第34卷第5期
2009年9月
测绘科学
S c i e n c e o f S u r v e y i n g a n dM a p p i n g
V o l .34N o .5
S e p .
作者简介:范承啸(1974-),男,甘肃
省两当县人,工程师,硕士,主要研究3S 技术应用和嵌入式G I S 。E -m a i l :f c x g i s @126.c o m 收稿日期:2008-06-05
无人机遥感技术现状与应用
范承啸,韩 俊,熊志军,赵 毅
(61363部队,西安 710054)
【摘 要】随着测绘科学技术的发展,各行各业对遥感数据的需求日益增加,但遥感数据获取手段相对不足。无
人机遥感系统以更低的运营成本、高效灵活的任务安排,自动化和智能化的操作应用成为主要的遥感技术之一。本文对目前国内外无人机遥感的研究现状进行了介绍,在此基础上对无人机遥感关键技术进行了分析。【关键词】无人机;遥感平台【中图分类号】P 246 【文献标识码】A 【文章编号】1009-2307(2009)05-0214-02
1 引言
无人机技术经过几十年的发展,性能不断提高,功能日益完善,尤其是近年来航空、计算机、微电子、导航、通讯及数字传感器等相关技术的飞速发展,使得无人机技术已经从研究阶段向实用化阶段发展。无人机技术已经被广泛应用于各个领域中,成为未来航空器的发展方向之一。随着人们对地理环境的不断理解和对测绘需求的增长使得无人机与测绘的关系越来越紧密。无人机遥感技术体现了无人机与测绘的紧密结合同时也提供了更高效的测绘方式。
2 无人机遥感介绍
2.1 国内外研究现状
无人机最早出现在1917年,早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要使用作飞机靶机,应用范围主要是在军事上,后来应用范围逐渐扩展到作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代的科技革命让无人机得到进一步发展。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出现,无人机的性能不断提高,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机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[1]。
传感器经历了早期的胶片相机和大面阵数字化几个发展阶段,目前国内制造的数字航空测量相机拥有8000多万像素,能够同时拍摄彩色、红外、全色的高精度航片[2];中国测绘科学研究院使用多台哈苏相机组合照相,利用开发的软件再进行拼接,有效地提高了遥感飞行效率;德国禄来公司推出的2200万像素专业相机,配备了自动保持水平和改正旋偏的相机云台,开发了相应的成图软件。另外激光三维扫描仪、红外扫描仪等小型高精度遥感器为无人
机遥感的应用提供了发展的余地。2.2 无人机遥感的主要优点
1)快速的机动响应能力
无人机的应用机动灵活,能够通过地面运输快速到达指定目标区域。起飞比较方便,不需要机场跑道,可以通过车载、导弹或者地面方式从田间地头、空地、山坡、沙滩等多种地域直接发射,通过滑行和伞降的方式进行回收。
2)操作简单、目的明确
无人机技术的不断成熟,其操作也越来越智能化自动化。可以通过事先设制飞行路线,并在飞行中进行校对和调整以达到对目标的精确测量。无人机通过配备故障自动诊断及显示功能,如果发生故障,飞机会自动返航到起点上空等待排出故障。
3)使用成本低
无人机体形小,耗费低,对操作员的培养比较周期相对较短。系统的保养和维修简便,同时不用租赁起飞和停放场地。
4)高分辨率遥感影像数据获取能力
高分辨率遥感影像数据获取能力是无人机遥感的最大特点。无人机搭载的高精度数码成像设备,具备面积覆盖、垂直或倾斜成像的技术能力,获取图像的空间分辨率达到分米级,适于1∶10000或更大比例尺遥感应用的需求。
3 无人机遥感的关键技术
无人机遥感是一个综合的系统的技术领域。它涉及航空、微电子、自动化控制、计算机通讯、导航定位等多个领域,其中的关键技术主要包括:航空遥感平台集成技术、专用数据处理技术、传感器自动控制技术、稳定平台技术、数码相机精确检较和定标技术、小幅面遥感影像快速处理以及“3S ”技术。按照平台构建框架其关键技术又可分为:无人机航空遥感平台集成技术、遥感数据的实时获取与下传技术和遥感数据的地面接收与处理技术。3.1 无人机航空遥感平台集成技术
无人机遥感平台的结构图如图1所示。可以分为飞行器分系统、测控及信息传输系统、信息获取与处理系统及保障系统几个部分。
小型无人机是低成本的新型遥感平台,要求装载的遥感仪器体积小、重量轻、抗震性好。该系统由面阵C C D 相机头部和主控计算机两部分组成。
面阵C C D 相机头部完成遥感图像的拍摄获取。相机头部包括相机机身、镜头和数码后背三部分。数码相机主要有两类,一类是把可拆卸的面阵C C D 数码后背装在大中型
第5期 范承啸等
无人机遥感技术现状与应用
图1 无人机遥感平台框架图[3]
幅面相机后部取代胶片进行数字化成像;另一类是将C C D 成像模块直接与机身做成一体,也就是我们常见的135小型幅面数码相机。前者通常具有很高的分辨率,用于专业摄影,而后者更强调便利性,用于家庭和一般摄像。无人机遥感平台要求相机分辨率高,体积小,所以采用了大面阵C C D 数码后背加120中型幅面相机的方案。我们对图像质量要求较高,因此必须减少拖影对图像的影响,要求拖影小于0.5像元。如果我们选用的大面阵C C D 后背像元大小为9μm×9μm ,无人机速度33m /s ,高度500m ,相机焦距约50m m ,可以计算出相机的曝光时间为1/733s ,所以我们选用相机的最高快门应在1/1000s 以上。摄影镜头的主要参数是焦距f ,焦距f 和视场角θ以及成像面宽度L 关系密切。焦距f 和视场角θ、成像面尺寸L 的关系式如下:t g (θ/2)=(L/2)/f ,可以根据此关系式进行焦距的相关计算。
