无人机航测遥感系统技术集成方略

无人机航测遥感系统技术集成方略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。二、国内外现状分析微型无人机航空摄影是以获取低空高分辨率遥感影像数据为应用目标，集成了无人驾驶飞行器、遥感及GPS-导航定位等高科技产品和技术，建立起来的一种高机动性、低成本和小型化，专用化的遥感系统。无人机遥感具有机动灵活、经济便捷的技术优势，它以高分辨率轻型数字遥感设备为机载传感器、以数据快速处理系统为技术支撑，具有对地快速实时调查监测能力，可广泛用于土地利用动态监测、矿产资源勘探、地质环境与灾害勘查、海洋资源与环境监测、地形图更新、林业草场监测以及农业、水利、电力、交通、公安、军事等领域。(1)无人机飞行器无人驾驶飞行器是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人驾驶飞行器结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务，如危险区域的侦察、空中救援指挥和遥感监测。无人驾驶飞行器出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人驾驶飞行器系统的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人驾驶飞行器的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时，任务载荷从几公斤到几百公斤，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。按照系统组成和飞行特点，无人驾驶飞行器可分为固定翼型无人机、无人驾驶直升机和无人驾驶飞艇等种类。固定翼型无人机通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强，是类型最多、应用最广泛的无人驾驶飞行器。其发展趋势是微型化和长航时，目前微型化的无人机只有手掌大小，长航时无人机的体积一般比较大，续航时间在10小时以上，能同时搭载多种遥感传感器。起飞方式有滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等；降落方式有滑行、伞降和撞网等。固定翼型无人机的起降需要比较空旷的场地，比较适合林业和草场监测、矿山资源监测、海洋环境监测、城乡结合部的土地利用监测以及水利、电力等领域的应用。无人驾驶直升机的技术优势是能够定点起飞、降落，对起降场地的条件要求不高，其飞行也是通过无线电遥控或通过机载计算机实现程控。但无人驾驶直升机的结构相对来说比较复杂，操控难度也较大，所以种类不多，实际应用也比较少。飞艇是通过艇囊中填充的氦气或氢气所产生的浮力以及发动机提供的动力来实现飞行。它的出现和应用比飞机还要早，1884年世界上最早的实用飞艇试飞成功。飞艇的飞行因为受大风和雷雨的气候条件影响比较大，到20世纪30年代，随着飞机的逐渐完善化和实用化，飞艇被飞机取代。大型飞艇可以搭载1000公斤以上的载荷飞到20000米的高空，留空时间可以达一个月以上；小型飞艇可以实现低空、低速飞行，作为一种独特的飞行平台能够获取高分辨率遥感影像，同时，无人驾驶飞艇系统操控比较容易，安全性好，可以使用运动场或城市广场等作为起降场地，特别适合在建筑物密集的城市地区和地形复杂地区应用，如城市地形图的修测、补测，数字城市建立时的建筑物精细纹理的采集、城市交通监测、通讯中继等领域。当前固定翼、旋翼（直升机）和飞艇技术，简单比较如下表：固定翼机旋翼机飞艇经济性一般较贵节省体积较小，一般2m内较小，一般2m内较大，3～5m以上，不适宜携带，升空有管制问题。操纵性适宜低速运动拍摄，遥控设备要求比较高，活动范围大拍摄方式灵活，一般遥控范围在2～5公里，适宜完成区域拍摄可以定点及低速运动，适宜监测拍摄载重性一般较小很大，一般可以达到30公斤以上净载荷安全性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需要自动驾驶设备辅助，汽油机安全性一般比较好，即使出问题，也不容易造成大的损坏(2)自动驾驶仪当前国内各种无人机飞行控制计算机系统大多采用工控机或订制的工控板，中央处理器大多为Intel的386、486嵌入式处理器，主频一般在100MHZ以下，MIPS随之也低，也有少数采用高性能586处理器，主频在200MHZ左右。Intel系统一个机器周期是4个时钟周期，以后的系统用流水线有所提高。系统一般是ISA接口，扩展不方便，只能基于ISA总线来扩展硬件系统，而作为嵌入式处理系统，数据量很大，ISA总线结构数据总线为16位，时钟最快为8兆，传一次数据需要4个时钟。另外国内的飞行控制计算机采用的工控机系统体积、功耗普遍较大，价格偏高，不适合用于小型、微型无人机。国外已有多种小型化、处理能力强的飞行控制计算机系统，如美国的AP40自动驾驶仪，集成了所有传感器和GPS接收机的完整装置，主板尺寸75×40×25mm，全重仅30克；加拿大MicroPilot公司的MP2028，全重仅28克，应用于美国太空总署（NASA）众多分支机构的无人机飞行实验、以色列的“蓝鸟”计划的飞行控制等。(3)航空影像处理软件航空影像处理经历了从模拟摄影测量、解析摄影测量到全数字摄影测量3个阶段的发展。每个阶段的发展都是技术的一次飞跃与革新，也是生产力提升的重要体现。由于目前模拟摄影测量手段落后，仪器设备也都已经淘汰，基本采用的都是数字摄影测量的手段，主要方法包括解析摄影测量、全数字摄影测量、单片微分纠正、数字影像几何精纠正等几种，市场上主要的处理软件包括ImageStation；法国的PixelFactory，以及国产的DPGrid等。无人机、飞艇等飞行器都易受气流和风向影响，航片为非常规航摄，偏角和滚角大（其中以飞艇的摄影质量最差），后续处理比较困难。同时，由非量测相机拍摄的低空照片因像幅很小，低空照片数量非常大。目前针对无人机的航片处理软件主要在全自动化摄影测量处理上进行提升，以中国测绘科学院为主研制的MAP-AT软件在全自动化空中三角测量、自动DEM采集、自动DOM制作上取得了很多的技术突破。(4)无人机航摄应用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JryoSugiura(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；ShinichiOkuyama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；MartinezDios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(ScakInvariantFeatureTransform)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。三、集成方略微型无人机低空摄影测量系统所采用的无人机是按照国际上通用标准设计，并且其研制的