基于多旋翼無人機的熱紅外地表溫度場反演系統(tǒng)設計

胡 鵬，伍光勝，傅銘治2，羅意斕

(1.廣州市氣象局，廣州 511430; 2.廣州市南沙區(qū)氣象局，廣州 511400)

0 引言

當前，在全球氣候變暖和城市化背景下，城市熱環(huán)境日漸惡化，導致能耗持續(xù)增長、人體舒適度降低、甚至導致疾病發(fā)病率和死亡率上升，已成為氣候、環(huán)境、生態(tài)等領(lǐng)域研究的熱點問題[1]。為積極適應氣候變化，我國在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006～2020)》中明確要求，為提升城市功能與空間節(jié)約利用，要把城市熱島效應形成機制與人工調(diào)控作為重點研究內(nèi)容[2]。

從研究方法來說，關(guān)于城市熱島效應的研究，主要有三類：(1)基于傳統(tǒng)氣象觀測數(shù)據(jù)進行研究，即利用氣象臺站的歷史和實況資料進行研究。此方法優(yōu)點是數(shù)據(jù)準確，時間分布連續(xù)性好，可研究城市熱島的年相、季相、日相變化特征，分析演變規(guī)律，缺點是氣象臺站有限，空間分辨率較低，以點帶面，不能完全掌握城市熱島的空間分布信息。(2)基于數(shù)值模擬法進行研究，即利用邊界層數(shù)值模形，研究地表與城市大氣邊界層間的熱力交換過程。此方法的優(yōu)點是可以得到熱島在時間上的變化規(guī)律，描述其形成的物理過程，對未來演變進行預測和模擬，缺點主要是純概念研究，真實性受模型本身精度和參數(shù)設置影響較大。(3)基于遙感技術(shù)進行研究，即利用各種運載工具，使用遙感傳感器獲取地面目標輻射或反射的電磁波，以辨識目標信息的技術(shù)。由于通過遙感手段獲取的觀測資料具有時間同步性好、覆蓋范圍廣的優(yōu)點，能進行大面積地表溫度測定，直觀定量研究熱島特征，特別是隨著衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)的發(fā)展完善，如空間分辨率和輻射分辨率的提高，已逐步在城市熱島研究中發(fā)揮越來越重要的作用[3-5]。衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)通常是采集以像元為單位的城市下墊面輻射溫度(亮溫)，利用亮溫、地溫、氣溫三者之間的密切關(guān)系，來進行城市熱環(huán)境分布特征研究，如國內(nèi)不少學者都使用NOAA/AVHHR/LANDSTA TM/EIM+等衛(wèi)星數(shù)據(jù)對北京、上海、珠三角等多個城市地區(qū)進行了相關(guān)的研究。但是，由于目前衛(wèi)星平臺受過境時刻、云層遮擋、空間分辨率等的限制，使得城市地表溫度場的小尺度精細化反演存在著難以克服的困難。

近年來，隨著微小型無人機技術(shù)的發(fā)展成熟，利用其機動靈活、操作簡單、成本低廉、穩(wěn)定可靠的特點，如搭載高精度紅外熱成像設備并開發(fā)相應的紅外圖像處理和反演軟件，則可以為城市熱島研究提供一種新型的高分辨率地熱觀測平臺，彌補衛(wèi)星紅外遙感技術(shù)的不足，為開展城市精細化氣象服務提供有效支持。

1 紅外測溫原理

紅外測溫的原理來源于黑體輻射機理，即任何物體，只要其溫度高于絕對零度就會向外輻射電磁波，對于理想的輻射源-黑體而言，輻射能量與溫度的關(guān)系符合普朗克定律[6]，即：

(1)

式(1)中，Pb(λT)是T溫度下、λ波長處、單位面積黑體的輻射功率，C1、C2為輻射常數(shù)，這個公式揭示了輻射能量與黑體溫度和相應波長的關(guān)系。

根據(jù)斯特藩-玻耳茲曼定理：黑體的表面單位面積上所發(fā)射的所有波長的總輻射功率Pb(T)與溫度T的4次方成正比，即：

Pb(T)=σT4

(2)

式(2)中σ為斯特藩常數(shù)，T為熱力學溫度。由于相同條件下，物體輻射的功率總是小于黑體的功率，即物體的單色輻射功率P(T)小于黑體的單色輻射功率Pb(T)，且它們的比值是不隨波長變化的常數(shù)ε=P(T)/Pb(T)，因此可得：

P(T)=εPb(T)=εσT4

(3)

故所測物體的溫度為：

(4)

在實際地表溫度測量中，由于地表熱輻射在其傳導過程中，還受到大氣和輻射面的多重影響，紅外傳感器所觀測到的熱輻射強度已不再是單純的地表熱輻射強度，還包括了環(huán)境反射和大氣輻射部分，因此紅外遙感所獲得的輻射溫度數(shù)據(jù)，還與觀測對象反射率、大氣溫度和相對濕度、觀測距離等因素有關(guān)，需通過大氣輻射校正和地表比輻射率校正，才能比較準確地反映地表溫度。此外，在用于城市熱島研究的街區(qū)級尺度地表溫度觀測應用中，由于范圍較小，可認為觀測區(qū)域內(nèi)大氣溫濕度條件基本一致，從而忽略大氣對輻射溫度的影響，簡化溫度計算[7]。

