無人機低空遙感系統(tǒng)概述
摘要
無人機低空遙感系統(tǒng)可理解為“無人機＋”各類傳感器。完整的無人機低空遙感系統(tǒng)由無人機飛行平臺、微型傳感器系統(tǒng)、地面控制與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、影像處理系統(tǒng)和設(shè)備操控人員組成。野外作業(yè)流程可分為前內(nèi)業(yè)、外業(yè)和后內(nèi)業(yè)三部分。
1、組成
基于“無人機+”的低空遙感系統(tǒng)
無人機低空遙感系統(tǒng)以無人機為飛行和搭載平臺，通過搭載各類傳感器，獲取地面或空中實測影像和數(shù)據(jù)?？梢院唵蔚貙o人機低空遙感系統(tǒng)理解為無人機“＋”各類傳感器，如無人機＋可見光相機；無人機＋高光譜成像儀；無人機＋環(huán)境傳感器等。但完整的無人機低空遙感系統(tǒng)至少應(yīng)該包括以下幾個部分，即無人機飛行平臺、微型傳感器系統(tǒng)、地面控制與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、影像處理系統(tǒng)和設(shè)備操控人員。
無人機飛行平臺
多旋翼的無人機飛行平臺一般由機架、飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和云臺系統(tǒng)四部分組成。其中飛行控制系統(tǒng)主要由陀螺儀、加速度計、地磁傳感器、氣壓傳感器、GPS和電子調(diào)速器組成。動力系統(tǒng)由電池、電機和螺旋槳三部分組成。電池帶動電機轉(zhuǎn)動螺旋槳，產(chǎn)生的空氣浮力推動無人機升空。升空后無人機可通過飛行控制系統(tǒng)中的各類傳感器感知自身的位置及飛行姿態(tài)，通過電子調(diào)速器調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)整自身飛行高度、速度、方向、懸停及起降。云臺系統(tǒng)是保證飛行過程中傳感器穩(wěn)定的重要結(jié)構(gòu)，通過云臺系統(tǒng)可以控制傳感器的俯仰和滾轉(zhuǎn)。云臺有單軸和三軸之分，其中單軸穩(wěn)定平臺只修正偏流角,由平臺、電機和控制電路組成；三軸穩(wěn)定平臺可以使傳感器保持水平穩(wěn)定并修正偏流角,由平臺、電機、陀螺儀、水平傳感器、舵機、控制電路等組成。
微型傳感器系統(tǒng)
目前無人機可攜帶的微型傳感器主要包括兩大類，一類為光學(xué)影像和激光點云類傳感器，另一類為環(huán)境監(jiān)測類傳感器。光學(xué)影像和激光點云類傳感器以獲取影像和點云為主要的輸出結(jié)果，相關(guān)的傳感器主要有可見光相機、紅外熱成像相機、多光譜成像儀、高光譜成像儀、Lidar和合成孔徑雷達(dá)等。環(huán)境類傳感器主要包括測定溫度、輻射和濕度等的微型傳感器，以及基于泵吸式點狀采樣監(jiān)測模式的機載氣體監(jiān)測設(shè)備(如粒子探測儀、差分吸收光譜探測系統(tǒng)和電化學(xué)類氣體監(jiān)測設(shè)備等)。
此外，基于電化學(xué)傳感器、光離子化傳感器、以及金屬氧化物傳感器等技術(shù)的氣體監(jiān)測設(shè)備，經(jīng)過改進(jìn)用于無人機遙感監(jiān)測也是近年來的一個研究熱點。目前無人機搭載的傳感器不斷向輕型化、智能化和精準(zhǔn)化方向發(fā)展，并且可通過無線傳輸技術(shù)，將影像數(shù)據(jù)實時傳送給地面接收端，實現(xiàn)對災(zāi)害現(xiàn)場或檢測現(xiàn)場的實時監(jiān)測。
地面控制與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)
通過地面控制系統(tǒng)可以將飛行參數(shù)等命令寫入無人機的飛行控制系統(tǒng)，無人機升空后，可執(zhí)行寫入的命令，并實現(xiàn)自主飛行。通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在地面站上可以實時觀察無人機的飛行高度、速度、方向以及飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)，同時可以接收無人機傳感器傳輸過來的影像數(shù)據(jù)。必要時，通過地面站可隨時將無人機自主飛行轉(zhuǎn)為手動模式控制，對無人機的飛行路徑進(jìn)行手動干預(yù)。
影像處理系統(tǒng)
