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无人机遥感系统数据的获取和处理技术分析

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：郑建忠

[导读] 摘要：阐述了无人机遥感兴起的背景。从无人飞行平台、飞行姿态控制与导航、数据传输与存储、数据处理、传感器技术、空域使用政策等方面探讨了发展无人机遥感系统的基础、问题、研究进展和趋势。

        新疆宝地测绘有限责任公司新疆乌鲁木齐市 830017
        摘要：阐述了无人机遥感兴起的背景。从无人飞行平台、飞行姿态控制与导航、数据传输与存储、数据处理、传感器技术、空域使用政策等方面探讨了发展无人机遥感系统的基础、问题、研究进展和趋势。通过描述无人机遥感系统在大量相关行业领域的应用与实践，点出了发展无人机遥感系统的必要性与意义所在。最后，从科技、政策等方面给出了发展无人机遥感技术和产业的建议。
        关键词：无人机；无人机遥感；无人机遥感系统
        引言
        无人机遥感（ＵＡＶｒｅｍｏｔｅｓｅｎｓｉｎｇ，ＵＡ－ＶＲＳ）是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、ＰＯＳ定位定姿技术、ＧＰＳ差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专业化快速获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并进行实时处理、建模和分析的先进新兴航空遥感技术解决方案。
        一、微小型无人机的遥感信息获取与传输
        （一）遥感信息获取系统研究
        微小型无人机遥感信息获取系统是以微小型无人驾驶飞行器为飞行平台，通过机载高分辨率的遥感传感器设备以实时快速获取高分辨率遥感数据的遥感监测系统。主要由无人驾驶系统平台、飞行控制系统、遥感传感器及其控制系统、三轴稳定平台、通讯设备、无线遥控系统、地面站系统、数据处理系统等部分组成。现有的用于遥感信息获取的传感器种类较多，如数码相机、多光谱和高光谱相机、多光谱扫描仪、红外扫描仪、侧视雷达等。由于微小型无人机的载荷量有限，目前应用于微小型无人机遥感信息获取平台的传感器主要以数码相机和轻型的多光谱相机为主。基于无人机类型和遥感传感器种类的多样化选择，国内外研制的遥感信息获取系统也呈现出多款多用途的形式。飞行的稳定性和安全性技术是保证遥感信息成功获取的前提和基础。影响无人机遥感系统安全性的关键因素是微小型无人机的载荷和遥感传感器的质量。Saari等设计了搭载高分辨率的假彩色成像仪和基于高光谱图像的珀罗干涉仪的无人机多光谱图像系统，相机的波长范围为500～900nm，分辨率为7～11nm，包括电池在内，质量小于400g。Merino等开发了一种可搭载红外、可见光及火灾探测器等多个传感器的无人机低空遥感系统，系统集成了图像分割序列、图像稳定及坐标定位等多用途的图像处理功能，能够实时探测目标[27]。XiangHaitao等设计的无人机遥感系统质量小于14kg，采用传感器融合技术和基于无人机导航系统的卡尔曼滤波器，开发了一种地面控制系统以用于连接无人机和无线遥控器，进行任务规划、执行飞行命令和实时遥感图像监测，实现了图像数据的实时传输；并采用该无人机遥感系统对施用草甘膦试验田进行了测试，获取了高分辨率的遥感图像，实现了无人机遥感系统在作物生长监测方面的应用[4]。
        （二）遥感信息获取和传输技术
        遥感图像的获取与无线传输系统应具有数字化、轻型化、微型化、快速化、节能化和多功能化等特点，通过模拟或数字的传输方式，将机载遥感设备拍摄的图像信息传回地面控制系统是实现图像信息的获取与无线传输的关键。如何实时快速准确地调整机载遥感传感器的姿态使被测目标始终处于监测视野中，实现远距离控制、图像信息获取和传输，是无人机遥感信息获取技术的研究重点之一。Grasmeyer等研究的基于BlackWidow无人机的图像传输系统采用调频体制，发射频率2.4GHz，视频发射器质量1.4g，有效传输距离1.5km，获取的黑白图像清晰可辨。

