耕地質(zhì)量低空遙感-地面?zhèn)鞲须p重采集系統(tǒng)研究

張飛揚(yáng)，胡月明，陳聯(lián)誠，王廣興

(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2 廣東省土地利用與整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省土地信息工程技術(shù)研究中心/自然資源部建設(shè)用地再開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642； 3 南伊利諾伊大學(xué)，伊利諾伊州 卡本代爾 62901)

耕地質(zhì)量監(jiān)測的監(jiān)測指標(biāo)數(shù)量和種類較多[1]，常規(guī)的現(xiàn)場調(diào)查與實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析方法雖然能夠獲得絕大部分耕地質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)，但現(xiàn)場調(diào)查的主觀影響大，實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，調(diào)查數(shù)據(jù)無法展現(xiàn)耕地質(zhì)量指標(biāo)的空間和時(shí)間變化。如果能夠獲得監(jiān)測區(qū)域的地面長期監(jiān)測數(shù)據(jù)和低空遙感數(shù)據(jù)，就可以為耕地質(zhì)量指標(biāo)的監(jiān)測提供新的監(jiān)測和分析方法[2]?，F(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無人機(jī)可以分別提供地面長期監(jiān)測數(shù)據(jù)和低空遙感數(shù)據(jù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行地面長期監(jiān)測。作為物聯(lián)網(wǎng)的重要技術(shù)之一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，并已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3-6]、環(huán)境監(jiān)測[7-9]、地質(zhì)檢測[10-11]、文化遺產(chǎn)保護(hù)[12-13]等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到丘陵、農(nóng)作物等地貌地物的影響，容易出現(xiàn)無法通信、丟包率大或者能量消耗不均勻的問題[14-16]。在無人機(jī)上搭載匯聚節(jié)點(diǎn)形成立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以利用無人機(jī)在低空、超低空飛行不受地形和環(huán)境影響的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)的移動，防止節(jié)點(diǎn)之間被農(nóng)作物遮擋導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法傳輸[17-21]。

無人機(jī)低空遙感可以進(jìn)行區(qū)域低空遙感監(jiān)測。無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)具有高空間分辨率和高空間精度的特點(diǎn)，是近年來熱門的遙感監(jiān)測技術(shù)，可以用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空[22-26]、土地利用監(jiān)管[27-28]、地形測繪[29-32]等領(lǐng)域。與衛(wèi)星遙感相比，無人機(jī)低空遙感可以采集到更高空間分辨率的圖像或光譜數(shù)據(jù)和更優(yōu)質(zhì)的遙感數(shù)據(jù)，并且采樣成本低[33-35]。

但是，現(xiàn)有的無人機(jī)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(UAVWSN) 系統(tǒng)無法直接成為一套雙重采集系統(tǒng)。UAV-WSN 系統(tǒng)中無人機(jī)只是作為移動匯聚節(jié)點(diǎn)獲取地面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，無法獲取低空遙感數(shù)據(jù)；或者無人機(jī)只是作為采樣設(shè)備采集低空遙感數(shù)據(jù)，無法保證能夠完整獲取地面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的UAVWSN 系統(tǒng)需要以不同的方式和不同的航線采集低空遙感數(shù)據(jù)和地面長期監(jiān)測數(shù)據(jù)[36-43]。直接將2 種采集合并，無人機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)就無法拼接為低空遙感數(shù)據(jù)，或者無人機(jī)無法完全匯聚所有地面節(jié)點(diǎn)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本研究設(shè)計(jì)了一種用于耕地質(zhì)量監(jiān)測的低空遙感-地面?zhèn)鞲斜O(jiān)測雙重采集方法及系統(tǒng)，1 次采樣飛行同時(shí)獲取完整的地面節(jié)點(diǎn)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)和低空遙感圖像數(shù)據(jù)2 種監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中的關(guān)鍵技術(shù)在于設(shè)計(jì)1 套全新的雙重采集工作流程，并且對原有的2 套技術(shù)方案關(guān)鍵步驟和算法進(jìn)行有效的融合與更新，使之成為適用于本發(fā)明的雙重采集步驟與算法。通過立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無人機(jī)低空遙感的集成與融合，能夠減少現(xiàn)場采樣所需的總工作時(shí)長、降低采樣工作的復(fù)雜程度、提升耕地質(zhì)量監(jiān)測的效率。

