無人駕駛飛機(jī)在湖南國土資源管理中的應(yīng)用

黃華明,湯仲安

(湖南省測繪科技研究所,湖南 長沙 410007)

無人駕駛飛機(jī)在湖南國土資源管理中的應(yīng)用

黃華明,湯仲安

(湖南省測繪科技研究所,湖南 長沙 410007)

針對航空攝影和衛(wèi)星遙感受諸多因素制約的缺陷,開展無人駕駛飛機(jī)在湖南國土資源管理中的應(yīng)用研究。從無人飛機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)、系統(tǒng)組成、技術(shù)設(shè)計方案3方面入手,分析此技術(shù)方法的可行性,并獲得理想實(shí)用的航攝效果。

無人駕駛飛機(jī);國土資源管理;遙感

近年來,無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速,成為國內(nèi)外研究開發(fā)熱點(diǎn),逐步應(yīng)用到社會各領(lǐng)域。在國外,美國等發(fā)達(dá)國家已將該技術(shù)大量應(yīng)用于國土、林業(yè)、環(huán)保、軍事等眾多領(lǐng)域。在國內(nèi),只有幾家科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)、公司從事無人機(jī)技術(shù)的研究開發(fā)和應(yīng)用,在國土資源管理領(lǐng)域的應(yīng)用研究剛剛起步。

2008-05-05,湖南省人民政府下發(fā)《湖南省人民政府關(guān)于加強(qiáng)測繪工作的通知》(湘政發(fā)〔2008〕10號),明確指出:“加強(qiáng)應(yīng)急測繪裝備建設(shè),建立無人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)”。在湖南省科技廳和國土資源廳的支持下,《無人機(jī)遙感監(jiān)測系統(tǒng)》很快通過立項(xiàng),由湖南省測繪科技研究所承擔(dān)該項(xiàng)目。幾個月來連續(xù)進(jìn)行澧縣縣城規(guī)劃的試飛試驗(yàn)、瀏陽土地整理設(shè)計的飛行試驗(yàn)、醴陵土地節(jié)約集約利用的飛行試驗(yàn),取得初步成效。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

無人機(jī)數(shù)碼攝影測量技術(shù)是綜合利用先進(jìn)的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙控程控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)的遙感應(yīng)用技術(shù),具有自動化、智能化、專用化快速獲取國土、資源、環(huán)境等空間遙感信息,完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù),是繼衛(wèi)星遙感和普通航空攝影測量技術(shù)之后,發(fā)展起來的一種新型航空遙感技術(shù)手段,該技術(shù)具有如下獨(dú)特優(yōu)勢。

1.1 使用成本低、操作簡單

該系統(tǒng)自動化程度高、操作培訓(xùn)簡單,可以根據(jù)任務(wù)需要隨時工作。無人機(jī)起降采用彈射起飛、傘降降落方式,飛行高度可達(dá)4 000 m以上,完全可以適應(yīng)湖南省的各種地形地貌地區(qū)應(yīng)用。無人機(jī)能低空云下攝影,再加上其快速機(jī)動性能,可航攝飛行的天氣遠(yuǎn)多于普通航空攝影(見圖1～圖3)。

1.2 機(jī)動快速的響應(yīng)能力

在接到航攝任務(wù)后,該技術(shù)系統(tǒng)可以做到快速出動、快速獲取、快速處理、快速分析判別,具有成圖周期短、時效性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1.3 高分辨率航空影像獲取能力

該系統(tǒng)能夠獲取優(yōu)于8 cm的高分辨率影像,影像色彩豐富、清晰、直觀、準(zhǔn)確,能夠滿足大比例尺成圖、地類判別、土地信息提取等,可作為重要的決策依據(jù)。

1.4 航攝影像的快速處理能力

該系統(tǒng)采用數(shù)字遙感設(shè)備,獲取的高分辨率影像可直接傳入計算機(jī)內(nèi)處理。通過專用的自動空三、自動糾正、自動拼接、矢量測圖軟件快速生成土地開發(fā)整理所需的DEM、正射影像圖、地形圖等數(shù)據(jù)(見圖 4)。

圖4 瀏陽土地整理片局部航攝成果

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由無人機(jī)子系統(tǒng)、任務(wù)載荷子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)等組成,見圖5。

圖5 無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 無人機(jī)子系統(tǒng)

