第3章-無人機遙感任務(wù)設(shè)備

無人機遙感測繪技術(shù)及應(yīng)用

第3章無人機遙感任務(wù)設(shè)備3.1無人機遙感任務(wù)設(shè)備類型無人機遙感的功能載荷的種類較多，可分為被動式遙感任務(wù)設(shè)備、主動式遙感任務(wù)設(shè)備和航空遙感通用輔助任務(wù)設(shè)備。紅外數(shù)字圖像采集器（紅外相機），設(shè)計用來取景，存儲和記錄通過紅外光源發(fā)出的光線，例如砷化鎵、紅外發(fā)光二極管功能的相機，同時它也應(yīng)用于紅外顯微或紅外發(fā)光、記錄檢驗、分辨性能、自補償?shù)确秶?。多光譜成像技術(shù)是基于非常多窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，它將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合，探測目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜信息，獲取高光譜分辨率的連續(xù)、窄波段的圖像數(shù)據(jù)。機載激光雷達，是激光探測及測距系統(tǒng)合成孔徑雷達(SAR)是一種高分辨率成像雷達，可以在能見度極低的氣象條件下得到類似光學(xué)照相的高分辨雷達圖像。利用雷達與目標(biāo)的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑用數(shù)據(jù)處理的方法合成一較大的等效天線孔徑的雷達。3.2航空定位定向系統(tǒng)（POS）定位定向系統(tǒng)（PositioningandOrientationSystem，POS）集DGPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）為一體。POS系統(tǒng)主要包括GPS接收機和慣性測量單元IMU（InertialMeasurementUnit）兩個部分，所以也稱為GPS/IMU集成系統(tǒng)。DGPS：差分全球定位系統(tǒng)，在GPS的基礎(chǔ)上利用差分技術(shù)使用戶能夠從GPS系統(tǒng)中獲得更高的精度。實際上是把一臺GPS接收機放在位置已精確測定的點上，組成基準(zhǔn)臺?；鶞?zhǔn)臺接收機通過接收GPS衛(wèi)星信號，測得并計算出到衛(wèi)星的偽距，將偽距和已知的精確距離相比較，求得該點在GPS系統(tǒng)中的偽距測量誤差，再將這些誤差作為修正值以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式通過播發(fā)臺向周圍空間播發(fā)。附近的DGPS用戶接收到來自基準(zhǔn)臺的誤差修正信息，以此來修正自身的GPS測量值，從而大大提高其定位精度。3.2.1POS系統(tǒng)組成POS主要硬件部分包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、DGPS與POS系統(tǒng)計算機系統(tǒng)，POS還包含一套事后處理軟件用于融合數(shù)據(jù)事后處理，其組成示意圖如圖3-1。3.2.2POS系統(tǒng)工作原理慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS是由慣性測量單元IMU和控制系統(tǒng)組成，IMU又包括3個加速度計、3個自由度陀螺儀以及必要的數(shù)字電路和圖形處理器，利用3個加速度計測量載體在三軸方向上的平移加速度、一次積分獲取載體的瞬間速度，同時，陀螺儀可以記錄三軸在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的姿態(tài)角，并給出載體航向，以此實現(xiàn)對載體的導(dǎo)航工作。3.2.2POS系統(tǒng)工作原理ＧＰＳ是目前應(yīng)用最為廣泛的定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為用戶提供實時的空間坐標(biāo)信息、速度信息和精確授時。差分全球定位系統(tǒng)ＤＧＰＳ技術(shù)是在已知點位上安裝設(shè)置ＧＰＳ基準(zhǔn)站，對目標(biāo)點位置接收機進行同步觀測，基于基準(zhǔn)站空間坐標(biāo)信息和改正參數(shù)，對目標(biāo)點數(shù)據(jù)進行求差改正，并綜合全部觀測數(shù)據(jù)進行平差計算，獲取精確的三維坐標(biāo)。3.2.2POS系統(tǒng)工作原理ＩＭＵ可以實現(xiàn)導(dǎo)航的完全自主化，降低了外界信息的依賴性，可以提供較高精度的導(dǎo)航、速度和航向等信息，但采用ＩＭＵ的系統(tǒng)的導(dǎo)航精度完全取決于自身系統(tǒng)的精確性，這樣就造成定位誤差的時間積累。ＤＧＰS技術(shù)定位精度高，可以全天候進行連續(xù)定位，誤差不隨工作時長而積累，但采用ＤＧＰＳ技術(shù)的系統(tǒng)為非自主系統(tǒng)，不能實時提供姿態(tài)參數(shù)等，在運動過程中不易跟蹤和捕獲衛(wèi)星信號，會造成定位精度的下降，因此采用基于卡爾曼濾波的方式將二者進行組合，形成互補，通過信息傳遞、數(shù)據(jù)融合和最優(yōu)化求解，就可以獲得運動過程中高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)。為什么使用POS系統(tǒng)？3.2.3商用POS系統(tǒng)目前商用的ＰＯＳ系統(tǒng)主要有兩種：一種是加拿大Ａｐｐｌａｎｉｘ公司的ＰＯＳＡＶ系統(tǒng)；另一種是德國ＩＧＩ公司開發(fā)的ＡＥＲＯｃｏｔｒｏｌ系統(tǒng)。3.2.4POS系統(tǒng)后處理（１）ＰＯＳＧＰＳ：用于求解機載ＧＰＳ相位中心的三維空間坐標(biāo)。將地面基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù)與機載接收機的觀測數(shù)據(jù)同時進行處理，利用載波相位差分定位技術(shù)提高ＧＰＳ的定位精度。（２）ＰＯＳＰｒｏｃ：利用ＩＭＵ的姿態(tài)觀測數(shù)據(jù)、ＰＯＳＧＰＳ模塊輸出的機載定位結(jié)果及其他相關(guān)參數(shù)，采用Ａｐｐｌａｎｉｘ公司的專利算法，消除不同類型數(shù)據(jù)之間的不相容性，最終計算并輸出傳感器透鏡中心的三維空間位置、ＩＭＵ姿態(tài)角信息和速度等導(dǎo)航信息。（３）ＰＯＳＣａｌ：利用ＰＯＳＰｒｏｃ模塊的輸出結(jié)果、外部輸入的影像像點坐標(biāo)和地面控制點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計算航攝相機的檢校參數(shù)和ＰＯＳ系統(tǒng)的視準(zhǔn)軸誤差檢校參數(shù)。（４）ＰＯＳＥＯ：根據(jù)ＰＯＳＰｒｏｃ模塊的輸出結(jié)果和用戶選定的坐標(biāo)系統(tǒng)，輸出攝影測量計算時所需要的每幅影像的六個外方位元素。

