无人机低空遥感系统概述

　　摘要

　　无人机低空遥感系统可理解为“无人机＋”各类传感器。完整的无人机低空遥感系统由无人机飞行平台、微型传感器系统、地面控制与数据传输系统、影像处理系统和设备操控人员组成。野外作业流程可分为前内业、外业和后内业三部分。

　　1、组成

　　基于“无人机+”的低空遥感系统

　　无人机低空遥感系统以无人机为飞行和搭载平台，通过搭载各类传感器，获取地面或空中实测影像和数据。可以简单地将无人机低空遥感系统理解为无人机“＋”各类传感器，如无人机＋可见光相机；无人机＋高光谱成像仪；无人机＋环境传感器等。但完整的无人机低空遥感系统至少应该包括以下几个部分，即无人机飞行平台、微型传感器系统、地面控制与数据传输系统、影像处理系统和设备操控人员。

　　无人机飞行平台

　　多旋翼的无人机飞行平台一般由机架、飞行控制系统、动力系统和云台系统四部分组成。其中飞行控制系统主要由陀螺仪、加速度计、地磁传感器、气压传感器、GPS和电子调速器组成。动力系统由电池、电机和螺旋桨三部分组成。电池带动电机转动螺旋桨，产生的空气浮力推动无人机升空。升空后无人机可通过飞行控制系统中的各类传感器感知自身的位置及飞行姿态，通过电子调速器调节电机的转速来调整自身飞行高度、速度、方向、悬停及起降。云台系统是保证飞行过程中传感器稳定的重要结构，通过云台系统可以控制传感器的俯仰和滚转。云台有单轴和三轴之分，其中单轴稳定平台只修正偏流角,由平台、电机和控制电路组成；三轴稳定平台可以使传感器保持水平稳定并修正偏流角,由平台、电机、陀螺仪、水平传感器、舵机、控制电路等组成。

　　微型传感器系统

　　目前无人机可携带的微型传感器主要包括两大类，一类为光学影像和激光点云类传感器，另一类为环境监测类传感器。光学影像和激光点云类传感器以获取影像和点云为主要的输出结果，相关的传感器主要有可见光相机、红外热成像相机、多光谱成像仪、高光谱成像仪、Lidar和合成孔径雷达等。环境类传感器主要包括测定温度、辐射和湿度等的微型传感器，以及基于泵吸式点状采样监测模式的机载气体监测设备(如粒子探测仪、差分吸收光谱探测系统和电化学类气体监测设备等)。

　　此外，基于电化学传感器、光离子化传感器、以及金属氧化物传感器等技术的气体监测设备，经过改进用于无人机遥感监测也是近年来的一个研究热点。目前无人机搭载的传感器不断向轻型化、智能化和精准化方向发展，并且可通过无线传输技术，将影像数据实时传送给地面接收端，实现对灾害现场或检测现场的实时监测。

　　地面控制与数据传输系统

　　通过地面控制系统可以将飞行参数等命令写入无人机的飞行控制系统，无人机升空后，可执行写入的命令，并实现自主飞行。通过无线数据传输系统，在地面站上可以实时观察无人机的飞行高度、速度、方向以及飞行姿态等数据，同时可以接收无人机传感器传输过来的影像数据。必要时，通过地面站可随时将无人机自主飞行转为手动模式控制，对无人机的飞行路径进行手动干预。

　　影像处理系统

　　影像处理系统是分析和处理无人机低空遥感数据的有力工具，通常由高性能的计算机和影像处理软件构成。无人机低空获取的遥感影像虽然分辨率高，但单张影像的视域范围较小，若想获得整个研究区域的全景影像，必须对无人机获取的大量影像进行匹配和拼接。但受到飞行姿态、地形、及镜头的影响，无人机所获取的影像通常数量多、畸变大、拍摄角度不统一，运用传统的航空摄影流程进行图像的拼接难度较大。

　　在航空摄影领域，过去二十年间高分辨率的数字影像极大程度上取代了航空模拟影像，同时机载导航系统可以提供无人机精确的位置和姿态信息。这促使了摄影测量自动处理软件的发展，如Inpho,IMAGINEPhotogrammetry,AgisoftPhotoscan,Pix4dMapper等。这些软件为无人机拍摄的影像处理提供了半自动拼接流程。由于无人机飞行控制系统中的日志文件记录了每张影像拍摄的原始位置和角度，在较少人为干预的条件下，即可由软件自动生成数字高程模型和正摄影像。同时，软件会通过一系列精确测定的地面控制点（GCPs）来对摄影测量结果进行校正，以确保影像处理的精确性。以上软件处理后的低空遥感影像再辅以CAD，ArcGIS和ENVI等处理软件，即可实现高精度的空间分析和光谱分析。

　　设备操控人员

　　设备操控人员是整个无人机低空遥感系统中最为重要但常被忽视的一部分。设备操控人员通常为一个团队，团队中既要有人负责无人机的组装、操控和维修，也要有人负责传感器的正确设置和使用，还要有人负责后期的影像处理。只有这样，才能保证无人机低空遥感数据的安全、准确获取和快速、精准分析。

　　2、作业流程

　　无人机低空遥感的作业流程

　　无人机低空遥感的作业流程主要改自载人飞行器的作业流程，可分为前内业、外业和后内业三部分。

　　前内业的主要目的是制定飞行计划。这一步通常借助飞行计划软件，如APM的MissionPlanner，结合背景地图和卫星影像来提前定义测量区域，按照任务要求设定飞行高度、速度、照片重叠度和航向等。飞行计划软件随后会计算出最佳方案，来获得覆盖研究区所需照片的数量及三维重叠影像。在这一过程中，所有的参数都可以随时修正，直到生成满意的飞行计划为止。制定飞行计划阶段需要根据项目的作业要求收集相关资料，进行现场勘查，确定地面控制点位置，需要申请空域时需要向相关部门申请空域。出发前要检查无人机低空遥感系统中的各软硬件运行状况，确保其无障碍运行。

　　外业的主要任务是获取原始影像。到达作业点后，组装无人机，挂载传感器，调试地面控制系统和数据传输系统，将飞行计划写入无人机的自动飞行控制系统。于此同时，实地标识飞行计划中选取的地面控制点，并测定其经纬度及高程等信息。需要强调的是，以普通数码相机为传感器时最好选用定焦镜头，同时将快门速度调为手动模式，并根据实际需要设定快门速度和拍摄间隔，以避免影像偏暗、模糊或者过曝。调试完毕后，即可手动或自动控制无人机起飞，待无人机升空后转为自动飞行模式，此后无人机将自动完成数据获取和降落过程。无人机完成数据采集后，可现场检查数据采集质量，若质量不合格要分析原因并重新制定飞行计划。

　　后内业的主要任务是影像处理。无人机原始影像获取完毕后，通常会从无人机自动驾驶仪或传感器中下载一个日志文件（logfile）。这个文件记录了无人机执行飞行计划过程中详细的位置和姿态信息。日志文件可用来对相片中心位置和相机方向做最初估算，然后再用于影像拼接过程。摄影测量的自动处理软件通常经过畸变差校正、影像色彩校正、影像匹配、全景图拼接、空中三角测量等过程，生成研究区的数字表面模型（DSM）、数字高程模型(DEM)和数字正摄影像(DOM)。

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