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无人机遥感技术

来源:机器人网 | 作者:王俊 | 发表日期:2015-07-06
简介:无人机遥感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing ), 既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、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术,具有自动化、智能化、专用化快速获取国土、资源、环境等空间遥感信息,完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术。无人机遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势,已经成为世界各国争相研究的热点课题,现已逐步从研究开发发展到实际应用阶段,成为未来的主要航空遥感技术之一。

无人机遥感(Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing ), 既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、通讯技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术,具有自动化、智能化、专用化快速获取国土、资源、环境等空间遥感信息,完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术。无人机遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势,已经成为世界各国争相研究的热点课题,现已逐步从研究开发发展到实际应用阶段,成为未来的主要航空遥感技术之一。

无人机是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人机结构简单、使用成本低,不但能完成有人驾驶飞机执行的任务,更适用于有人飞机不宜执行的任务,如危险区域的地质灾害调查、空中救援指挥和环境遥感监测。[1]

无人机为空中遥感平台的微型遥感技术,其特点是:以无人机为空中平台,遥感传感器获取信息,用计算机对图像信息进行处理,并按照一定精度要求制作成图像。

按照系统组成和飞行特点,无人机可分为固定翼型无人机、无人驾驶直升机两大类种类。

固定翼型无人机通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行,遥控飞行和程控飞行均容易实现,抗风能力也比较强,类型较多,能同时搭载多种遥感传感器。起飞方式有滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等;降落方式有滑行、伞降和撞网等。固定翼型无人机的起降需要比较空旷的场地,比较适合矿山资源监测、林业和草场监测、海洋环境监测、污染源及扩散态势监测、土地利用监测以及水利、电力等领域的应用。

无人驾驶直升机的技术优势是能够定点起飞、降落,对起降场地的条件要求不高,其飞行也是通过无线电遥控或通过机载计算机实现程控。但无人驾驶直升机的结构相对来说比较复杂,操控难度也较大,所以种类有限,主要应用于突发事件的调查,如单体滑坡勘查、火山环境的监测等领域。

遥感传感器是根据不同类型的遥感任务,使用相应的机载遥感设备,如高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、多光谱成像仪、红外扫描仪,激光扫描仪、磁测仪、合成孔径雷达等。使用的遥感传感器应具备数字化、体积小、重量轻、精度高、存储量大、性能优异等特点。

无人机遥感系统多使用小型数字相机(或扫描仪)作为机载遥感设备,与传统的航片相比,存在像幅较小、影像数量多等问题,针对其遥感影像的特点以及相机定标参数、拍摄(或扫描)时的姿态数据和有关几何模型对图像进行几何和辐射校正,开发出相应的软件进行交互式的处理。同时还有影像自动识别和快速拼接软件,实现影像质量、飞行质量的快速检查和数据的快速处理,以满足整套系统实时、快速的技术要求。进一步的建摸、分析使用相应的遥感图像处理软件[3]

无人机国内测绘无人机 航测无人机 遥感无人机 航拍无人机

上图测绘无人机机型由航模运动员田沧溟设计研发,历时一年在原有设计和军用靶机的基础上,结合无人机航测的特点加以完善改进而来。在全国多省份地区和无人机遥感,航测无人机,无人机测绘航拍,灾害预防无人机,海洋监测无人机[3],森林防火无人机等方面得到引进和应用。

其主要特点包括:机体重量轻,结构强度高,使用和采购成本低,维护方便及硬件方面兼容性高。该测绘用无人机采用航空级木料制作,与其他材料相比减轻了飞机的自身重量。,提升载荷能力与续航时间。木质测绘用无人机的可维护性好,飞机的各部分构件均为独立加工,使用高强度的碳纤维复合材料作为受力连接,如果机体某一部分受损,可进行局部更换,便于维护。减少了企业对飞机整机采购的成本。

无人机出现在1917年,早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机,应用范围主要是在军事上,后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来,随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型

传感器的不断面世,无人机的性能不断提高,应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人机的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时,任务载荷从几公斤到几百公斤,这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障,也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。

传感器由早期的胶片相机向大面阵数字化发展,2011年国内制造的数字航空测量相机拥有8000多万像素,能够同时拍摄彩色、红外、全色的高精度航片;中国测绘科学研究院使用多台哈苏相机组合照相,利用开发的软件再进行拼接,有效地提高了遥感飞行效率;德国禄来公司推出的2200万像素专业相机,配备了自动保持水平和改正旋偏的相机云台,开发了相应的成图软件。另外激光三维扫描仪、红外扫描仪等小型高精度遥感器为无人机遥感的应用提供了发展的余地。[1]​

无人机遥感技术可快速对地质环境信息和过时的 GIS 数据库进行更新、修正、和升级 。为政府和相关部门的行政管理、土地、地质环境治理,提供及时的技术保证。

随着我国改革开放的逐步深入,经济建设迅猛发展,各地区的地貌发生巨大变迁。现有的航空遥感技术手段已无法适应经济发展的需要。新的遥感技术为日益发展的经济建设和文化事业服务。以无人驾驶飞机为空中遥感平台的技术,正是适应这一需要而发展起来的一项新型应用性技术,能够较好地满足现阶段我国对航空遥感业务的需求,对陈旧的地理资料进行更新。

随着我国经济和文化建设的发展,不少古建筑、考古现场等发现、田野考古探索、城乡的地貌发生巨大变化。一些版图反映不出新的面貌。

使用资料较为陈旧。常规的成图周期,已不能满足需要。我们利用无人机遥感航拍技术更新的地理资料对地区的经济建设起到了积极的促进作用。

地区新发现的古迹、新建的街道、大桥、机场、车站以及土地、资源利用情况的综合信息。无人机遥感航拍技术是各种先进手段优化组合的新型应用技术。

无人机遥感航空技术以低速无人驾驶飞机为空中遥感平台,用彩色、黑白、红外、摄像技术拍摄空中影像数据;并用计算机对图像信息加工处理。全系统在设计和最优化组合方面具有突出的特点,是集成了遥感、遥控、遥测技术与计算机技术的新型应用技术。[2]​

① 台湾大学理学院空间信息研究中心利用无人机拍摄低空大比例尺图像,配合FORMOSAT2分类进行异常提取,解译桃园县非法废弃堆积物(固体垃圾等),用于环境污染和执法调查。

② 美国Nicolas Lewyckyj等人利用UAV-RS技术在北卡罗莱纳洲进行自然灾害调查,通过正射影像处理与分析准确评估场房和村庄的损失。显示了无人机遥感技术具有的快速反映能力,为灾害的治理提供了及时、准确的数据。

③日本减灾组织使用RPH1和YANMAHA 无人机携带高精度数码摄像机和雷达扫描仪对正在喷发的火山进行调查,无人机能抵达人们难以进入的地区快速获取现场实况,对灾情进行评估。不同埋藏深度的辐射源的辐射强度的反映能力进行量化研究。为核电站及其它核设施的管理提供基础数据。[1]​

④我国首个成立的Quickeye(快眼)应急空间信息服务中心,是我过无人机应急遥感应用的开创尝试和遥感应用典范。其基于的无人机平台即为例图所示Quickeye(快眼)系列无人机,在不到两年的时间内,该机型已成功作业近10万平方公里,广泛应用于1:1000,1:2000成图,及测绘、应急领域。

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