可實現(xiàn)：3.3可見光相機系統(tǒng)無人機遙感傳感器：70%光學(xué)數(shù)碼相機：單反微單卡片數(shù)碼相機3.3可見光相機系統(tǒng)3.3.1可見光相機發(fā)展現(xiàn)狀

在直接用于無人機遙感的普通民用數(shù)碼相機研制方面，我國與日本、美國等發(fā)達國家有一定的差距。目前國內(nèi)在實際無人機遙感作業(yè)中使用的民用數(shù)碼相機以國外品牌為主，佳能、尼康和索尼三大主流相機廠商屬于絕對壟斷地位。3.3.2框幅式相機攝影測量基本原理框幅式傳感器的測繪原理為小孔成像原理，在某一個攝影瞬間獲得一張完整的像片。一張像片上的所有像點共用一個攝影中心和同一個像片面，亦即共用一組外方位元素。因此，像點和物點之間可以用航測像片的共線方程來描述。3.3.2框幅式相機攝影測量基本原理一張像片可以得到物點對應(yīng)的像點坐標(biāo)，并由此可以列出兩個共線方程，而未知的地面點坐標(biāo)有三個未知數(shù)，因此無法從單張像片求解地面坐標(biāo)。常用的方法是利用相鄰攝站上拍攝的像片，采用空間前方交會（計算機視覺稱三角交會）的方法來計算地面坐標(biāo)。3.3.3框幅式相機攝影指標(biāo)參數(shù)框幅式相機攝影主要指標(biāo)參數(shù)包括：像場角、攝影比例尺、地面采樣距離、影像重疊度和基高比等，其中攝影比例尺和地面采樣距離表示的是同一項指標(biāo)參數(shù)，框幅式膠片相機航空攝影采用攝影比例尺，框幅式數(shù)碼相機航空攝影采用地面采樣距離。3.3.3框幅式相機攝影指標(biāo)參數(shù)（１）像場角以可視范圍直徑確定的像場角，稱為全像場角；以成像面長度方向可拍攝范圍確定的像場角，稱為長度方向像場角。3.3.3框幅式相機攝影指標(biāo)參數(shù)（２）攝影比例尺航空影像的比例尺指影像上的一個單位距離與其所代表的實際地面距離的比值。對于平坦地面拍攝的垂直攝影影像，影像比例尺S為相機主距f和攝站相對航高H的比值，即3.3.3框幅式相機攝影指標(biāo)參數(shù)（３）地面采樣距離數(shù)字影像的地面采樣距離指影像上單個像素所對應(yīng)的地面實際距離。若相機物理成像面上的像素尺寸為s，由影像比例尺關(guān)系式可知，平坦地面的垂直攝影影像上地面采樣距離的計算公式為S為影像比例尺，H為無人機相對航高，f為相機主距3.3.3框幅式相機攝影指標(biāo)參數(shù)（４）影像重疊度一般情況下，連續(xù)拍攝的航空影像應(yīng)該具有一定程度的重疊度，分為航向重疊度和旁向重疊度。要完成對于攝影區(qū)域的完整覆蓋，航空攝影影像除了要有一定的航向重疊外，相鄰航線的影像間也要求具有一定的重疊，以滿足航線間接邊的需要，稱為旁向重疊。3.3.3典型無人機可見光相機系統(tǒng)質(zhì)量輕體積小要求：3.3.3典型無人機可見光相機系統(tǒng)一、中畫幅數(shù)碼相機(1)飛思相機PhaseOneiXU180像素：8000萬分辨率：10328x7760ISO：35-800快門速度：1/1600s3.3.3典型無人機可見光相機系統(tǒng)一、中畫幅數(shù)碼相機(2)哈蘇相機HasselbladH6D3.3.3典型無人機可見光相機系統(tǒng)一、中畫幅數(shù)碼相機(3)徠卡相機像素：3750萬傳感器尺寸：30×45mmISO：100-6400快門速度：1/1600s3.3.3典型無人機可見光相機系統(tǒng)二、全畫幅數(shù)碼相機（1）尼康全畫幅相機（2）佳能全畫幅相機（3）索尼全畫幅相機3.2.4應(yīng)用無人機光學(xué)載荷已經(jīng)在各個應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，被成功應(yīng)用于搶險救災(zāi)，設(shè)備巡檢、環(huán)境保護、國情監(jiān)測等方面。1、地震救災(zāi)2、電力巡線3、生態(tài)與環(huán)境保護4、地形圖測繪3.4傾斜攝影相機系統(tǒng)

