基于遙感技術(shù)微小型無人機信息處理的關(guān)鍵技術(shù)探討

摘要：微小型無人機結(jié)合遙感技術(shù)獲取關(guān)鍵信息具備成本低、能力強、成效快、數(shù)據(jù)反饋準等顯著優(yōu)點，因此被廣泛應用在各領(lǐng)域中，成為關(guān)鍵信息采集的重要手段，隨著科技的進步和發(fā)展，微小型無人機融合通訊、遙感等技術(shù)也被作為科研難題進行研究與攻克。本文首先對微小型無人機的技術(shù)發(fā)展等進行概述，然后分析微小型無人機在信息獲取與通訊方面的發(fā)展現(xiàn)狀、最后論述目前微小型無人機在信息處理與解析方面關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，以期推動微小型無人機在更多領(lǐng)域的應用。

關(guān)鍵詞：微小型無人機;遙感信息;關(guān)鍵技術(shù)

近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，遙感、地理信息系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、通信等技術(shù)也獲得長足進步，隨之“微小型無人機+遙感”、“微小型無人機+通信”等技術(shù)的融合也逐漸應用在各領(lǐng)域，因此微小型無人機也成為各領(lǐng)域重要信息獲取的手段，例如微小型無人機的出現(xiàn)填補了航天遙感和地面遙感之間的空白。因此，通過微小型無人機結(jié)合遙感技術(shù)獲取關(guān)鍵信息，具有重要的現(xiàn)實意義和研究價值。

1.微小型無人機技術(shù)概述

微小型無人機目前主要分為兩類：1.固定翼飛機，2.旋翼直升飛機。相比固定翼飛機，旋翼直升飛機不僅具備固定翼飛機的優(yōu)點，而且還具備垂直起降、定點懸停、中慢速巡航等優(yōu)點。因此，在獲取關(guān)鍵信息的運用中，旋翼直升飛機成為人們的首要選擇[1]。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

隨著微小型無人機的關(guān)鍵技術(shù)、科研難題被攻克，微小型無人機逐漸被運用在更多的領(lǐng)域。首先在動力方面，微小型無人機需要搭載遙感設(shè)備，重量的增加會導致無人機動能不足，因此，需要為微小型無人機加裝動力性能更強且自重更輕的發(fā)動機。其次在飛行控制方面，微小型無人機重量較輕，因而會受到諸如大風、降雨等自然天氣的影響，從而導致飛行過程非常不穩(wěn)定，因此，需要在無人機上安裝飛行控制系統(tǒng)解決此類問題，借助飛控系統(tǒng)，操作人員只需在地面站發(fā)出命令，無人機就能接收信息從而保持設(shè)定的航線飛行。最后在通信系統(tǒng)方面，早期微小型無人機是運用微波進行通信，因此通信過程只能保持在操作人員的視距之內(nèi)?，F(xiàn)階段，則是通過增強微小型無人機的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)微小型無人機的跨距飛行。

2.微小型無人機遙感信息關(guān)鍵技術(shù)的獲取與傳輸

2.1遙感信息獲取系統(tǒng)

遙感信息獲取系統(tǒng)主要依托微小型無人機為基礎(chǔ)，然后通過機身搭載的高分辨率遙感傳感器對周圍的環(huán)境進行感知和監(jiān)控，其傳輸過程如圖2所示。

現(xiàn)階段，微小型無人機使用的遙感傳感器種類較多，除較常使用的數(shù)碼相機外，還有多光譜相機、側(cè)視雷達、紅外掃描儀等設(shè)備。由于微小型無人機的負重有限，因此只有數(shù)碼相機和多光譜相機能夠得到廣泛應用。國內(nèi)外，微小型無人機的機型種類以及遙感傳感器設(shè)備選擇較多，因此確保微小型無人機飛行的穩(wěn)定性和安全性為首要任務。唯有確保上述兩點，微小型無人機的遙感信息技術(shù)才能得到有效發(fā)揮[2]。在國外，Saari等為微小型無人機設(shè)計了一種基于假彩色成像儀和高光譜圖像的多光譜圖像系統(tǒng)，其相機的波長被擴充到500至900nm，而且分辨率依然能保持在7至11nm。其中，這套系統(tǒng)最重要的特點在于它的重量僅有400g，非常符合微小型無人機進行搭載。Merino等設(shè)計了一款具備紅外、可見光、火災探測器等多重功能的微小型無人機遙感系統(tǒng)。除上述基礎(chǔ)功能外，在這套系統(tǒng)中還擁有目標定位、圖像處理等功能，能夠幫助微小型無人機通過遙感信息快速、準確獲取關(guān)鍵技術(shù)。Suzuki等開發(fā)出了一款由GPS、慣性傳感器、光譜圖像傳感器組成的遙感系統(tǒng)。這套遙感系統(tǒng)能夠?qū)庾V圖像進行放大，進而清晰捕捉地面的植被指數(shù)。Suzuki曾在日本多地對這套遙感系統(tǒng)進行試驗，試驗結(jié)果表明搭載該系統(tǒng)的微小型無人機，能夠真正應用于地面植被的研究當中。在國內(nèi)，微小型無人機的研究和應用范圍也在不斷擴大。趙鵬等將微小型無人機上常用的CCD相機更改為CMOS圖像傳感器，CMOS圖像傳感器重量約為20g，功耗為2W，其特有的數(shù)據(jù)壓縮和圖像增強功能，不僅能夠減輕微小型無人機的重量負擔，還能有效獲取關(guān)鍵技術(shù)。黃克明等設(shè)計了一種小型實時多源圖像融合系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能夠在可見光、紫外線。紅外線等多種模式中來回切換，從而滿足了多種條件下關(guān)鍵技術(shù)的獲取。