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德国柏林工业大学研发的油动力无人直升机MARVIN（multi-purposeaerialrobotvehiclewithintelligentnavigation）配有CanonS45数码相机、机载计算机和图像无线传输系统，计算机通过串口从相机获取数字图像，并通过无线链路传输到地面接收器。美国南加利福尼亚大学研制成功配有图像无线传输系统的AVATAR（autonomousvehicleaerialtrackingandretrieval），系统配置3个摄像头（1个MicroPixC-1024摄像头位于中间，2个iBOTWebcams摄像头横向安装）进行图像采集和视觉导航，通过微波视频传输单元传输图像。美国桑德斯公司的“MicroStar”飞行器配置质量6g的无线电通信链路信息传送系统，能够及时将获取的图像信息传输到地面控制站，最大有效传输范围5km。Kinkaid提出了一种新型的图像无线传输系统，系统搭载的摄像头质量3.3g，视频发射器质量1.6g，发射频率2.4GHz，功耗50MW，利用地面站控制系统控制解决了由于微型无人机飞行不稳定导致拍摄的图像信号不稳定的问题。国内学者对微小型无人机遥感信息获取的稳定性和图像传输技术进行了大量研究，并取得了一定的成就。鲁恒等将规划好的航线载入到遥感空中控制子系统中，无人机飞行时，遥感空中控制子系统按照预设的航线和拍摄方式控制相机进行拍摄并存储数据。高珍等针对微小型无人机图像模拟传输的不足及图像实时、可靠的传输要求，提出了一套采用基于5/3提升小波的改进集合分裂嵌入块（SPECK，setpartitionembeddedblockcoder）图像压缩算法、基于Turbo码的信道纠错编码及扩频技术的数字图像无线传输系统方案。辛哲奎等提出了一种基于        李雅普诺夫稳定性理论的机载云台自适应跟踪控制算法，设计了摄像机姿态控制器，即通过图像信息和机载传感器得到的无人机状态进行反馈，实现对云台摄像机姿态的控制，最终达到无人机在跟踪目标飞行过程中，地面目标可以始终保持在摄像机的图像中心。冯震等设计了一套基于VisaulC++6.0开发环境开发的面向旋翼式微小型无人机的地面控制站系统，能够进行航迹设定和任务规划、存储和回放飞机航行记录、接收航拍图像，并通过无人机虚拟模型和视频图像进行融合处理，实时显示飞机飞行姿态、位置及运行状态，从而克服了遥控视距的局限性，实现了旋翼式微小型无人机的超视距遥控。陈贻国等设计了一种以ARM单片机为核心，采用无线通信方式将串口采集的数据发送到利用VisualBasic编程软件开发的具有航迹记录与预测、手动控制飞行、飞行状态监控和视频图像显示等功能的地面基站平台，传输速度较快，能够满足无人机航拍系统的要求。李登亮等基于PC机和图像处理与传输技术构建了一个完整的无人机有效载荷图像仿真平台。胡开全等研究了基于固定翼无人机低空遥感系统的航摄设计、航空摄影实施等方法与技术｡
        结语：
        无人机、微型计算机、通讯技术的迅速发展，多光谱和高光谱设备的快速普及和数字摄影测量技术的日趋成熟，使得微小型无人机遥感信息获取与传输成为可能，并迅速发展应用。
        参考文献：
        [1]李德仁，李明.无人机遥感系统的研究进展与应用前景[J].武汉大学学报（信息科学版），2014，39（05）：505-513+540.
        [2]汪沛，罗锡文，周志艳，臧英，胡炼.基于微小型无人机的遥感信息获取关键技术综述[J].农业工程学报，2014，30（18）：1-12.
        [3]孙中宇，陈燕乔，杨龙，唐光良，袁少雄，林志文.轻小型无人机低空遥感及其在生态学中的应用进展[J].应用生态学报，2017，28（02）：528-536.
        [4]牛亚晓，张立元，韩文霆，邵国敏.基于无人机遥感与植被指数的冬小麦覆盖度提取方法[J].农业机械学报，2018，49（04）：212-221.