2 熱紅外無人機地表溫度反演系統(tǒng)

針對開展城市熱環(huán)境精細化觀測和研究的現(xiàn)實需求和傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感觀測的不足，根據(jù)紅外測溫理論，文章設計并實現(xiàn)了一種基于微型四旋翼無人機平臺的地表溫度場反演系統(tǒng)。系統(tǒng)利用微型四旋翼無人機操作簡單、機動靈活、垂直飛行、航拍分辨率高等特點，以微型四旋翼無人機作為載機平臺，搭載高清紅外相機作為熱輻射傳感器，通過開發(fā)熱紅外地表溫度場反演軟件實現(xiàn)對城市小尺度區(qū)域地表溫度的精細化觀測，完成從無人機航拍紅外照片實時推送并反演生成精度達5 m的地面網(wǎng)格化溫度場及與實景地圖疊加顯示和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

2.1 系統(tǒng)組成

由于系統(tǒng)基于微小型旋翼無人機平臺開發(fā)，融合熱成像技術(shù)、航拍及圖像處理技術(shù)等，與其他類型的無人機系統(tǒng)相比，其外觀結(jié)構(gòu)、應用領(lǐng)域、性能指標均有所不同，但從系統(tǒng)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上講，它同時也符合一個典型的無人機系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，主要包括了飛機平臺、地面站、數(shù)據(jù)通信、有效載荷和配套軟件等部分。按照可行性原則、先進性原則、可靠性原則，結(jié)合實際業(yè)務需求，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.2 硬件平臺

根據(jù)實際應用場景，載機平臺選用四旋翼無人機，以提高飛行靈活性和飛行時間。機身部分均采用碳纖維材料，從而在降低機體重量的前提下，取得較高的機械強度和穩(wěn)定性能[8]。任務載荷則選用安裝在三自由度增穩(wěn)云臺上的美國FLIR公司高靈敏度航拍熱像儀。該熱像儀采用非制冷型氧化釩(VOx)焦平面陣列上電路和非均勻校正相結(jié)合的方法，能夠在較寬溫度范圍和較高精度內(nèi)工作，同時保持極好的動態(tài)范圍和均勻性，且結(jié)構(gòu)緊湊，僅重120 g，易于安裝于微型無人機上。地空通信鏈路上，選用DJI Lightbridge2高清圖傳鏈路，其工作頻率為5.725～5.825 Ghz和2.400～2.483 Ghz，最遠通信距離為5000 m，采用無線鏈路動態(tài)適應技術(shù)，平衡了距離、電磁環(huán)境和通信質(zhì)量的沖突，并能自動選擇最佳信道，在有需要時切換信道和調(diào)整帶寬，保障數(shù)據(jù)的流暢性，有效降低數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。由于使用單向圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使得圖像傳輸延遲大大降低，此外，利用專門開發(fā)的圖片推送程序，可實現(xiàn)航拍照片向地面服務器的實時推送。整個平臺主要技術(shù)指標如表1。

表1 主要技術(shù)指標

2.3 熱紅外地表溫度場反演軟件

熱紅外地表溫度場反演軟件是本系統(tǒng)的核心軟件，其主要功能包括：實時拼接、反演無人機拍攝紅外圖像為溫度場數(shù)據(jù)；結(jié)合GIS衛(wèi)星影像地圖實現(xiàn)溫度場顯示分析界面并支持任意點的溫度取值；歷史數(shù)據(jù)查詢和導出。

軟件的主要流程如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

1)無人機拍攝的紅外圖像文件通過FTP方式傳送到地面服務器，服務器模塊利用文件夾實時監(jiān)控，獲得圖像文件傳輸完成的觸發(fā)事件，執(zhí)行紅外圖像反演溫度數(shù)據(jù)并調(diào)整為格點溫度數(shù)據(jù)操作，產(chǎn)生當前拍攝過程的溫度場合并文件和更新信息文件。溫度場合并文件包括JSon格式的溫度場數(shù)據(jù)文件和填色圖片。用戶在瀏覽器上查看溫度場分析頁面時，頁面代碼中的JavaScript定時函數(shù)通過JQery檢查服務器上的消息文件更新情況，當檢查到溫度場更新時，從服務器調(diào)取最新的填色圖片和數(shù)據(jù)文件，運用ArcGIS API for JavaScript，將填色圖片和格點溫度數(shù)據(jù)顯示到衛(wèi)星影像地圖上。

其中，將紅外圖像反演為經(jīng)緯度點上的溫度值和多張圖像拼接溫度場是本軟件的技術(shù)難點。其具體實現(xiàn)步驟如下：

通過紅外攝像機廠家提供的SDK類庫，將單張紅外圖像的全部像素值轉(zhuǎn)換為精度為0.001 ℃的溫度二維數(shù)據(jù)組。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)樣例如下圖3：每行640個數(shù)據(jù)，對應圖像寬度；共512行，對應圖像高度。