1)研制的小飛機(jī)按照工程化、實(shí)用化要求,進(jìn)行氣動布局設(shè)計、風(fēng)洞試驗(yàn)、震動和沖擊試驗(yàn)。

2)基于微小型陀螺、加速度計、氣壓高度表、GPS芯片實(shí)現(xiàn)小型無人機(jī)控制與導(dǎo)航系統(tǒng)集成,并對其進(jìn)行電磁兼容、抗干擾試驗(yàn)。

3)地面站硬件設(shè)備選用性能良好的工控計算機(jī)和數(shù)傳電臺,抗震動、抗沖擊、抗干擾,遙測遙控一體化,既能架設(shè)在地面也可集成到車輛中。

4)遙控系統(tǒng)軟件界面設(shè)計要簡單、易掌握、功能全。在選用電子地圖、掃描后地形圖、衛(wèi)星影像等作為底圖后,通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可進(jìn)行航線規(guī)劃、指令發(fā)送,要做到用鼠標(biāo)就能夠“指揮”無人機(jī)飛行;顯示無人機(jī)位置、高度、飛行方向、飛行軌跡等遙測信息;顯示數(shù)碼相機(jī)的工作狀態(tài)、曝光點(diǎn)位、像片數(shù)量等信息。

5)開發(fā)彈射起飛和傘降裝置,使無人機(jī)能在田間地頭、空地、沙灘、草地等處起飛和降落,滿足各種地形地貌地區(qū)的應(yīng)用。

2.2 任務(wù)荷載子系統(tǒng)

1)選用數(shù)碼相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)作為任務(wù)荷載,集成到無人機(jī)系統(tǒng)中,形成無人機(jī)遙感平臺。

2)數(shù)碼相機(jī)通過自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定時、等間距曝光。

3)選用視頻圖像傳輸設(shè)備,用于監(jiān)測區(qū)視頻圖像的實(shí)時傳輸、瀏覽和存儲;機(jī)上搭載數(shù)碼攝錄機(jī)和圖像發(fā)射機(jī),地面為圖像接收機(jī)和監(jiān)視器。

4)開發(fā)POS裝置并集成到系統(tǒng)中,自動采集每張遙感影像曝光時刻的位置、姿態(tài)、方向數(shù)據(jù),在獲取影像同時獲取其定位信息,為遙感影像數(shù)據(jù)的快速處理提供初始值。

2.3 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

1)利用POS數(shù)據(jù),現(xiàn)場1 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)遙感影像飛行質(zhì)量的自動檢查。

2)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)遙感影像的預(yù)處理、空三平差、粗糾正、快速拼接。

3)提供所需的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式,通過影像匹配技術(shù),自動提取地物變化區(qū)域的信息,自動生成數(shù)據(jù)報表。

3 技術(shù)設(shè)計

本系統(tǒng)研究集航空、人工智能、測繪、信息系統(tǒng)等多門學(xué)科于一體,涵蓋了導(dǎo)航、航空遙感、攝影測量、大地測量、通訊、計算機(jī)、土地規(guī)劃、制圖、信息系統(tǒng)等多種專業(yè),具有較強(qiáng)專業(yè)性和復(fù)雜性。在研究過程中,把握好先進(jìn)性和實(shí)用性原則,做到統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一協(xié)調(diào),使無人機(jī)航飛遙感、外業(yè)控制測量、外業(yè)調(diào)繪、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和成圖等每項(xiàng)技術(shù)工作達(dá)到高度統(tǒng)一,各項(xiàng)成果達(dá)到高效率、高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn),見圖6。

3.1 技術(shù)路線

無人機(jī)具體技術(shù)路線見圖6。

圖6 無人機(jī)設(shè)計路線

3.2 作業(yè)流程

目的論有三個指導(dǎo)原則，分別是目的原則，連貫原則和忠誠原則。這三個原則之間有先后等級之分，連貫的優(yōu)先級高于忠誠，同時這兩個原則要以目的原則為前提[2]。在該理論的視角下，一切翻譯行為都必須首先服從“目的原則”，也就是譯文應(yīng)該根據(jù)所要達(dá)到的效果進(jìn)行語言上的組織，同時還應(yīng)該被目的語讀者接受[3]。譯文所要達(dá)到的效果是譯者選擇翻譯技巧首要需要考慮的因素，也就是效果決定技巧[4]。連貫的核心思想是翻譯成果被目的語讀者理解，符合其閱讀習(xí)慣和思維方式。在忠實(shí)原則視角下，譯文應(yīng)該最大限度地再現(xiàn)原文的內(nèi)容和神韻，但是再現(xiàn)程度根據(jù)譯文所要達(dá)到的功能而有所不同。