影像處理系統(tǒng)是分析和處理無人機低空遙感數(shù)據(jù)的有力工具，通常由高性能的計算機和影像處理軟件構(gòu)成。無人機低空獲取的遙感影像雖然分辨率高，但單張影像的視域范圍較小，若想獲得整個研究區(qū)域的全景影像，必須對無人機獲取的大量影像進(jìn)行匹配和拼接。但受到飛行姿態(tài)、地形、及鏡頭的影響，無人機所獲取的影像通常數(shù)量多、畸變大、拍攝角度不統(tǒng)一，運用傳統(tǒng)的航空攝影流程進(jìn)行圖像的拼接難度較大。
在航空攝影領(lǐng)域，過去二十年間高分辨率的數(shù)字影像極大程度上取代了航空模擬影像，同時機載導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供無人機精確的位置和姿態(tài)信息。這促使了攝影測量自動處理軟件的發(fā)展，如Inpho,IMAGINEPhotogrammetry,AgisoftPhotoscan,Pix4dMapper等。這些軟件為無人機拍攝的影像處理提供了半自動拼接流程。由于無人機飛行控制系統(tǒng)中的日志文件記錄了每張影像拍攝的原始位置和角度，在較少人為干預(yù)的條件下，即可由軟件自動生成數(shù)字高程模型和正攝影像。同時，軟件會通過一系列精確測定的地面控制點（GCPs）來對攝影測量結(jié)果進(jìn)行校正，以確保影像處理的精確性。以上軟件處理后的低空遙感影像再輔以CAD，ArcGIS和ENVI等處理軟件，即可實現(xiàn)高精度的空間分析和光譜分析。
設(shè)備操控人員
設(shè)備操控人員是整個無人機低空遙感系統(tǒng)中最為重要但常被忽視的一部分。設(shè)備操控人員通常為一個團隊，團隊中既要有人負(fù)責(zé)無人機的組裝、操控和維修，也要有人負(fù)責(zé)傳感器的正確設(shè)置和使用，還要有人負(fù)責(zé)后期的影像處理。只有這樣，才能保證無人機低空遙感數(shù)據(jù)的安全、準(zhǔn)確獲取和快速、精準(zhǔn)分析。
2、作業(yè)流程
無人機低空遙感的作業(yè)流程
無人機低空遙感的作業(yè)流程主要改自載人飛行器的作業(yè)流程，可分為前內(nèi)業(yè)、外業(yè)和后內(nèi)業(yè)三部分。
前內(nèi)業(yè)的主要目的是制定飛行計劃。這一步通常借助飛行計劃軟件，如APM的MissionPlanner，結(jié)合背景地圖和衛(wèi)星影像來提前定義測量區(qū)域，按照任務(wù)要求設(shè)定飛行高度、速度、照片重疊度和航向等。飛行計劃軟件隨后會計算出最佳方案，來獲得覆蓋研究區(qū)所需照片的數(shù)量及三維重疊影像。在這一過程中，所有的參數(shù)都可以隨時修正，直到生成滿意的飛行計劃為止。制定飛行計劃階段需要根據(jù)項目的作業(yè)要求收集相關(guān)資料，進(jìn)行現(xiàn)場勘查，確定地面控制點位置，需要申請空域時需要向相關(guān)部門申請空域。出發(fā)前要檢查無人機低空遙感系統(tǒng)中的各軟硬件運行狀況，確保其無障礙運行。
外業(yè)的主要任務(wù)是獲取原始影像。到達(dá)作業(yè)點后，組裝無人機，掛載傳感器，調(diào)試地面控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將飛行計劃寫入無人機的自動飛行控制系統(tǒng)。于此同時，實地標(biāo)識飛行計劃中選取的地面控制點，并測定其經(jīng)緯度及高程等信息。需要強調(diào)的是，以普通數(shù)碼相機為傳感器時最好選用定焦鏡頭，同時將快門速度調(diào)為手動模式，并根據(jù)實際需要設(shè)定快門速度和拍攝間隔，以避免影像偏暗、模糊或者過曝。調(diào)試完畢后，即可手動或自動控制無人機起飛，待無人機升空后轉(zhuǎn)為自動飛行模式，此后無人機將自動完成數(shù)據(jù)獲取和降落過程。無人機完成數(shù)據(jù)采集后，可現(xiàn)場檢查數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，若質(zhì)量不合格要分析原因并重新制定飛行計劃。
后內(nèi)業(yè)的主要任務(wù)是影像處理。無人機原始影像獲取完畢后，通常會從無人機自動駕駛儀或傳感器中下載一個日志文件（logfile）。這個文件記錄了無人機執(zhí)行飛行計劃過程中詳細(xì)的位置和姿態(tài)信息。日志文件可用來對相片中心位置和相機方向做最初估算，然后再用于影像拼接過程。攝影測量的自動處理軟件通常經(jīng)過畸變差校正、影像色彩校正、影像匹配、全景圖拼接、空中三角測量等過程，生成研究區(qū)的數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正攝影像(DOM)。
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