱、飞行稳定性差的无人驾驶飞行器(如飞艇),应给摄影测量设备加装三轴稳定平台,以保证获取稳定的、清晰的高质量影像,传感器的位置数据和姿态数据最好能够实时记录并存储,以便用于影像数据的处理,提高工作效率。
3)传感器定标及数据传输存储技术
无人驾驶飞行器搭载的主要摄影测量传感器为面阵CCD数字相机,而目前国内市场上的小型专业级数字相机还不能达到量测相机的要求,所以,为使获取的影像能够满足大比例尺测图的精度,应根据相机的几何成像模型,作相关的检校工作,得到相机的内外参数,必要时需要采用特殊的检测手段,测定每个像元的畸变量。另外,大面阵CCD数字相机获取的影像数据量较大,需开发专用的数据传输和存储系统。飞行器的测控数据和影像数据需要实时传输时还可以通过卫星通讯来实现。
4)影像数据的后处理技术
目前的无人驾驶飞行器摄影测量系统多使用小型数字相机作为机载数据采集设备,与传统的航片相比,存在像幅较小、影像数量多等问题,所以应针对其影像的特点以及相机定标参数、拍摄时的姿态数据和有关几何模型对图像进行几何和辐射校正,开发出相应的软件进行交互式的处理。同时还应开发影像自动识别和快速拼接软件,实现影像质量、飞行质量的快速检查和数据的快速处理,以满足整套系统实时、快速的技术要求。
5)系统集成技术
无人驾驶飞行器摄影测量系统属于特殊的航空测绘平台,技术含量高,涉及航空、自动化控制、微电子、材料学、空气动力学、无线电、遥感、地理信息等多个领域,组成比较复杂,加工材料、动力装置、执行机构、姿态传感器、航向和高度传感器、导航定位设备、通讯装置以及遥感传感器均需要精心选型和研制开发。应根据测绘的技术要求和无人驾驶的特点,在系统的集成上重点攻关,达到工程化、实用化。
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固定翼机
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旋翼机
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飞艇
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经济性
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一般
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较贵
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节省
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体积
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较小,一般2m内
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较小,一般2m内
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较大,3~5m以上,不适宜携带,升空有管制问题。
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操纵性
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适宜低速运动拍摄,遥控设备要求比较高,活动范围大
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拍摄方式灵活,一般遥控范围在2~5公里,适宜完成区域拍摄
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可以定点及低速运动,适宜监测拍摄
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载重性
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一般
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较小
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很大,一般可以达到30公斤以上净载荷
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安全性
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需要自动驾驶设备辅助,汽油机安全性一般,因始终在运动,出问题后毁伤概率较大
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需要自动驾驶设备辅助,汽油机安全性一般
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比较好,即使出问题,也不容易造成大的损坏
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国内外对于无人机遥感系统的应用已进行了广泛研究。美国农业部已开始应用无人机装载数码可见—近红外相机采集田间作物信息,并在作物长势和氮素营养监测上作了应用尝试,取得了较好的结果,认为这是一个进一步研究和发展的方向。HUNT等(2005)应用遥控航模为平台的遥感系统,获得了大豆、苜蓿和玉米的干生物量与所获图像数据之间呈线性相关的结果;日本的Jryo Sugiura(2004)利用无人直升机摄影系统对小面积农田进行低空拍摄,根据飞机的实时参数对影像进行纠正后计算研究区域的叶面积指数(LAI),从而分析作物长势;Sugiura等(2006)利用装载热红外传感器的无人直升机对农田土壤和水分的状态进行监测;Shinichi Okuyama等(2005)也在无人直升机上设计了辐射监测系统对受核污染影响的高辐射区域进行监测;Martinez Dios等(2006)分别用无人直升机和飞艇装载可见光、近红外以及火灾探测传感器来探测和监测森林火灾情况:Ollero等(2006)也指出不同的无入机系统可以用来探测、确认、定位和监视森林火灾。在没有火灾的时候可以用无人机来监测植被情况,估算含氢量和火灾风险指数;在火灾过后也可以来评价火灾的影响;日本第一规划测量土木设计公司开发出的装有紫外线照相机的无人直升机可从200—300米的低空对稻田的各个角落进行拍摄,获取高精度的水稻生长信息,在对紫外线拍摄的图片在经过蛋白质含量分类后,可将信息提供给当地农协组织和农民或通过因特网发布(华华,2003)。
国内无人机的应用主要是利用固定翼无人机系统获得遥感信息,用于资源调查、环境监测、气象灾害评估等。白由路等(2004)研究了低空遥感技术在精确农业中的应用,使用遥控固定翼无人机系统获取农田信息,如地块边界的数字化、地块面积量算、作物种类识别、作物长势分析等;马轮基等(2005)阐述了无人机在土地利用遥感调查、水色遥感调查、洪涝遥感调查等方面的应用前景;李字昊(2006)利用无人机获得影像,从中测算造林地面积、计算成活率、辨认树种、计算造林密度、确定林龄,以及定位造林地;吕书强等(2007)介绍了无人机遥感的系统集成,并对所获取的遥感影像和飞行辅助数据对飞行试验进行了质量评价;陈信华(2007)将SIFT(Scak Invariant Feature Transform)特征应用于影像的自动相对定向,结合最小二乘法实现了影像的自动匹配;韩杰等(2008)分析无人机的技术优势,阐述无人机遥感技术的主要研究目标和研究内容,探讨我国使用无人机遥感技术的国土资源快速监察机制。

微型无人机低空摄影测量的平台框图和运营系统结构
1、微型无人机平台
微型无人机平台可采用的候选遥感设备包括4种高空间分辨率(<1 m×1 m)轻型(<6O kg)机载合成孔径雷达(SAR)和两种轻型光学成像设备。选择适合于具体应用和无人机特点的遥感设备,建立标准设备接口,缩短安装调试周期是集成应用型无人机航空遥感系统的关键。具体内容包括:
NCG-1型无人机飞控系统采用了最先进的FutabaPCM1024系列遥控,操作比一般的无人机控制系统更加灵活灵活,飞行姿态控制更加方便。控制系统的舵机是我公司自主研发的,达到了50Hz更新率,13 位舵机分辨率,使我们的微型无人机能够获取更高精度的数据。主要特性如下:
校正量=Kp×偏差 +(偏差和)/Ki + Kd×(偏差变量)
记录数据项
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飞行状态
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飞行速度
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设定速度
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升降舵机输出
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油门舵机输出
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副翼舵机输出
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设定航线
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飞行航迹
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目标距离
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目标航路点序号
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目标方位差
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转弯速率
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GPS转弯速率
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地速
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地面站系统软件
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