無人機(jī)具體作業(yè)流程見圖7。

圖7 無人機(jī)作業(yè)流程

3.3 關(guān)鍵技術(shù)研究及存在的問題

1)系統(tǒng)集成技術(shù)。將無人駕駛飛行平臺、機(jī)載遙感設(shè)備、GPS導(dǎo)航定位裝置、GIS地圖數(shù)據(jù)、地面監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行集成,實(shí)現(xiàn)“3S”集成應(yīng)用。開發(fā)的程控和自主飛行系統(tǒng)可減少系統(tǒng)操作人員工作難度、提高系統(tǒng)的控制精度。通過多次試驗(yàn)研究改造,集成度大大提高,重量越來越輕,體積越來越小,操作越來越簡便。但集成空間還很大,有待進(jìn)一步研究。

2)飛行安全技術(shù)。飛機(jī)的安全關(guān)鍵是起飛和降落,由于飛機(jī)小而輕穩(wěn)定性差,抗干擾性弱,小飛機(jī)跑道滑行受損、墜落的現(xiàn)象高于大飛機(jī)?，F(xiàn)在從跑道式起飛改成彈射式起飛,安全性大為提高,但安全性還遠(yuǎn)低于大飛機(jī)。此外傘降的危險性和對飛機(jī)的損傷始終存在。

3)相機(jī)定標(biāo)技術(shù)。為使獲取的影像滿足大比例尺測圖精度要求,需對專業(yè)相機(jī)進(jìn)行精確檢校。根據(jù)相機(jī)幾何成像模型作相關(guān)檢較工作,得到相機(jī)內(nèi)、外參數(shù)。使用現(xiàn)有檢校場對相機(jī)進(jìn)行定期檢測,對CCD芯片和鏡頭產(chǎn)生的不規(guī)則畸變測定逐個像素的畸變量。運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)模型編制專門軟件自動對影像進(jìn)行畸變糾正處理。

4)大比例尺成圖技術(shù)。因?yàn)樵囼?yàn)處于技術(shù)開發(fā)階段,目前,只能處理1∶10 000比例尺地形圖要素的更新工作,更大比例尺的處理技術(shù)尚不成熟。此外,目前使用的是單鏡頭相機(jī),不利于成圖,有待將來使用多鏡頭相機(jī)進(jìn)行航攝。

4 應(yīng)用前景探討

進(jìn)行城鎮(zhèn)規(guī)劃、土地整理設(shè)計、土地節(jié)約利用等方面的飛行試驗(yàn),效果比較理想,很受用戶的歡迎。

目前,土地監(jiān)測工作主要采用人員地面檢查、衛(wèi)星遙感技術(shù)和傳統(tǒng)航空攝影技術(shù),但這3種方法均有其不足之處:

1)地面檢查方式需要大量人力、物力、效率低下;

2)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)采購周期長、衛(wèi)星影像的分辨率較低;

3)航空攝影受空域管制和氣候等因素制約,且成本高。

為了對我省重點(diǎn)地區(qū)和熱點(diǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)滾動式循環(huán)監(jiān)測,對違規(guī)違法用地、濫占耕地、破壞生態(tài)環(huán)境等現(xiàn)象做到及早發(fā)現(xiàn)、及時制止,迫切需要從技術(shù)上開發(fā)并建立更加快速、高效、直觀的國土資源監(jiān)察系統(tǒng)。無人機(jī)遙感監(jiān)測技術(shù)由于具有機(jī)動快速、影像實(shí)時傳輸、高危地區(qū)探測、成本低、機(jī)動靈活等優(yōu)點(diǎn),無疑成為衛(wèi)星遙感與傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)的有力補(bǔ)充。

4.2 礦山資源監(jiān)測的需要

近年來,礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序混亂。整頓和規(guī)范礦產(chǎn)資源開發(fā)秩序,需要利用有效地監(jiān)測技術(shù)手段全面、快速、準(zhǔn)確、動態(tài)地調(diào)查礦山的數(shù)量、分布、性質(zhì)、勘察和開采情況,為礦產(chǎn)資源開發(fā)監(jiān)督管理部門提供決策依據(jù)。