2.2遙感信息獲取與傳輸技術(shù)

對于微小型無人機而言，通過遙感技術(shù)獲取信息后，還要通過數(shù)字或模擬方式進行數(shù)據(jù)實時傳輸。因此遙感信息的獲取與傳輸，將成為研究的重點。在國外，Grasmeyer等通過研究美國的“黑寡婦”微小型無人機的圖像傳輸系統(tǒng)，決定采用調(diào)頻的方式研制出一款發(fā)射器，該發(fā)射器的發(fā)射頻率為2.4GHz，有效傳輸距離為1.5km，重量僅有1.4g，根據(jù)試驗最終傳輸回來的圖像清晰度顯示，這種發(fā)射器能夠傳輸清晰的照片。Kinkaid等為微小型無人機遙感信息傳輸技術(shù)，提供了一種圖像無線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)的攝像頭重量為3.3g，發(fā)射器重量為1.6g，發(fā)射頻率2.4GHz，功耗50MW，這套系統(tǒng)的作用是當微小型無人機飛行不穩(wěn)定時，能夠保證圖像傳輸?shù)姆€(wěn)定性。在國內(nèi)，魯恒等設(shè)計出了一種基于微小型無人機的空中控制子系統(tǒng)，當微小型無人機飛行時，空中控制子系統(tǒng)能夠?qū)o人機的航向、相機等進行預設(shè)，進而確保關(guān)鍵技術(shù)在傳輸過程中得到保存。高珍等提出用5/3提升小波改良圖像壓縮技術(shù)，以解決圖像傳輸過程中的不穩(wěn)定性。辛哲奎等設(shè)計出了一套基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理論的跟蹤控制算法，借助這套算法，每當微小型無人機在飛行過程時，其系統(tǒng)中搭載的算法將根據(jù)無人機的飛行姿態(tài)調(diào)整攝像頭的方位，從而使關(guān)鍵數(shù)據(jù)始終保持在攝像頭范圍內(nèi)。馮震等基于Visaul C++6.0開發(fā)出了一款微小型無人機地面控制系統(tǒng)，基于此系統(tǒng)，操作者借助地面控制系統(tǒng)，能夠執(zhí)行調(diào)整微小型無人機的飛行軌跡、飛行方向、接收航拍圖像等功能，借此克服了無人機的飛行視距。當前階段，無論是國外還是國內(nèi)的研究，都主要以遙感信息裝置、系統(tǒng)的設(shè)計為主，這種情況極大限制了遙感信息技術(shù)的發(fā)展。而且，隨著無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，對于微小型無人機遙感信息技術(shù)提出新的要求。

3.微小型無人機遙感信息關(guān)鍵技術(shù)的處理與解析

3.1遙感信息預處理技術(shù)

微小型無人機的作用是可以進入人類難以到達的地域，收集和探索信息，因此綜合權(quán)衡負載和靈巧性方面，需要犧牲部分無人機的負載能力，提升其安全性和靈巧型，因此部分精度較高的圖像拍攝等系統(tǒng)將難以搭載，這也為遙感圖像匹配與拼接，以及遙感圖像的校正帶來困難，遙感數(shù)據(jù)獲取原理如圖3所示。

在遙感圖像的匹配與拼接方面，由于當下的微小型無人機在圖像精度以及覆蓋范圍極其有限，因此需要采取匹配和拼接的方法加以完善。陳信華通過將SIFT影響匹配算法應用于遙感信息的影像定向中，并借助最小二乘法使影像能夠自動匹配傳輸圖像，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)證明，這種方法不僅穩(wěn)定，而且能夠快速對關(guān)鍵技術(shù)進行傳輸。王玉宏等借助圖像匹配以及全景圖拼接的方式，對Nikon D2X、Rollei P45、Kodak Pro SLR三款數(shù)碼相機的低空遙感影像進行預處理，進而得出這種方法能夠很好地對圖像進行拼接。宮阿都等借助SIFT、最小二乘法等方法，使微小型無人機中的地面控制點能夠和影像實現(xiàn)快速拼接。王斌則基于局部灰度匹配，為微小型無人機設(shè)計了一種拼接算法，這種算法主要以微小型無人機傳輸回來的飛行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對所儲存和拍攝的圖像進行預處理，進而縮小關(guān)鍵技術(shù)的獲取范圍，通過這種算法，不僅能夠降低圖像的處理量，還能使每一張照片和微小型無人機飛過該地域的時間基本保持一致，由此實現(xiàn)了無人機的實時圖像拍攝和處理功能[3]。而在遙感圖像的校正方面，由于微小型無人機的飛行軌跡時常飄忽不定，進而導致所傳輸?shù)膱D像也無規(guī)律可循，并存在嚴重的幾何畸變。

