低空無人機遙感技術(shù)及應用

1、低空無人機遙感技術(shù)及應用 2019年5月24日,01,02,03,04,低空無人機遙感技術(shù)概述,無人機測繪工作流程,典型應用案例,目前的困境與未來發(fā)展,目錄,CONTENTS,低空無人機遙感技術(shù)及應用,3,1.研究背景,低空無人機遙感技術(shù)及應用,Part,01,無人機遙感技術(shù)概述,4,1.1低無人機遙感技術(shù)概念 1.2無人機遙感系統(tǒng)組成 1.3無人機遙感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 1.4低空無人機遙感的特點,1.低空無人機遙感技術(shù),5,無人機遙感(UAVRS)，即無人機與遙感技術(shù)的結(jié)合，是以無人駕駛飛行器作為載體，通過搭載相機、光譜成像儀、激光雷達掃描儀等各種遙感傳感器，獲取高分辨率光學影像、視頻、激光雷達

2、點云等數(shù)據(jù)的一種新型的航空遙感系統(tǒng)。 低空無人機遙感是輕小型無人駕駛飛機搭載小型傳感器飛行高度在2000m以下，飛行時間在3小時以內(nèi)，主要針對調(diào)查范圍較小或 急性的調(diào)查任而開展的無人機遙感術(shù)。,1.1低無人機遙感技術(shù)概念,分辨率2.25 cm的無人機航空遙感首飛遙感影像,7,1.2無人機遙感系統(tǒng)組成,8,1.2無人機遙感系統(tǒng)組成,9,Tetracam 近紅外傳感器 主要應用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域植被的健康狀況監(jiān)測,1.2無人機遙感系統(tǒng)組成,10,飛行平臺 飛行控制與導航技術(shù) 數(shù)據(jù)傳輸與存儲技術(shù) 遙感傳感器技術(shù) 遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù),1.3無人機遙感系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),11,高分辨率：可達到厘米級。,1.4低空無人機

3、遙感的特點,12,高時效性：第一時間獲取資源變化數(shù)據(jù)。 云層下成像 移動性能高：在運輸、保管環(huán)節(jié)上與有人飛機遙感平臺相比可以節(jié)省不少的費用。,1.4低空無人機遙感的特點,13,姿態(tài)穩(wěn)定性差、旋偏角大： 圖 空三解算后影像的姿態(tài)角,1.4低空無人機遙感的特點,14,像幅小、數(shù)量多、基高比小： 傳統(tǒng)的航攝儀 24cm24cm 和 18cm18cm 的像幅； 非量測相機的相幅很小，即使是全畫幅相機的像幅也只有36mm24mm。 非專業(yè)量測型相機，影像畸變大: 光學畸變大、光敏度低、成像面不平等系統(tǒng)誤差 噪聲、像點位移,1.4低空無人機遙感的特點,15,1.研究背景,低空無人機遙感技術(shù)及應用,Part

4、,02,低空無人機遙感的工作流程,16,無人機航攝系統(tǒng)的工作流程大致經(jīng)過以下兩個步驟： 數(shù)據(jù)獲取 數(shù)據(jù)處理,2.低空無人機遙感的工作流程,17,數(shù)據(jù)獲取 （1）任務規(guī)劃 一般是在室內(nèi)進行，根據(jù)所需影像的比例尺以及最終產(chǎn)品的形式和精度逐一確定: 影像地面分辨率（GSD） 無人機飛行高度 攝影基準面 影像重疊率 攝影基線,2.低空無人機遙感的工作流程,18,影像地面分辨率（GSD） 表 地面分辨率要求 單位：m,2.低空無人機遙感的工作流程,19, 無人機飛行高度： 航測時無人機的飛行高度 主要與相機的焦距 f 、像 元大小 pix和影像地面分 辨率GSD相關(guān)。,2.低空無人機遙感的工作流程,20

5、,確定攝影基準面 攝影基準面通常被確定為測區(qū)的平均高程面。 確定影像重疊率 傳統(tǒng)攝影測量中, 航向重疊 在 60%65%之間，最小不得小于 53%;旁向重疊 在 30%40%之間，最小不得小于 15%。 無人機一般要求航向重疊率、旁向重疊率分別在 70%和 60%以上。,2.低空無人機遙感的工作流程,21,確定攝影基線 兩相機中心（攝站中心）的連線稱為攝影基線。在航線方向上攝影的基線長度決定了相機兩個曝光點的距離或曝光時間間隔。對于具有旁向重疊的兩張影像之間的基線長度決定了兩條相鄰航線之間的距離。攝影基線的長度可由確定的影像重疊率、航高和影像的像幅尺寸計算獲得，它們的關(guān)系:,2.低空無人機遙感