3.4.1傾斜攝影相機類型無人機傾斜攝影相機根據(jù)不同分類標(biāo)準(zhǔn)可分為不同類型。（1）按配置相機數(shù)量分類，可分為五鏡頭傾斜相機、三鏡頭傾斜相機和兩鏡頭傾斜相機。（2）按照配置相機類型分類，可分為中畫幅傾斜相機、全畫幅傾斜相機、APS畫幅傾斜相機和小畫幅傾斜相機。（3）按搭載飛行平臺類型分類，可分為固定翼平臺傾斜相機、旋翼平臺傾斜相機和通用平臺傾斜相機。3.4.2常見傾斜攝影相機

（1）大型傾斜攝影相機系統(tǒng)1）MicrosoftVexcel：UltraCamOpesys2）IGI：QuattroDigiCAMOblique3）Leica：RCD30Oblique4）Trimble：AOS5）Track’Air：Midas6）四維遠見：SWDC-57）上海航遙：AMC5803.5紅外相機系統(tǒng)3.5紅外相機系統(tǒng)后來，科學(xué)家們根據(jù)紅外線的波長又進行了分類：近紅外：0.76-3um中紅外：3-5um遠紅外：6-15um極遠紅外：15-1000um3.5紅外相機系統(tǒng)3.5紅外相機系統(tǒng)3.5.1紅外相機發(fā)展現(xiàn)狀紅外光學(xué)最初又被叫做軍事光學(xué)，首先被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，20世紀(jì)70年代以后才被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和交通領(lǐng)域等。隨著科技的進步，各種結(jié)構(gòu)新穎且性能優(yōu)良的紅外探測器不斷相繼問世，器件性能也在逐步提高，如更高的靈敏度，更高的工作溫度，更低的噪聲，更寬的波長覆蓋范圍等，這些優(yōu)點將使紅外技術(shù)在未來得到更加廣泛和深入的應(yīng)用。3.5.2紅外相機成像原理紅外成像就是通過一個特定的裝置將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見的溫度分布圖像，這圖像可反映物體表面的熱力分布，故也稱為“熱像圖”，這種裝置稱為紅外熱成像儀。3.5.2紅外相機成像原理從目標(biāo)和背景發(fā)出的紅外輻射，在大氣中傳輸并受到衰減后，由紅外光學(xué)系統(tǒng)接收并形成目標(biāo)像，紅外探測器將目標(biāo)像通過光電轉(zhuǎn)換形成電信號，電信號經(jīng)過放大、濾波、校正等一系列處理后得到目標(biāo)的各種信息。與可見光、X光等波段相比，目標(biāo)在紅外波段具有其特有的吸收或反射特性，從中可以獲得更加豐富的信息。簡單講，紅外熱成像儀就是一臺紅外相機。一般由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、信號處理器、軟件系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)五部分組成。3.5.2紅外相機成像原理紅外相機成像原理圖3-24紅外相機成像原理3.5.2紅外相機成像原理3.5.3紅外相機分類紅外載荷產(chǎn)品根據(jù)探測波段（長波、中波、短波）、成像方式（凝視型、推掃型、掃描型）、是否獲取多個光譜通道（多譜段紅外相機）和是否獲取精細光譜信息（高光譜成像）進行類別劃分。(1)中紅外相機(2)熱紅外相機(3)中紅外雙波段相機(4)熱紅外四波段相機(5)熱紅外成像光譜儀3.5.4應(yīng)用

