無人機(jī)遙感技術(shù)及應(yīng)用

高照忠　魏海霞　葉長斌

摘 要：遙感技術(shù)是探測領(lǐng)域中非常重要的一項(xiàng)技術(shù)。近幾年，這項(xiàng)技術(shù)被用到了中國的無人機(jī)領(lǐng)域中，從而形成了無人機(jī)遙感這種全新的技術(shù)。這種技術(shù)的本質(zhì)是：無人機(jī)可在任意地點(diǎn)和任意時刻進(jìn)行拍攝，拍攝出來的照片既真實(shí)又清晰。正因?yàn)槿绱?，無人機(jī)遙感在短短幾年內(nèi)便被運(yùn)用到了諸多領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。文章將較為細(xì)致地闡述無人機(jī)遙感這項(xiàng)技術(shù)的相關(guān)情況，并對它的現(xiàn)實(shí)運(yùn)用進(jìn)行具體的介紹。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用；遙感技術(shù)；展望；無人機(jī)

引言

遙感技術(shù)起源于1960年左右，它是探測領(lǐng)域中非常重要的一項(xiàng)技術(shù)。它依據(jù)了電磁波的有關(guān)理論，結(jié)合了各種先進(jìn)的傳感儀器，把距離較遠(yuǎn)的目標(biāo)反饋回來的信息加以搜集，再對這些信息做相關(guān)的處理，最終形成目標(biāo)的全景圖像。當(dāng)下，在借助人造衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，遙感技術(shù)可確保18天以內(nèi)就能返回一次全球的真實(shí)圖像。同時，在運(yùn)用了遙感技術(shù)之后，還可高效地測繪出研究區(qū)域?qū)?yīng)的地圖。

1 無人機(jī)遙感技術(shù)的簡述

關(guān)于無人機(jī)遙感這種技術(shù)的描述可從四個方面來把握。第一是技術(shù)的組成，無人機(jī)遙感綜合了以下幾種技術(shù)：一是傳感技術(shù)；二是通訊技術(shù)；三是遙控技術(shù)；四是遙感對應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)；五是GPS技術(shù)。第二是獲取的方式，獲取方式有以下三點(diǎn)特征：一是專題化；二是智能化；三是自動化。第三是獲取的信息，獲取的信息主要有以下幾種：一是環(huán)境信息；二是國土信息；三是資源信息。第四是技術(shù)的重要優(yōu)勢，這些優(yōu)勢尤其表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：一是起飛速度快；二是成本低廉；三是結(jié)構(gòu)較為簡單。

2 無人機(jī)遙感技術(shù)的具體情況

2.1 無人機(jī)遙感技術(shù)所具備的特征

跟載人飛行器相比較，無人機(jī)遙感有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。這些技術(shù)優(yōu)勢尤其體現(xiàn)在下列幾點(diǎn)：（1）由于無人機(jī)不需要載人，所以它可以飛行到一些較高或者較危險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行航拍，這是載人飛行器無法與無人機(jī)比擬的地方；（2）與載人飛行器相比較，無人機(jī)在實(shí)際的飛行中所耗費(fèi)的資金更為低廉；（3）無人機(jī)被劃分到我國的遙控飛行器一類，所以它的整個審批流程較為簡單，相反載人飛行器屬于現(xiàn)實(shí)中的飛行器，它的整個審批流程非常復(fù)雜；（4）載人飛行器有著極為嚴(yán)格的起降要求，而無人機(jī)卻沒有過于嚴(yán)格的降落場地和起飛場地要求，所以它在航拍飛行中實(shí)現(xiàn)中途轉(zhuǎn)場比較容易；（5）航拍中，無人機(jī)所具備的安全性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了載人飛行器；（6）同載人飛行器比較，無人機(jī)可隨時進(jìn)行重新拍攝，并且拍攝時間極短，成像效果也非常清晰。