6、的工作流程,22,確定攝影基線,2.低空無人機遙感的工作流程,23,（2）飛行前檢查 地面監(jiān)控站 飛行平臺 載荷傳感器檢查 發(fā)動機檢查 電池、燃油檢查 通電檢查,2.低空無人機遙感的工作流程,24,2.低空無人機遙感的工作流程,圖 航線設計示意圖,25,（3）地面控制點布設與測量（不是必須的） 像控點的布設：以實驗區(qū)地形特點及制作影像圖的精度來布設像控點，以能夠滿足空中三角測量精度要求為原則。 像控點的測量：主要采用單基準站RTK衛(wèi)星快速定位方法測量。,2.低空無人機遙感的工作流程,26,（4） 航空攝影 無人機飛到相應的高度后，相機按照預先導入的拍攝點進行自動定點拍攝，獲取地面像片，與此同時

7、，POS系統(tǒng)記錄像片拍攝瞬間無人機的各項姿態(tài)參數(shù)。,2.低空無人機遙感的工作流程,27,（5）飛行后檢查 無人機 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查-根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量評價結(jié)果，決定是否進行補飛或重飛。 航線質(zhì)量：航攝分區(qū)、航線走向、攝影基準面、航高、地面分辨率 航飛質(zhì)量 : 攝影范圍、橫滾角、俯仰角、航偏角、航向重疊度、旁向重疊度、像片傾角、像片旋角、偏航距、航跡彎曲度、航高差、像點位移 影像質(zhì)量：數(shù)量、清晰度、色調(diào)、陰影、重影,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 流程圖,2.低空無人機遙感的工作流程,獲取影像,相機參數(shù),控制點,影像預處理,影像匹配,空中三角測量解算,生成DEM,DOM生成、拼接,DLG生成,數(shù)據(jù)

8、處理 （1）航測數(shù)據(jù)預處理 POS數(shù)據(jù)與航帶整理 像片畸變改正 像片勻光勻色,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （2）影像匹配 影像匹配是利用數(shù)字相關(guān)尋找兩幅影像之間的同名像點。,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （3）空中三角形測量 核心思想是在一條航帶幾十個像對覆蓋的區(qū)域、或者由幾條航帶數(shù)百個像對覆蓋的區(qū)域內(nèi)，采用適量的外業(yè)測量控制點，按照數(shù)學模型，通過平差解算出攝影測量數(shù)據(jù)處理中所需要的全部控制點，及每張像片的外方位元素。,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （3）空中三角形測量 無人機數(shù)據(jù)空三加密主要分為兩個步驟： 相對定向，在相對定向中，把所有影像納入到一個自由坐標系

9、中，進行自由網(wǎng)平差，使網(wǎng)形內(nèi)符合精度要求； 絕對定向，利用地面控制點將相對定向結(jié)果轉(zhuǎn)換到大地坐標系。,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （4）生成數(shù)字高程模型（DEM） 1：1000 DEM 1：2000 DEM,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （5）生成數(shù)字正射影像（DOM） DEM生成后，就可利用已有的DEM制作數(shù)字正射影像，重點在于單張像片糾正。 像片數(shù)字微分糾正是指在己知像片內(nèi)定向參數(shù)、外方位元素及數(shù)字高程模型的前提下，使用數(shù)字攝影測量系統(tǒng)按照相應的數(shù)學關(guān)系式進行計算，從原始數(shù)字影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字正射影像的過程。,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （5）生成數(shù)字正射影像

10、（DOM） 1：1000 DOM 1：2000 DOM,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （6）生成數(shù)字線劃圖（DLG） 1：1000 DLG 1：2000 DLG,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （2）傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理 傾斜攝影測量：實質(zhì)是在同一飛行平臺上搭載多個傳感器，同時從多角度對地物進行拍攝，使得獲取的地物信息更完整、更全面,從而能從三維的角度獲得更多的信息。,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （2）傾斜攝影 測量數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)處理 （2）傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理-影像匹配,2.低空無人機遙感的工作流程,數(shù)據(jù)處理 （2）傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理 根據(jù)空三解算出來的各影像

11、外方位元素，進行特征匹配和逐像素級的密集匹配得到高密度彩色點云數(shù)據(jù)，由彩色點云構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），進而形成高精度、高分辨率的數(shù)字表面模型（DSM），然后進行濾波處理得到DEM，再進行數(shù)字正射糾正，可以得到真正射影像TDOM。,2.低空無人機遙感的工作流程,2.低空無人機遙感的工作流程,2.低空無人機遙感的工作流程,44,1.研究背景,低空無人機遙感技術(shù)及應用,Part,03,典型應用案例,45,無人機在遙感中的應用廣泛，如重大突發(fā)事件和自然災害的應急響應、國土資源的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測、各種地形信息的調(diào)查與測繪、農(nóng)業(yè)植保、農(nóng)業(yè)保險、環(huán)境保護、交通、能源、互聯(lián)網(wǎng)和移動通訊等。,3.1典型應用案