這與他想象中的夏小凡不同，卻又合情合理。于是，還沒開始，高志明就退縮了。他跟一位相親認識的女士結(jié)婚，后妻賢惠懂事，脾氣溫和，把他和他的家庭照顧得很好。

圖3 原始數(shù)據(jù)樣例

2)通過紅外圖片文件的XMP信息，提取該圖片中心點經(jīng)緯度、長寬、拍攝視角、拍攝高度、無人機偏航角、俯仰角、翻轉(zhuǎn)角信息。

3)轉(zhuǎn)換步驟1所得溫度二維數(shù)組為網(wǎng)格點(經(jīng)緯度)溫度數(shù)組。如圖4所示，即通過步驟2提取的圖片和無人機位置信息，通過三角函數(shù)計算出圖片四個頂點的經(jīng)緯度坐標，然后對四個頂點范圍內(nèi)的每一個網(wǎng)格點反算出該點在圖片上的像素坐標，從而取得每個網(wǎng)格點的溫度值。

圖4 航拍示意圖

無人機正北向、有仰俯角、有翻轉(zhuǎn)角的飛行拍照，所拍照片上任意一點(x，y)的經(jīng)緯度(lon1,lat1)的計算公式如下：

lon1=lon0+htan(α+θr)/n

lat1=lat0+htan(β+θp)/s

(5)

其中:(lon0,lat0)是相片拍攝時無人機所在的經(jīng)緯度，h為無人機距地高度；θr為翻轉(zhuǎn)角，θp為仰俯角；s為緯度距離轉(zhuǎn)度數(shù)參數(shù)，全球各地緯度1°的間隔長度都相等(因為所有經(jīng)線的長度都相等)，大約是111 km/1°；n為經(jīng)度距離轉(zhuǎn)度數(shù)參數(shù)，大約為111 cos(lat0)km/1°；α為照片上點(x，y)與圖片中心點(x0，y0)之間夾角在經(jīng)度方向上的分量；β為照片上點(x，y)與圖片中心點(x0，y0)之間夾角在緯度方向上的分量。

加入偏航角后，任意一點(x，y)繞圖片中心點(x0，y0)偏轉(zhuǎn)后的經(jīng)緯度(lon2,lat2)。

計算如下：

lon2=(lon1-lon0′ ) cosγ-(lat1-lat0′) sinγ-lon0′

lat2=(lon1-lon0′) sinγ-(lat1-lat0′) cosγ-lat0′

(6)

(lon0′,lat0′)為圖片中心點(x0，y0)的經(jīng)緯度，γ為偏航角。

原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)樣例如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)

樣本中，每行54個數(shù)據(jù)，對應圖像在地圖上的經(jīng)度長度(每0.00001度1個數(shù)據(jù))；共44行，對應圖像在地圖上的緯度長度(每0.00001度1個數(shù)據(jù))。樣本中的-999.9表示該點沒有數(shù)據(jù)，由于無人機偏轉(zhuǎn)等原因?qū)е聢D像偏轉(zhuǎn)，邊界外出現(xiàn)-999.9。

4)完成合并拼接溫度場。當接收到新的圖片時，取得新圖片的四個頂點經(jīng)緯度和它的網(wǎng)格溫度二維數(shù)組，和原有的溫度場經(jīng)緯度范圍進行比較，產(chǎn)生合并后的經(jīng)緯度范圍和二維數(shù)組，將全部圖片的溫度值填入新的二維數(shù)組中，如果一個網(wǎng)格點上出現(xiàn)圖片重疊，則該點上的溫度值為各個圖片溫度的平均值[9-11]。

3 觀測試驗

2017年7月至2018年8月，為測試本系統(tǒng)設計方案和可靠性，同時對反演溫度數(shù)據(jù)準確性進行校準和分析，進行了多次空中飛行試驗，取得了滿意的效果。如圖6為2017年10月23日在廣州G59287國家基本站進行飛行試驗的航線規(guī)劃圖，圖7為熱紅外地表溫度場反演軟件最后生成的試驗區(qū)域地表溫度場。通過與當時G59287站不同時段的地面觀測數(shù)據(jù)對比(下圖8)可見，軟件反演生成的溫度值與地面實測值非常接近，且變化趨勢完全一致，其反演準確度、分辨率都非常理想，達到了系統(tǒng)設計要求。

圖6 航線規(guī)劃圖

圖7 反演生成的地表溫度場

圖8 試驗數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)語

基于多旋翼無人機的熱紅外地表溫度場反演系統(tǒng)，投資少，效率高，機動靈活，使用方便，可彌補傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感等觀測手段的不足，為開展城市區(qū)域熱環(huán)境精細化觀測提供了一種新的技術(shù)平臺與工具，也為氣象無人機的應用開辟了一個新的方向，其反演生成的地表溫度場數(shù)據(jù)，可用于研究城市熱環(huán)境特征，評估不同建筑布局和下墊面的可能影響，為合理規(guī)劃城市、改善城市熱環(huán)境和促進城市可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐，此外，還可廣泛應用于森林防火、道路交通、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等其他領(lǐng)域[12]。