1 雙重采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 雙重采集思路

現(xiàn)有立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)的主要思路分別如圖1 所示。圖1a 顯示立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)地面節(jié)點(diǎn)分簇后的頭節(jié)點(diǎn)位置確定無人機(jī)航線，圖1b 顯示低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)機(jī)載相機(jī)或光譜成像儀的參數(shù)確定無人機(jī)航線。

圖 1 立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(a)和低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)(b)技術(shù)方案Fig. 1 Solutions of stereo wireless sensor network (a) and low altitude remote sensing monitoring system (b)

圖 2 直接合并2 套系統(tǒng)產(chǎn)生的問題Fig. 2 Problem of integrating two systems into one

如果將立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)直接合并為同一套系統(tǒng)，由于這2 套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集原理與航線規(guī)劃方法不同，依舊無法實(shí)現(xiàn)1 次飛行任務(wù)采集2 種數(shù)據(jù)。如果以立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方案為主同時(shí)采集低空遙感圖像，所采集的圖像數(shù)據(jù)不僅分布不均勻，而且無法拼接為整個區(qū)域完整的低空遙感數(shù)據(jù)，如圖2a 所示。特別是應(yīng)用了分簇路由協(xié)議的立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由于是動態(tài)組網(wǎng)，每次分簇組網(wǎng)的頭節(jié)點(diǎn)不同，航線也會不同，所采集到的地面圖像數(shù)據(jù)的位置也就完全不同。如果以低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)方案為主同時(shí)采集地面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，由于航線規(guī)劃過程不考慮地面節(jié)點(diǎn)位置，這就很可能會出現(xiàn)無人機(jī)不經(jīng)過地面節(jié)點(diǎn)分簇后的頭節(jié)點(diǎn)的有效通信范圍，導(dǎo)致地面數(shù)據(jù)無法發(fā)送至無人機(jī)；或者無人機(jī)經(jīng)過地面節(jié)點(diǎn)分簇后的頭節(jié)點(diǎn)有效通信范圍的航線長度太短，頭節(jié)點(diǎn)沒有足夠的通信時(shí)間將數(shù)據(jù)全部傳輸至無人機(jī)，如圖2b 所示。

由于沒有可以同時(shí)滿足立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)的航線規(guī)劃算法，本研究創(chuàng)新一種雙重采樣技術(shù)方案，主體思路如圖3 所示：根據(jù)機(jī)載相機(jī)或光譜成像儀的參數(shù)確定無人機(jī)航線，通過無人機(jī)航線數(shù)據(jù)進(jìn)行地面節(jié)點(diǎn)分簇和數(shù)據(jù)傳輸，再通過地面節(jié)點(diǎn)來提升無人機(jī)低空遙感數(shù)據(jù)精度。

1.2 雙重采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖 3 低空遙感-地面?zhèn)鞲斜O(jiān)測雙重采集系統(tǒng)技術(shù)方案Fig. 3 Solution of low altitude remote sensing-ground sensing double collection system

雙重采集系統(tǒng)硬件架構(gòu)分為2 部分：地面節(jié)點(diǎn)和空中無人機(jī)（圖4）。地面節(jié)點(diǎn)與常規(guī)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)相似，主要包括控制模塊、采集模塊、通信模塊、存儲模塊、電源模塊、太陽能板。采集模塊根據(jù)監(jiān)測需求搭配不同的傳感器，例如用于耕地質(zhì)量監(jiān)測，分別可以選擇搭配三深度土壤含水量傳感器、土壤pH 及EC 傳感器、氣象站、葉面積指數(shù)傳感器等。通信模塊根據(jù)耕地大小和分布進(jìn)行調(diào)整，常規(guī)情況下搭配各類低功耗ZigBee 模塊，減少通信方面的能耗以增加地面網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間；耕地地塊小、破碎化程度高的情況下搭配WiFi 模塊，提升數(shù)據(jù)傳輸速率，盡可能多得采集地面情況；耕地面積廣、與固定翼無人機(jī)配合的情況下搭配LPWA 模塊，提升通信距離以實(shí)現(xiàn)與飛行高度較高的固定翼無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