12、例,46,(1)植被空間分布調(diào)查 汪小欽通過分析僅含紅光、綠光和藍光 3 個可見光波段的無人機影像中植被與非植被的光譜特性，同時結(jié)合健康綠色植被的光譜特征，提出了可見光波段差異植被指數(shù) VDVI（visible-band difference vegetation index）。 精度評價，影像中植被總體提取精度達到 91.50%，Kappa 系數(shù)為 0.8256。 （ 汪小欽等.基于可見光波段無人機遙感的植被信息提取.農(nóng)業(yè)工程學報，2015）,3.1農(nóng)林業(yè)中的應用,47,(1)植被水平分布結(jié)構(gòu)調(diào)查 汪小欽通過分析僅含紅光、綠光和藍光 3 個可見光波段的無人機影像中植被與非植被的光譜特性，同時

13、結(jié)合健康綠色植被的光譜特征，提出了可見光波段差異植被指數(shù) VDVI（visible-band difference vegetation index）。,3.1農(nóng)林植保中的應用,48,(2)植被垂直結(jié)構(gòu)調(diào)查,3.1農(nóng)林植保中的應用,(Zhang J,etc Seeing the forest from drones: testing the potential of lightweight drones as a tool for long-term forest monitoring Biological Conservation，2016),( a) 無人機起飛場地; ( b) 由無人機獲

14、得的樣地森林冠層的三維點云圖; ( c) 樣地森林冠層表面模型( DSM) ; (d-f) 三個無人機收集的高分辨率圖像,49,(3)農(nóng)田監(jiān)測 溫度-熱紅外：提供數(shù)米甚至厘米級別的農(nóng)田溫度產(chǎn)品，有利于研究更小尺度研究區(qū)域的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，在農(nóng)田的干旱監(jiān)測，蒸散發(fā)估算以及作物估產(chǎn)等方面大有用處。,3.1農(nóng)林植保中的應用,50,(3)農(nóng)田監(jiān)測 氮磷鉀-高光譜和偏振觀測：利用無人機遙感監(jiān)測，可以較大降低農(nóng)業(yè)土地的化學污染。 病蟲害-高光譜:利用無人機遙感監(jiān)測，精確及時地獲取病蟲害在田間的空間分布與發(fā)展趨勢，實現(xiàn)更精細化的作物病蟲害脅迫監(jiān)測。,3.1農(nóng)林植保中的應用,51,(3)農(nóng)田監(jiān)測 重金屬污染-鎘

15、污染 作物倒伏-小麥、水稻、棉花 雜草識別 土壤濕度,3.1農(nóng)林植保中的應用,52,目前全國已有超過300家測繪單位擁有甲乙級航攝資質(zhì)，使用無人機數(shù)量超過千架。 測繪無人機已常態(tài)化應用在土地確權(quán)、基礎(chǔ)測繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測、土地利用動態(tài)監(jiān)測、數(shù)字城市建設等領(lǐng)域。 生態(tài)環(huán)境方面：水污染、土壤污染等。,3.2國土資源環(huán)境調(diào)查與測繪,53,測繪無人機已常態(tài)化應用在土地確權(quán)、基礎(chǔ)測繪、土地資源調(diào)查監(jiān)測、土地利用動態(tài)監(jiān)測、數(shù)字城市建設、應急救災測繪等領(lǐng)域。 生態(tài)環(huán)境方面：水污染、土壤污染等 目前全國已有超過300家測繪單位擁有甲乙級航攝資質(zhì)，使用無人機數(shù)量超過千架。,3.2國土資源環(huán)境調(diào)查與測繪,54,

16、(1)海岸帶動態(tài)監(jiān)測與管理 海岸帶具有地物破碎、反差小、高動態(tài)、潮汐瞬變、蜿蜒曲折等特點， 待測區(qū)域往往面積較小、分布零散，人工測量登島困難。 2012年以來，利用多種型號的輕小型無人機先后完成遼寧、天津、山東、江蘇、廣東、浙江、海南等沿海省市主要圍填海項目動態(tài)監(jiān)測工作。,3.3 海洋監(jiān)測、國土-島礁測繪,55,(2)島礁的遠距離動態(tài)監(jiān)測 中國海岸周邊遍布島礁，面積大于500 m的就超過 6500 個，多數(shù)島礁遠離大陸，登島難，面積小，衛(wèi)星或航空因分辨率難以獲得島上地物信息，輕小型無人機則可以從陸地起飛完成島礁遙感任務。,3.3 海洋監(jiān)測、國土-島礁測繪,56,(2)島礁的遠距離動態(tài)監(jiān)測 20