主控计算机完成对相机的控制,图像的传输和存储。P C /104+嵌入式计算机较好的满足了此要求,并具备开发周期短的优势[4]。P C /104+嵌入式计算机可以在两台仪器中完成了曝光控制、图像采集、传输、存储、G P S 解码计算、执行远程指令、状态报告等功能。3.2 遥感数据的实时获取与下传
无线电遥测系统是传送无人机和遥感设备的状态参数,可实现飞机姿态、高度、速度、航向、方位、距离及机上电源的测量和实时显示,具有数据和图形两种显示功能。供地面人员掌握无人机和遥感设备的有关信息,并存贮所有传送信息,以便随时调用复查。无线电遥控系统是用于传输地面操纵人员的指令,引导无人机按地面人员的旨意飞行。
由于高分辨率航空遥感设备产生的数据量大,目前在实时下传过程中多采用高压缩比的有损图像压缩技术,其所导致的误差限制了航空遥感在一些高标准领域的应用。遥感数据的实时获取与下传与多模态传感器、遥感平台航摄控制系统以及飞行器平台的数据实时传输链路都有密切关系。实现机上航空遥感数据传输与压缩,可供考虑的方案至少有3种[5],第三种方案比较好,所以在这里只介绍一下第三种方案。在这种方案中多模态遥感器系统通过工控机利用两条数据传输链路,同时将遥感数据一份存入硬盘备份,一份通过机载遥感平台控制板I /O 接口送入遥感数据压缩模块板,进行数据压缩。压缩后的数据经过机载遥感平台控制板数据传输线路,由无人机数据传输设备实
现数据对地传输。
无人机对地成像将获取的遥感图像以数字形式记录存储;机载遥感平台控制板通过I /O 设备读取遥感数据,数据通讯程序将遥感平台控制板上获取的B M P 格式的遥感图像数据写到D S P 板卡的内存中;D S P 数据压缩模块板将获取的B M P 图像数据压缩成J P E G 图像数据,并将生成的J P E G 图像数据写到指定的内存;然后由数据通讯程序从D S P 板卡的指定内存中获取压缩后的J P E G 图像数据,送到
无人机数据传输链路[5]
。3.3 遥感数据的地面接收与处理
遥感数据的地面接收与处理是无人机航空遥感系统的一个重要组成部分。遥感数据的接收处理与处理需要建立固定和移动地面数据接收站;建立有海量数据存储、管理和分发能力的数据中心,建立图像数据库;进行图像数据的辐射纠正;根据飞机和传感器以及外部因素引起的几何变形的特点,进行基本几何纠正,利用地面控制点进行精确的几何纠正,图像数据可作为G I S 底图。
随着全球定位系统G P S 进入到完全运作阶段(F O C )以及高重复频率激光测距技术的应用,将G P S 定位技术、惯性导航技术(I N S )、激光测距技术进行集成得到机载扫描激光地形系统已成为国内外遥感界的研究热点之一,并依此来为同机或同步获得的遥感图像提供定位信息,它完全摆脱了对地面的控制,节省了大量的人力和物力,从而大大提高了遥感作业效率。
4 结束语
无人机遥感作为一种新的测绘方式具有很多优势且实际应用广泛。它可以用于资源调查管理和监测,环境监测,灾害评估等。本文对无人机遥感发展和关键技术做了介绍和总结。但由于无人机体积小、载重轻,无法使用姿态记录仪和稳定平台等辅助设备,导致相关参数较少,给图像配准和处理带来一定难度。下一步我们将对无人机G P S 定位技术、小面幅遥感数据快速纠正和配准技术、“3S ”技术、便携式地面站、传感器自动控制技术、遥测遥控一体化技术进行研究和开发。无人机遥感将在测绘系统中发挥更重要的作用。
参考文献
[1]韩杰.无人机遥感国土资源快速监察系统关键技术研究[J ].测绘通报,2008,(2).[2]杨进生.无人机遥感技术[M ].
[3]晏磊,吕书强,赵红颖.无人机航空遥感系统关键技术研究[J ].武汉大学学报,2004,(12).[4]戴方兴,舒嵘.P C /104+在无人机载遥感仪器中的应用[J ].嵌入式计算机应用,2007,23.[5]吕书强,等.无人机遥感系统的集成与飞行试验研究[J ].测绘科学,2007,32(1).
[6]
秦其明,金川.无人机遥感数据压缩解压缩系统的设计和实现[J ].国土资源遥感,2006,68(2).
A p p l i c a t i o na n ds t a t u s o f u n ma n n e da e r i a l v e h i c l e r e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y
A b s t r a c t s :U n m a n n e d a e r i a l v e h i c l e r e m o t e s e n s i n g (U A V R S ),a s o n e o f t h e i m p o r t a n t R St e c h n o l o g y ,i s l o w e r i n c o s t ,f l e x i b l e o nt a s ka r r a n g m e n t a n d a u t o m a t i c a n di n t e l l i g e n t i n a p p l i c a t i o n .T h e r e s e a r c h s t a t u s o f U A V R S w a s i n t r o d u c e di n t h i s p a p e r .T h e n t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f i t w e r e a n a l y z e d .
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