空中無人機(jī)平臺是一臺無人機(jī)搭載2 種機(jī)載功能模塊，包括低空遙感數(shù)據(jù)采集和地面?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)匯聚。根據(jù)監(jiān)測需求低空遙感數(shù)據(jù)采集可以選擇高清相機(jī)、熱成像相機(jī)、多光譜相機(jī)、高光譜成像儀等，并且利用無人機(jī)自帶或額外加裝的定位定姿系統(tǒng)(Position and orientation system，POS)在記錄圖像、多光譜相片等數(shù)據(jù)的同時(shí)給每張相片附加對應(yīng)的經(jīng)緯度、高度、三軸翻滾角和光照強(qiáng)度。地面?zhèn)鞲袛?shù)據(jù)匯集由控制模塊、通信模塊、存儲模塊和電源模塊組成。通信模塊選取與地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)所選取的通信模塊類型相同的模塊，如果所選類型為ZigBee 或者LPWA，需要額外附加WiFi 模塊用于與移動實(shí)驗(yàn)室通信。電源模塊根據(jù)無人機(jī)進(jìn)行調(diào)整，如果無人機(jī)提供電源接口，電源模塊使用調(diào)壓模塊連接無人機(jī)；如果無人機(jī)沒有電源接口，電源模塊為高容量電池。

圖 4 硬件架構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of hardware

2 低空遙感-地面?zhèn)鞲须p重采集方法

2.1 雙重采集設(shè)計(jì)

將立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無人機(jī)低空遙感這2 套監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行集成，需要解決2 個問題：如何讓地面節(jié)點(diǎn)集群的數(shù)據(jù)傳輸適應(yīng)無人機(jī)的飛行航線，如何利用地面節(jié)點(diǎn)集群提升低空遙感效果。

圖 5 雙重采集技術(shù)方案流程圖Fig. 5 Chart flow of double collection solution

整個系統(tǒng)的工作流程如圖5 所示。工作人員部署地面節(jié)點(diǎn)時(shí)，測定每個地面節(jié)點(diǎn)的太陽能板的經(jīng)緯度和海拔高度，將太陽能板作為低空遙感圖像拼接過程所需的地面控制點(diǎn)(Ground control point，GCP)；每次采樣飛行前，規(guī)劃好的無人機(jī)飛行航線會同時(shí)傳入無人機(jī)飛行控制器和無人機(jī)上的匯聚節(jié)點(diǎn)；在無人機(jī)采集低空遙感圖像的過程中，匯聚節(jié)點(diǎn)會不斷向地面發(fā)送組網(wǎng)信號，地面節(jié)點(diǎn)集群中任意一個節(jié)點(diǎn)接收到組網(wǎng)信號后與匯聚節(jié)點(diǎn)通信并接收航線數(shù)據(jù)，然后使用定向擴(kuò)散協(xié)議將航線數(shù)據(jù)傳輸給所有地面節(jié)點(diǎn)；地面節(jié)點(diǎn)集群使用基于航線的LEACH 路由協(xié)議選取頭節(jié)點(diǎn)并將數(shù)據(jù)發(fā)送至頭節(jié)點(diǎn)，由頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)；無人機(jī)的低空遙感圖像數(shù)據(jù)和地面節(jié)點(diǎn)傳感數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器的P h o t o S c a n 圖像拼接軟件，在PhotoScan 拼接圖像的過程中人工識別每個作為GCP 的地面節(jié)點(diǎn)太陽能板并錄入經(jīng)緯度以提升幾何精度，PhotoScan 繼續(xù)進(jìn)行拼接任務(wù)生成鳥瞰圖、數(shù)字高程模型(Digital elevation model，DEM)等低空遙感產(chǎn)品[44]。

讓地面節(jié)點(diǎn)集群的數(shù)據(jù)傳輸適應(yīng)無人機(jī)的飛行航線，關(guān)鍵在于將航線作為參數(shù)進(jìn)行地面節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。通過將航線數(shù)據(jù)傳遍所有地面節(jié)點(diǎn)并基于航線數(shù)據(jù)進(jìn)行分簇組網(wǎng)，可以保證每個簇都將數(shù)據(jù)順利傳輸給無人機(jī)上的匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)兼顧地面節(jié)點(diǎn)集群的能量均衡。