17、12 年 4 月 27 日 - 5 月 27 日，中國搭載雙頻GPS 飛控，獲得了釣魚島及其附屬島嶼全覆蓋的0.1 m 分辨率遙感數(shù)據(jù)，完成了1:2000大比例尺地形圖測圖。 2014年7月28 日，遙感觀測無人機從浙江省蒼南縣霞關(guān)鎮(zhèn)起飛和回收，成功獲取了釣魚島主島和南北小島（總面積約12 平方公里范圍）0.05 m高分辨率遙感影像和POS數(shù)據(jù)。,3.3 海洋監(jiān)測、國土-島礁測繪,57,3.3 海洋監(jiān)測、國土-島礁測繪,58,(1)地質(zhì)災害調(diào)查與分析 無人機可用于單體和區(qū)域地質(zhì)災害野外調(diào)查。無人機獲取的高分辨率和高精度的影像以及地形數(shù)據(jù)為室內(nèi)精細化的遙感解譯和分析奠定了堅實基礎(chǔ)。 無人機在地質(zhì)

18、災害點位置提取、規(guī)模等級評估、潛在危險判識、承災體提取、災情評估等方面具有顯著優(yōu)勢。 開展地質(zhì)災害編目、災害地形和幾何特征參數(shù)提取、災害點判識、數(shù)字地形分析、地貌演化等工作。,3. 4地質(zhì)災害應用,59,(2)地質(zhì)災害應急測繪、救援與災情評估 迅速完成對受災區(qū)域的測繪工作，可以實時傳輸影像和視頻，幫助救援人員及時掌握災區(qū)最新情況，為救災指揮部制定救災方案提供技術(shù)支撐。 與災前谷歌影像、高分影像、快鳥影像、大比例尺地形圖等對比，可快速評估受災區(qū)域范圍、基礎(chǔ)設施破壞、房屋損毀、農(nóng)田淹沒、植被破壞、河道堵塞、堆積物厚度與方量、潛在危險對象等情況，為災情精準評估提供有力支持。,3. 4地質(zhì)災害應用,6

19、0,3. 4地質(zhì)災害應用,61,3. 4地質(zhì)災害應用,2014 年 4 月 20 日四川蘆山地震后，國家測繪局組織的無人機遙感團隊僅災后幾個小時就成功地獲取到核心災區(qū)太平鎮(zhèn)的航空影像。,62,(3)地質(zhì)災害地表形變監(jiān)測與早期預警 利用無人機機載高光譜相機、高精度合成孔徑雷達（InSAR）、激光雷達（LiDAR）、偏振高光譜、高分辨率相機可以生產(chǎn)高精度的地形、影像產(chǎn)品。 通過多時相的無人機監(jiān)測，能夠分析出地質(zhì)災害區(qū)域位移、變形、沉降、紋理特征、運動過程等，為深入研究地質(zhì)災害動力學過程和機制提供監(jiān)測數(shù)據(jù)支撐，為地質(zhì)災害早期預警提供技術(shù)支持。,3. 4地質(zhì)災害應用,63,3. 4地質(zhì)災害應用,64,

20、(4)地質(zhì)災害場景三維重建 還原和再現(xiàn)地質(zhì)災害區(qū)域三維立體場景。 無人機720全景拍攝和建模技術(shù)，也可以讓人們身臨其境地體驗地質(zhì)災害震撼場景。這些技術(shù)為地質(zhì)災害防災減災教育和科普提供了生動有趣的技術(shù)體驗。,3. 4地質(zhì)災害應用,65,3. 4地質(zhì)災害應用,趙家溝泥石流三維模型,66,(4)地質(zhì)災害場景三維重建,3. 4地質(zhì)災害應用,（馮林,李斌兵.利用無人機傾斜影像與GCP構(gòu)建高精度侵蝕溝地形模型.農(nóng)業(yè)工程學報,2018 ）,67,1.研究背景,低空無人機遙感技術(shù)及應用,Part,04,目前的困境與 未來發(fā)展,68,1.無人機平臺穩(wěn)定性不足 2.大面積作業(yè)續(xù)航時間受限 3.載荷受限 4. 數(shù)據(jù)融合處理受限于計算機性能及數(shù)據(jù)處理方法，目前仍難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線實時處理。,4.1目前的困境,69,基于中