3.5.4應(yīng)用

無人機紅外載荷在環(huán)保監(jiān)測、火災(zāi)監(jiān)測、監(jiān)控救援等方面均有成功的應(yīng)用實例。(1)環(huán)保監(jiān)測(2)火災(zāi)監(jiān)測(3)監(jiān)控救援3.6多光譜成像儀概述：多光譜成像儀是一種能夠同時獲取光譜特征和空間圖像信息的基本設(shè)備，是光電成像系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。從成像原理上講，多光譜成像技術(shù)就是把入射的全波段或?qū)挷ǘ蔚墓庑盘柗殖扇舾蓚€窄波段的光束，然后把它們分別成像在相應(yīng)的探測器上，從而獲得不同光譜波段的圖像。實際使用時，要更有效地提取目標(biāo)特征并進行識別，探測系統(tǒng)需要有精細的光譜分辨能力，就要求把光譜分得更窄并采用多個波段，而完成這一任務(wù)的就是成像分光技術(shù)。3.6多光譜成像儀實質(zhì)：常用的紅外波段都比較寬，要更有效地提取目標(biāo)特征并進行識別，最好是把光譜分得更窄些并運用多個光譜波段。熱成像儀從單波段向雙波段和多波段發(fā)展，在景物輻射進入探測器之前，由分光裝置按光譜波段將其分開，分別進入不同的探測器。探測器分別輸出相應(yīng)波段景物圖像數(shù)據(jù)，同時獲得了同一景物在特定時刻各波段的圖像數(shù)據(jù)。

遙感探測設(shè)備分為主動探測和被動探測兩類。多光譜成像儀多數(shù)屬于被動工作，按其工作方式的不同可以分為光學(xué)成像和掃描成像兩大類。3.6多光譜成像儀基本組成：1、光學(xué)會聚單元。它由透鏡、反射鏡或掃描鏡等部件組成。它采集來自地面目標(biāo)和背景的輻射或反射電磁波。2、分光單元。它把前一單元采集的混合光分解為若干較窄波段，從而實現(xiàn)多光譜探測。3.6多光譜成像儀基本組成：3、探測與信號預(yù)處理單元。它常用做探測器材的有相機中的膠片、線列或面陣CCD、紅外焦平面陣列等光電探測器件。它實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，由敏感元分別將分光后聚焦的場景各點相應(yīng)波段的電磁波強弱轉(zhuǎn)換為對應(yīng)大小的電信號。信號預(yù)處理器對電信號進行放大、修正及其他處理后，轉(zhuǎn)換成圖像信號或其他形式的信號。4、信息記錄或傳輸單元。它將經(jīng)初步處理后的圖像信息用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)記錄下來。常用記錄介質(zhì)有膠片、磁帶、磁盤、光盤等。為了盡快得到遙感信息，對各種數(shù)字式的信號可通過傳輸單元將其從空中傳輸?shù)降孛孢M行記錄或?qū)崟r圖像顯示。3.6多光譜成像儀3.6.1成像光譜儀發(fā)展現(xiàn)狀2011年9月29日21時16分3秒在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射的天宮一號攜帶了我國新研究出的高光譜成像儀。新的高光譜成像儀由中科院長春精密機械與物理研究所以及上海技術(shù)物理研究所共同研制的，是當(dāng)時我國空間分辨率和光譜綜合指標(biāo)最高的空間光譜成像設(shè)備，在空間分辨率、波段范圍，數(shù)目以及地物分類等方面達到國際同類遙感器先進水平。3.6.2成像光譜載荷原理典型的成像光譜原理如圖所示。其中A是目標(biāo)，B是望遠成像系統(tǒng)，C是入射狹縫，D是準(zhǔn)直鏡，E分光系統(tǒng)，F(xiàn)是會聚鏡，G是探測器。地物目標(biāo)首先經(jīng)過望遠成像系統(tǒng)成像在入射狹縫處，入射狹縫起到視場光闌的作用決定視場，然后經(jīng)過準(zhǔn)直鏡，再經(jīng)過分光(棱鏡或光柵)系統(tǒng)，目標(biāo)的輻射按波長的不同進行分離，最后經(jīng)過會聚鏡成像在探測器上。若探測器是面陣探測器，系統(tǒng)將獲取二維數(shù)據(jù)，此時在目標(biāo)和成像系統(tǒng)間安裝上掃描系統(tǒng)或分光系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，將獲取第三維數(shù)據(jù)，與前面兩維一起組成數(shù)據(jù)立方體。圖3-28成像光譜載荷原理（1）目標(biāo)望遠成像系統(tǒng)入射夾縫準(zhǔn)直鏡分光系統(tǒng)會聚鏡探測器3.6.3應(yīng)用1）精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在農(nóng)林業(yè)上的應(yīng)用很多，如農(nóng)作物長勢分析、作物類別鑒定、病蟲害防治分析、產(chǎn)量評估等。2）自然災(zāi)害和災(zāi)情評估自然災(zāi)害監(jiān)測和災(zāi)情評估可以包括很多種，如洪澇、干旱、雪災(zāi)、森林大火、地震、海洋狀況等。3.7機載激光雷達系統(tǒng)3.7.0概述