利用地面節(jié)點(diǎn)集群提升低空遙感效果是指將地面節(jié)點(diǎn)作為地面控制點(diǎn)。對于低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)，如果人工部署GCP，雖然能夠?qū)⑺椒较虻恼`差降低至0.51 cm[45]，但是需要工作人員走遍整個監(jiān)測區(qū)域選取地物或放置靶標(biāo)作為GCP 并測量經(jīng)緯度，完成測量后再走遍整個區(qū)域回收靶標(biāo)，花費(fèi)的時(shí)間和人力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無人機(jī)飛行航拍的過程；如果不部署GCP，雖然工作人員僅需站在無人機(jī)起飛點(diǎn)觀察和等待無人機(jī)完成飛行航拍，但是水平方向的誤差為1～2 m。雙重采集系統(tǒng)使用坐標(biāo)點(diǎn)已知、位置固定、形狀規(guī)整的地面節(jié)點(diǎn)集群的太陽能板作為地面控制點(diǎn)，工作人員在采樣過程中不需要走遍整個區(qū)域部署地面控制點(diǎn)，而是在拼接圖像時(shí)人工識別每個地面節(jié)點(diǎn)的太陽能板并錄入該地面節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度。因此雙重采集系統(tǒng)可以在保證低空遙感數(shù)據(jù)幾何精度的同時(shí)免去每次飛行前人工部署地面控制點(diǎn)的人力和時(shí)間成本[45-46]。

2.2 基于航線的LEACH 算法

為了讓雙重采集系統(tǒng)的地面節(jié)點(diǎn)集群組網(wǎng)及數(shù)據(jù)傳輸適應(yīng)無人機(jī)的飛行航線，本研究以經(jīng)典的LEACH 算法為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了基于航線的LEACH 算法。經(jīng)典LEACH 算法純以概率均衡地面節(jié)點(diǎn)集群能量消耗，直接用于雙重采集系統(tǒng)有可能出現(xiàn)頭節(jié)點(diǎn)與無人機(jī)通信時(shí)間過短甚至無法與無人機(jī)直接通信的情況。本研究設(shè)計(jì)的算法中，無人機(jī)經(jīng)過有效通信區(qū)域的航向長度越長的節(jié)點(diǎn)被選為頭節(jié)點(diǎn)的幾率越大，而無人機(jī)不經(jīng)過有效通信區(qū)域的節(jié)點(diǎn)被選中的幾率為0。

如果有n 個地面節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)獲取到無人機(jī)的航線數(shù)據(jù)后，會根據(jù)自身的經(jīng)緯度計(jì)算無人機(jī)飛過能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行ㄐ艆^(qū)域的航線長度ln，然后計(jì)算Tn。接著每個節(jié)點(diǎn)隨機(jī)生成1 個(0，1)之間的數(shù)，如果該節(jié)點(diǎn)生成的數(shù)小于Tn則為頭節(jié)點(diǎn)，Tn計(jì)算公式如下：

式中，p 是網(wǎng)絡(luò)中所需頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目與總的地面節(jié)點(diǎn)數(shù)目的比值，Pn是p 經(jīng)過有效通信距離作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)后的值，Tn是節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為頭節(jié)點(diǎn)的閾值，ln是無人機(jī)飛過節(jié)點(diǎn)n 的有效通信范圍的航線長度，d 是最大直線通信距離，h 是無人機(jī)飛行高度，r 是當(dāng)前選舉輪數(shù)，G 是在剩余1/p 輪中非頭節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)集。

選出頭節(jié)點(diǎn)后，頭節(jié)點(diǎn)會通過定向擴(kuò)散協(xié)議向整個地面節(jié)點(diǎn)集群發(fā)送當(dāng)選信息和自身坐標(biāo)。如果地面節(jié)點(diǎn)集群內(nèi)本輪出現(xiàn)多個頭節(jié)點(diǎn)，則其余節(jié)點(diǎn)根據(jù)距離選擇最接近自己的頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)。每個節(jié)點(diǎn)會將自身信息和路由沿著從頭節(jié)點(diǎn)定向擴(kuò)散路徑的反方向發(fā)送給頭節(jié)點(diǎn)。頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)反向回饋的節(jié)點(diǎn)信息為每個成員節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的TDMA 時(shí)隙表，錯開各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，避免信息擁堵。頭節(jié)點(diǎn)完成收集所有成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，當(dāng)無人機(jī)飛入頭節(jié)點(diǎn)有效通信范圍內(nèi)時(shí)，頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至無人機(jī)的匯聚節(jié)點(diǎn)。