利用無人機(jī)遙感監(jiān)測系統(tǒng)在我省開展礦山資源環(huán)境監(jiān)測工作,能夠獲取礦山環(huán)境實(shí)時影像,為及時查處和糾正礦產(chǎn)資源開發(fā)中出現(xiàn)的問題,規(guī)范和整頓礦產(chǎn)資源管理和開發(fā)秩序,保障國家礦產(chǎn)資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.3 測繪管理的需要

無人機(jī)遙感監(jiān)測系統(tǒng)遵循航空攝影測量原理?；诟叻直媛蔬b感影像制作出測繪所需的大比例尺數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字線劃圖(DLG)。在大比例尺數(shù)字產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行制圖,能夠快速更新國家基本比例尺地形圖。

4.4 其他行業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用

無人機(jī)提供的地面彩色正射影像圖其分辨率達(dá)8 cm,能夠準(zhǔn)確計算出熱點(diǎn)面積、長度、高程等信息,應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。

城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃:基于高分辨率城鎮(zhèn)影像圖,可對現(xiàn)有城鎮(zhèn)規(guī)模結(jié)構(gòu)、職能分工和空間布局進(jìn)行合理調(diào)整,科學(xué)制定區(qū)域交通、通信、能源、供水、排水、防洪等布局規(guī)劃,發(fā)揮城鎮(zhèn)整體效益。

自然災(zāi)害監(jiān)測:我國(特別是湖南省)是自然災(zāi)害頻發(fā)的地方,災(zāi)害類型繁多,地類復(fù)雜?；跀?shù)字正射影像圖,災(zāi)害發(fā)生前,可做好相應(yīng)防范工作;災(zāi)害發(fā)生中,可及時了解災(zāi)害現(xiàn)狀,預(yù)測蔓延趨勢,做好應(yīng)急決策;災(zāi)害發(fā)生后,進(jìn)行災(zāi)后損失評估,做好相應(yīng)善后等工作。

水利部門應(yīng)用:基于數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型,不僅能為大型水工建筑物(橋梁、堤壩、水庫、閘門等)提供選址服務(wù),還能實(shí)時監(jiān)測其施工進(jìn)程;此外,還可以進(jìn)行水資源調(diào)查、水環(huán)境監(jiān)測、水土保持監(jiān)測和泄洪區(qū)淹沒范圍預(yù)演等,便于防汛指揮調(diào)度。

5 結(jié)束語

無人機(jī)遙感監(jiān)測系統(tǒng)具有造價低、性能強(qiáng)、機(jī)動性高等優(yōu)點(diǎn),是對傳統(tǒng)的航空攝影測量技術(shù)、現(xiàn)代遙感技術(shù)、圖像處理技術(shù)、GPS等多種學(xué)科繼承和發(fā)展,獲取的高分辨率影像能夠?yàn)樯鐣鞑块T提供快速及時信息,從而增強(qiáng)決策能力和服務(wù)水平,具有廣闊的開發(fā)價值和推廣應(yīng)用前景。系統(tǒng)不但滿足國土資源,也滿足城市規(guī)劃、城鄉(xiāng)建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、精細(xì)農(nóng)業(yè)及交通管理等多種現(xiàn)代化、信息化管理需求,是促進(jìn)我省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展必備和急需的現(xiàn)代空間數(shù)據(jù)獲取裝備,最終可建成一個多用途的綜合信息服務(wù)系統(tǒng)。

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Research on application of pilotlessaircraft in management of land and resources in Hunan

HUANG Hua-ming,TANG Zhong-an
(Hunan Institute of Surveying and Mapping Technology,Changsha 410007,China)

Aiming at the deficiency of the satellite remote sensing and aerial photography restricted by a good many factors,research on app lication of pilotless aircraft in management of land and resources in Hunan is developped.The ideal app lied effect is acquired by adop tion of the paratactical technical method on research,design and app lication.The research has broad p rospect fo r app lication.

pilotless aircraft;management of land and resources;remo te sensing

P208

A

1006-7949(2010)01-0042-04

2009-08-10

國家科技支撐計劃項(xiàng)目(2008BAJ11B03-04)

黃華明(1954-),男,高級工程師.

[責(zé)任編輯李銘娜]