盡管無人機(jī)遙感有著如此多的技術(shù)優(yōu)勢，但它的技術(shù)劣勢也較為明顯。這些技術(shù)劣勢主要表現(xiàn)在下列幾方面：（1）無人機(jī)遙感所返回的遙感影像有著極高的分辨率，這種分辨率甚至實(shí)現(xiàn)了以分米級來計(jì)算的精密程度。但是，影像的相幅偏小，相片數(shù)量非常龐大，甚至達(dá)到了千張以上。這種大工作量的工作方式，降低了無人機(jī)遙感工作的效率。同時，影像傾角的角度一般來說較大，并且傾斜方向沒有任何規(guī)律可遵循。所以，無論是連接點(diǎn)的布設(shè)還是提取工作都變得非常困難。（2）載人飛行器通常比較穩(wěn)定，相比之下無人機(jī)就顯得不夠穩(wěn)定。假如高空中的風(fēng)速較大，那么航飛軌跡就會出現(xiàn)不規(guī)則的現(xiàn)象，甚至偏離了本身的主航道。這樣，無論是拍攝中的旁向重疊度還是航向重疊度都不夠規(guī)則，影像間的實(shí)際重疊程度就更大。（3）無人機(jī)無法攜帶專業(yè)化的測量相機(jī)。所以，它拍得的影像難免會有所變形。這是由于地面事物跟單幅相機(jī)間的投射關(guān)系很復(fù)雜，所以影像內(nèi)存在的幾何關(guān)系也就很不穩(wěn)定。在這種影響下，影像就會呈現(xiàn)出傾斜的效果甚至變形。

2.2 無人機(jī)遙感的影像處理流程

2.2.1 影像的畸變差糾正

當(dāng)前的無人機(jī)航拍方式是中國航拍方式中最為先進(jìn)的一種方式。它有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，可在任意時刻進(jìn)行航拍，并且拍攝的時間極短，成像效果也非常清晰。所以，無人機(jī)航拍這種方式被大范圍的運(yùn)用。現(xiàn)實(shí)中，無人機(jī)有著不同的類型，所攜帶的相機(jī)也有著不同的類型，不同的搭配方式使得最終的成像質(zhì)量也有巨大的差異。不過，一般情況下無人機(jī)都是配備的普通相機(jī)。普通相機(jī)拍出來的相片邊緣會出現(xiàn)畸變的現(xiàn)象。這可能給后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來極大的誤差。為了最大限度控制數(shù)據(jù)的誤差，對影像的畸變加以糾正就成了必備的工作。處理方式主要包含了以下幾種：一是消除畸變；二是消除主點(diǎn)偏移；三是旋轉(zhuǎn)影像。

2.2.2 影像的三角測量

三角測量的過程是在空中自動完成。以往，影像的轉(zhuǎn)點(diǎn)工作與選點(diǎn)工作都是以人工方式來操作完成?？墒牵瑹o人機(jī)遙感卻能讓這兩項(xiàng)工作在空中便自動完成。同時，像點(diǎn)中的各個坐標(biāo)也是自動獲取。它能為區(qū)域網(wǎng)平差程序結(jié)算提供依據(jù)[1]。這樣，坐標(biāo)系中加密點(diǎn)所處的空間位置及其定向參數(shù)都能隨之而獲得。三角測量主要對以下幾方面的內(nèi)容加以測量：一是內(nèi)定向的相關(guān)測量；二是相對定向的相關(guān)測量；三是模型連接的相關(guān)測量；四是模型轉(zhuǎn)點(diǎn)的相關(guān)測量；五是偏移量的相關(guān)測量；六是連接點(diǎn)的相關(guān)測量；七是特征點(diǎn)的相關(guān)測量。

2.2.3 DOM影像與DEM影像的生成

DOM影像與DEM影像的具體生成步驟如下：首先，借助平差程序可解算出拍得的影像對應(yīng)的外方位元素；接著，把相鄰影像跟外方位元素充分匹配，便可迅速取得相關(guān)的同名特征點(diǎn)；然后，通過這些同名特征點(diǎn)便可以生成DEM影像；最后，讓生成的這個DEM影像跟相關(guān)的同名特征點(diǎn)再次拼接，便可得到需要測量區(qū)域的DOM影像圖片。

2.3 無人機(jī)遙感的關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)實(shí)中，遙感技術(shù)是把多種技術(shù)綜合以后取得的技術(shù)成果。上述已經(jīng)談到：無人機(jī)遙感綜合了五種主要的技術(shù)，第一種是傳感技術(shù)，第二種是通訊技術(shù)，第三種是遙控技術(shù)，第四種是應(yīng)用技術(shù)，第五種是GPS技術(shù)。在這五種技術(shù)中，最為關(guān)鍵的技術(shù)又可細(xì)分成八種。第一種是遙感平臺對應(yīng)的集成技術(shù)。第二種是專用數(shù)據(jù)對應(yīng)的處理技術(shù)。第三種是傳感器對應(yīng)的控制技術(shù)。第四種是平臺穩(wěn)定涉及的相關(guān)技術(shù)。第五種是相機(jī)定標(biāo)的相關(guān)技術(shù)。第六種是相機(jī)校驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)。第七種是快速處理的相關(guān)技術(shù)。第八種是3S技術(shù)。而依據(jù)平臺框架的情況來具體劃分，關(guān)鍵技術(shù)又應(yīng)該被劃分成三種基本的技術(shù)。第一種是遙感平臺對應(yīng)的集成技術(shù)。第二種是獲取數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)與下傳數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)。第三種是地面接收與處理技術(shù)[4]。文章將對這三種最為關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)行一一的介紹。