本步驟是實(shí)現(xiàn)地面節(jié)點(diǎn)配合無人機(jī)航線，而不是常規(guī)的無人機(jī)航線配合地面節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵。通過將航線數(shù)據(jù)融入LEACH 算法，可以在均衡地面節(jié)點(diǎn)集群能量消耗的同時(shí)提升數(shù)據(jù)傳輸效率。

3 仿真試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 仿真設(shè)置

本研究開發(fā)了一套低空遙感-地面?zhèn)鞲须p重采集仿真器，用于仿真雙重采集系統(tǒng)雙重采集任務(wù)的過程數(shù)據(jù)（圖6）?，F(xiàn)有的仿真器大多只是針對無人機(jī)飛行或者常規(guī)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，不能同時(shí)仿真無人機(jī)飛行、低空遙感數(shù)據(jù)采集以及針對立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖Ｒ虼吮狙芯酷槍Φ涂者b感-地面?zhèn)鞲须p重采集的特性，使用C#編寫了雙重采集仿真器進(jìn)行性能仿真試驗(yàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，地面節(jié)點(diǎn)集群中各個節(jié)點(diǎn)的分布受耕地形狀、田間設(shè)施等因素的影響，基于航線的LEACH 算法按不同概率選取頭節(jié)點(diǎn)，兩者都有不確定性。本次模擬試驗(yàn)使用最簡單的隨機(jī)布點(diǎn)法模擬地面節(jié)點(diǎn)的分布，使用蒙特卡洛法進(jìn)行大量模擬，通過上萬次的隨機(jī)布點(diǎn)獲取不同情景下采樣的總飛行時(shí)間。

圖 6 低空遙感-地面?zhèn)鞲须p重采集仿真器Fig. 6 Emulator of low altitude remote sensing-ground sensing double collection

本次仿真試驗(yàn)設(shè)定的監(jiān)測區(qū)域?yàn)?00 m×500 m的正方形區(qū)域，無人機(jī)使用大疆精靈3 Advanced，地面節(jié)點(diǎn)的通信模塊使用CC2530。CC2530 最大通信距離為100 m，通信頻率2.4 GHz，平均傳輸速率3 kB/s。大疆精靈3 Advanced 最大飛行速度為16 m/s，最大飛行時(shí)間23 min，相機(jī)為1/2.3 CMOS傳感器，鏡頭FOV94° 20 mm，相片分辨率4 000×3 000。規(guī)劃航線時(shí)，旁向重疊率設(shè)定為30%，航向重疊率設(shè)定為60%，飛行速度設(shè)定為10 m/s。

3.2 結(jié)果

仿真試驗(yàn)中分別調(diào)整無人機(jī)采集圖像的地面分辨率和監(jiān)測區(qū)域內(nèi)地面節(jié)點(diǎn)數(shù)量，即無人機(jī)飛行高度和地面節(jié)點(diǎn)密度，以此來對比本研究的低空遙感-地面?zhèn)鞲须p重采集系統(tǒng)與UAV-WSN 系統(tǒng)分別采集地面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和低空遙感數(shù)據(jù)的方法在總采樣飛行時(shí)間上的不同。

圖7 為地面圖像分辨率變化時(shí)的時(shí)間曲線。隨著地面圖像分辨率增加，無人機(jī)飛行高度增加，航線密度減小，進(jìn)行低空遙感圖像采集的飛行路程減少，總飛行時(shí)間整體呈下降趨勢。由于雙重采集系統(tǒng)只需1 次飛行就能采集2 種數(shù)據(jù)，因此總飛行時(shí)間更短，比UAV-WSN 系統(tǒng)快約165 s。

圖 7 地面圖像分辨率-總飛行時(shí)間曲線Fig. 7 Curve of ground image resolution - total flying time

圖8 為地面節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化時(shí)的時(shí)間曲線。無人機(jī)的飛行高度與航拍所得地面圖像分辨率成正比，當(dāng)?shù)孛鎴D像分辨率為3 cm/pix 的時(shí)候無人機(jī)飛行高度為69 m，基本可以保證無人機(jī)在耕地上空自動飛行時(shí)不會撞上高壓線塔等建筑。監(jiān)測區(qū)域計(jì)劃部署1 個氣象站采集氣象數(shù)據(jù)、2～6 個三深度土壤含水量節(jié)點(diǎn)采集耕地內(nèi)含水量空間分布、1～2 個圖像節(jié)點(diǎn)和2～5 個葉面積節(jié)點(diǎn)采集作物長勢，區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)從6 個逐漸增加到14 個。雙重采集系統(tǒng)的航線完全按照航空攝影測量的原理進(jìn)行規(guī)劃，總飛行時(shí)間保持在450 s 不變。UAV-WSN 系統(tǒng)總飛行時(shí)間隨著地面節(jié)點(diǎn)密度增加而上升，從579 s 上升至644 s。