基于此，為了有效改善上述問題，可以通過共線方程法和多項式法。其中，共線方程法對于地形精度要求較大，難以在地形復雜的地域使用。而多項式法主要用于動態(tài)傳感器的影像校正，能夠很好地處理攝像頭的幾何畸變，因此多項式法較常運用于遙感圖像的校正中。徐豪等認為，在為遙感圖像進行校正時，應該采用差分GPS獲取地面控制坐標點，然后將所得坐標點輸入GIS中形成點狀遙感圖像，最后再采用多項式法分析遙感圖像的點、線、面，從而獲得校正之后的圖像，根據(jù)試驗結(jié)果表明，經(jīng)過點、線、面三次糾正后，所得平均精度分別為92.43%、93.18%以及96.75%，由此可見，此方式能夠較為精準地對關(guān)鍵技術(shù)進行獲取。李炎根據(jù)微小型無人機的飛行高度、方位角、GPS參數(shù)等數(shù)據(jù)，設(shè)計出了一套不需要基于地面控制坐標點的圖像校正模型，該模型通過Matlab軟件的測算，確定其符合微小型無人機遙感信息的實時處理要求。

3.2遙感信息解析技術(shù)

遙感信息解析主要由信息識別、特征值提取、相關(guān)性分析、反演建模等幾個方面組成，同時遙感信息解析也是實現(xiàn)關(guān)鍵信息獲取的重要環(huán)節(jié)。當前階段，用于遙感信息解析的軟件包括MultiSpec、IDRISI、PCI、SUPERMAP等，我國也有許多基于遙感信息解析的相關(guān)研究[4]。朱航通過使用ERDAS軟件，并結(jié)合最小二乘法提取了遙感多光譜的特征波段，同時朱航還將縱向疊加線性融合法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性融合法相結(jié)合，建立了相關(guān)的遙感信息模型。張園通過使用ArcMap軟件，對微小型無人機的遙感功能模塊進行編輯，從而準確得到關(guān)鍵技術(shù)。張銀輝基于SAM設(shè)計出了一種人工交互修正法，通過修正法，能夠快速提取微小型無人機遙感圖像中的信息特征值，并在信息提取后，修正法中預先設(shè)置的比較法能對關(guān)鍵技術(shù)展開檢測和分析。王斌基于均值轉(zhuǎn)移，設(shè)計了一種能夠自動對目標區(qū)域進行提取的算法，該算法能夠?qū)Ω鞣N復雜地形實現(xiàn)快速勘定，然后對邊界信息進行提取。根據(jù)試驗結(jié)果證明，該算法具有較強的準確性。

綜上所述，針對微小型無人機遙感信息解析的研究，研究者能夠借助軟件，對遙感信息解析進行算法編程或則模型搭建，從而使關(guān)鍵信息的獲取更具全面性、準確性。

結(jié)語

通過上述研究可知，隨著科技的發(fā)展，微小型無人機在各個領(lǐng)域得到廣泛應用。微小型無人機借助遙感信息技術(shù)，能夠為人們獲取關(guān)鍵信息提供保障。基于此，為了進一步提升微小型無人機通過遙感技術(shù)獲取關(guān)鍵信息的能力，需要政府、社會、相關(guān)學者通力合作，推動微小型無人機獲得可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1]張建學.微小型無人機遙感系統(tǒng)設(shè)計研究[J].信息與電腦（理論版），2019（04）：82-83.

[2]劉倩，梁志海，范慧芳.淺談無人機遙感的發(fā)展及其行業(yè)應用[J].測繪與空間地理信息，2016，39（06）：167-169.

[3]任航.基于微小型無人機的遙感信息獲取關(guān)鍵技術(shù)研究[J].北京測繪，2016（06）：53-55.

[4]呂國策.基于微小型無人機的遙感信息獲取關(guān)鍵技術(shù)探討[J].南方農(nóng)機，2018，49（20）：107+126.

作者簡介：劉林影（1974年11月），性別：女，民族：漢，湖南常德人，學歷：本科，職稱：副教授，單位：惠州城市職業(yè)學院，單位郵編：516000，研究方向：電子信息、無人機技術(shù)、智能制造。