2.3.1 無人機(jī)遙感平臺集成技術(shù)

無人機(jī)中，平臺結(jié)構(gòu)主要包含了以下幾種：一是飛行器對應(yīng)的系統(tǒng)；二是信息傳輸對應(yīng)的系統(tǒng)與測控對應(yīng)的系統(tǒng)；三是保障對應(yīng)的系統(tǒng)；四是信息獲取對應(yīng)的處理系統(tǒng)。平臺結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。無人機(jī)中安裝的是面陣CCD相機(jī)[2]。通常，拍攝操作是由相機(jī)頭部來具體完成。相機(jī)頭部又由三個部分構(gòu)成，第一部分是數(shù)碼后背，第二部分是鏡頭，第三部分是機(jī)身。對無人機(jī)來說，遙感平臺需要體積小且分辨率偏高的相機(jī)。因此，大面陣CCD數(shù)碼與120中型幅面相機(jī)是最佳的組合[3]。再者，高清圖像是無人機(jī)影像的一個重點(diǎn)。所以，拖影便成了影像中的一個重要障礙。為此，遙感平臺必須盡量把拖影的像元控制在0.5以下。假設(shè)像元是9um×9um，高度是500m，速度是每秒鐘33m，焦距是50mm。那么可得出曝光時間是1/733秒，快門應(yīng)選用1/1000s以上[5]。假設(shè)焦距用字母f來表示，成像面尺寸用字母L來表示，視場角用字母θ來表示。那么焦距公式是tg（θ/2）=（L/2）/f[6]。而主控計(jì)算機(jī)需要起到三方面的作用，首先是對相機(jī)進(jìn)行良好的控制，其次是對圖像加以傳輸，再次是對圖像加以保存。因此，PC/104+嵌入式計(jì)算機(jī)是最好的選擇[4]。

2.3.2 下傳數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)與獲取數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)

因?yàn)闊o人機(jī)遙感會產(chǎn)生極大的數(shù)據(jù)量，所以下傳圖像的過程中一般來說會選擇高壓縮比的壓縮技術(shù)。壓縮方案具體如下：系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)鏈路共有兩條，傳輸中多模態(tài)遙感器會與工控機(jī)互相配合，一方面可通過其中一條鏈路把遙感數(shù)據(jù)傳送到硬盤中做備份處理，另一方面可通過另外一條鏈路把遙感數(shù)據(jù)傳送到壓縮模塊中做壓縮處理。

另外，圖像獲取的具體步驟如下：（1）系統(tǒng)中的IO設(shè)備可把遙感數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)讀取出來；（2）遙感數(shù)據(jù)在控制板是BMP這種格式的數(shù)據(jù)，通訊程序可把這種格式的數(shù)據(jù)全部讀取出來，再把數(shù)據(jù)全部寫入到DSP中；（3）DSP中具備壓縮模塊，壓縮模塊會把這些圖像由BMP格式轉(zhuǎn)換成JPEG格式；（4）JPEG格式的所有圖像會被存儲到指定的內(nèi)存中；（5）通訊程序從指定內(nèi)存中把JPEG格式的所有圖像給讀取出來再傳送到數(shù)據(jù)鏈路中。

2.3.3 地面對數(shù)據(jù)的接收與處理

對無人機(jī)來說，無論是地面的接收工作還是地面的處理工作都必須依托于數(shù)據(jù)接收站。數(shù)據(jù)接收站既可以是固定式也可以是移動式。而無論是哪種類型的數(shù)據(jù)接收站都必須具備以下五種基本功能：一是存儲海量數(shù)據(jù)的基本功能；二是建立海量數(shù)據(jù)庫的基本功能；三是管理海量數(shù)據(jù)的基本功能；四是分發(fā)海量數(shù)據(jù)的基本功能；五是糾正數(shù)據(jù)的基本功能。

3 結(jié)束語

綜上，文章首先闡述了無人機(jī)遙感這種技術(shù)的本質(zhì)。其次，文章闡述了無人機(jī)遙感這種技術(shù)的基本情況：一是這種技術(shù)所具備的特征；二是這種技術(shù)在處理中的詳細(xì)流程；三是這種技術(shù)具體包含了哪些關(guān)鍵技術(shù)，并對這些關(guān)鍵技術(shù)分別加以介紹。

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