圖 8 地面節(jié)點(diǎn)數(shù)量-總飛行時(shí)間曲線Fig. 8 Curve of ground sensor node number-total flying time

4 通信試驗(yàn)與結(jié)果

本研究在增城實(shí)驗(yàn)基地的稻田內(nèi)進(jìn)行了通信試驗(yàn)，測試空中匯聚節(jié)點(diǎn)接收稻田地面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的丟包率。地面節(jié)點(diǎn)部署在接近稻田邊界的地方，無人機(jī)搭載匯聚節(jié)點(diǎn)懸停在不同高度和水平距離的采樣點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。總共設(shè)置17 個采樣點(diǎn)，垂直方向以10 m 為起點(diǎn)，以20 m 為步長逐漸上升至70 m；水平方向以18 m 為起點(diǎn)，以約15 m為步長逐漸移動至60 m。最終設(shè)置1 個水平距離60 m、垂直高度90 m 的最遠(yuǎn)點(diǎn)，此時(shí)地面節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的直線距離為108.17 m。

從表1 的試驗(yàn)結(jié)果可得，不同飛行高度的最大通信距離不小于100 m。17 個采樣點(diǎn)的直線距離為20.59 ～108.17 m，總平均丟包率為1.38%。其中只有4 個采樣點(diǎn)出現(xiàn)少量丟包，其余13 個采樣點(diǎn)接收到所有數(shù)據(jù)包。丟包率最大的是水平距離33 m、垂直高度70 m、直線距離77.39 m 的采樣點(diǎn)，丟包率9.09%，平均信號強(qiáng)度為-75.75 dBm。其余3 個有丟包的采樣點(diǎn)丟包率小于5%，平均信號強(qiáng)度為-75.75 ～-50.45 dBm。直線距離最遠(yuǎn)的采樣點(diǎn)沒有丟包，平均信號強(qiáng)度為-69.35 dBm。

表 1 通信試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data of communication experiment

通信試驗(yàn)驗(yàn)證了無人機(jī)搭載匯聚節(jié)點(diǎn)接收田間地面節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的可行性和通信質(zhì)量。無人機(jī)飛行時(shí)只要與地面節(jié)點(diǎn)的直線距離不大于100 m，基本能夠保證良好的通信質(zhì)量。本研究設(shè)計(jì)的低空遙感-地面?zhèn)鞲须p重采集系統(tǒng)的通信驗(yàn)證可行。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種低空遙感-地面?zhèn)鞲须p重采集方法及系統(tǒng)，1 次采樣飛行就能同時(shí)獲取完整的地面節(jié)點(diǎn)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)和低空遙感圖像數(shù)據(jù)。將原本獨(dú)立的立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無人機(jī)低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)融合成低空遙感-地面?zhèn)鞲须p重采集系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對原有的2 套技術(shù)方案關(guān)鍵步驟和算法進(jìn)行有效的融合與更新，設(shè)計(jì)一套全新的雙重采集工作流程，以及基于航線的LEACH 算法。仿真分析表明雙重采集系統(tǒng)與2 套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行相比，總飛行時(shí)間更短，更適用于地面節(jié)點(diǎn)密度大、監(jiān)測范圍大的情景。立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無人機(jī)低空遙感的集成與融合，不僅縮短了采樣飛行所需的飛行時(shí)間和次數(shù)，也減少了無人機(jī)的電池消耗量、降低了無人機(jī)航線規(guī)劃的難度、減少了工作人員的工作量、提升了現(xiàn)場采樣工作的效率。

本研究從集成的角度出發(fā)，探索了將立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)有效融合的架構(gòu)與方法。集成后的低空遙感-地面?zhèn)鞲邢到y(tǒng)具有與獨(dú)立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同的特性，因此在地面和空中的立體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸和能量優(yōu)化、無人機(jī)飛行速度和航線規(guī)劃等方面還能繼續(xù)進(jìn)行研究，進(jìn)一步提升低空遙感-地面?zhèn)鞲邢到y(tǒng)在工作效率、能量消耗等方面的性能。