激光雷達（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ，ＬｉＤＡＲ）是一種主動式的現(xiàn)代光學(xué)遙感技術(shù)，是傳統(tǒng)雷達技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等特點，因此激光雷達具有一系列獨特的優(yōu)點：角分辨率高、距離分辨率高、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標(biāo)的多種圖像以及抗干擾能力強。同時激光雷達的體積和重量都比微波雷達小，使用方便靈活。3.7機載激光雷達系統(tǒng)3.7.1激光雷達載荷發(fā)展現(xiàn)狀

２０世紀(jì)６０年代，人類就開始了利用激光作為遙感設(shè)備的探索；２０世紀(jì)７０年代的美國阿波羅登月計劃中就應(yīng)用了激光測高技術(shù)；２０世紀(jì)８０年代末，以機載激光雷達測高技術(shù)為代表的空間對地觀測技術(shù)在多等級三維空間信息的實時獲取方面產(chǎn)生了重大突破，激光雷達探測得到了迅速發(fā)展；目前，約有７５個商業(yè)組織使用著６０多種類似的系統(tǒng)；國內(nèi)方面，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所李樹楷教授等研究的機載三維成像系統(tǒng)于１９９６年完成該系統(tǒng)原理樣機的研制；3.7機載激光雷達系統(tǒng)3.7.1激光雷達載荷發(fā)展現(xiàn)狀

相對于機載激光雷達對地探測系統(tǒng)硬件的快速發(fā)展，機載激光雷達數(shù)據(jù)的后處理和應(yīng)用的研究明顯滯后。各種數(shù)據(jù)過濾與分類算法都還具有一定的局限性，很不成熟。3.7機載激光雷達系統(tǒng)3.7.2激光雷達原理

系統(tǒng)組成3.7機載激光雷達系統(tǒng)3.7.2激光雷達原理

其系統(tǒng)包括激光測距儀、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS和動態(tài)DGPS接收機。激光測距儀用于測定距離，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)確定姿態(tài)，動態(tài)DGPS接收機用于確定空間位置。3.7.2激光雷達原理

激光雷達工作的基礎(chǔ)是通過量測信號傳播時間來確定掃描儀與對象點的相對距離。目前從工作方式上看，激光測距可分為兩大類：脈沖激光測距和連續(xù)波激光測距?？紤]到作用距離，通常機載激光雷達采用的是脈沖激光測距方式。3.7.2激光雷達原理脈沖模式下系統(tǒng)直接量測信號傳播時間與距離的關(guān)系為S表示掃描儀中心到地面目標(biāo)點間距離，ｃ表示光波在真空中的傳播速度，約為３×１０８ｍ／ｓ。因此，只要求得精確的時間tＬ就能得到距離S。3.7.3典型產(chǎn)品以無人機為平臺的小型機載激光雷達，具有體積小，攜帶方便等優(yōu)點。目前國內(nèi)外激光雷達廠商及機構(gòu)紛紛推出了自己的小型激光雷達產(chǎn)品。(1)RieglVUX-1輕小型機載激光掃描儀(2)美國HDL-32E輕小型激光掃描儀(3)YellowScanSuveyor激光雷達（LiDAR）奧地利RIEGL美國Velodyne法國yellowscansuveyo