无人驾驶飞机在湖南国土资源管理中的应用

黄华明,汤仲安

(湖南省测绘科技研究所,湖南 长沙 410007)

无人驾驶飞机在湖南国土资源管理中的应用

黄华明,汤仲安

(湖南省测绘科技研究所,湖南 长沙 410007)

针对航空摄影和卫星遥感受诸多因素制约的缺陷,开展无人驾驶飞机在湖南国土资源管理中的应用研究。从无人飞机系统特点、系统组成、技术设计方案3方面入手,分析此技术方法的可行性,并获得理想实用的航摄效果。

无人驾驶飞机;国土资源管理;遥感

近年来,无人机遥感监测技术发展迅速,成为国内外研究开发热点,逐步应用到社会各领域。在国外,美国等发达国家已将该技术大量应用于国土、林业、环保、军事等众多领域。在国内,只有几家科研机构、大学、公司从事无人机技术的研究开发和应用,在国土资源管理领域的应用研究刚刚起步。

2008-05-05,湖南省人民政府下发《湖南省人民政府关于加强测绘工作的通知》(湘政发〔2008〕10号),明确指出:“加强应急测绘装备建设,建立无人机航空遥感数据采集处理系统”。在湖南省科技厅和国土资源厅的支持下,《无人机遥感监测系统》很快通过立项,由湖南省测绘科技研究所承担该项目。几个月来连续进行澧县县城规划的试飞试验、浏阳土地整理设计的飞行试验、醴陵土地节约集约利用的飞行试验,取得初步成效。

1 系统特点

无人机数码摄影测量技术是综合利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥控程控技术、通讯技术、GPS差分定位技术的遥感应用技术,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,是继卫星遥感和普通航空摄影测量技术之后,发展起来的一种新型航空遥感技术手段,该技术具有如下独特优势。

1.1 使用成本低、操作简单

该系统自动化程度高、操作培训简单,可以根据任务需要随时工作。无人机起降采用弹射起飞、伞降降落方式,飞行高度可达4 000 m以上,完全可以适应湖南省的各种地形地貌地区应用。无人机能低空云下摄影,再加上其快速机动性能,可航摄飞行的天气远多于普通航空摄影(见图1～图3)。

1.2 机动快速的响应能力

在接到航摄任务后,该技术系统可以做到快速出动、快速获取、快速处理、快速分析判别,具有成图周期短、时效性强等特点。

1.3 高分辨率航空影像获取能力

该系统能够获取优于8 cm的高分辨率影像,影像色彩丰富、清晰、直观、准确,能够满足大比例尺成图、地类判别、土地信息提取等,可作为重要的决策依据。

1.4 航摄影像的快速处理能力

该系统采用数字遥感设备,获取的高分辨率影像可直接传入计算机内处理。通过专用的自动空三、自动纠正、自动拼接、矢量测图软件快速生成土地开发整理所需的DEM、正射影像图、地形图等数据(见图 4)。

图4 浏阳土地整理片局部航摄成果

2 系统组成

系统由无人机子系统、任务载荷子系统、数据处理子系统等组成,见图5。

图5 无人机监测系统构成

2.1 无人机子系统

1)研制的小飞机按照工程化、实用化要求,进行气动布局设计、风洞试验、震动和冲击试验。

2)基于微小型陀螺、加速度计、气压高度表、GPS芯片实现小型无人机控制与导航系统集成,并对其进行电磁兼容、抗干扰试验。

3)地面站硬件设备选用性能良好的工控计算机和数传电台,抗震动、抗冲击、抗干扰,遥测遥控一体化,既能架设在地面也可集成到车辆中。

4)遥控系统软件界面设计要简单、易掌握、功能全。在选用电子地图、扫描后地形图、卫星影像等作为底图后,通过点击鼠标即可进行航线规划、指令发送,要做到用鼠标就能够“指挥”无人机飞行;显示无人机位置、高度、飞行方向、飞行轨迹等遥测信息;显示数码相机的工作状态、曝光点位、像片数量等信息。

5)开发弹射起飞和伞降装置,使无人机能在田间地头、空地、沙滩、草地等处起飞和降落,满足各种地形地貌地区的应用。

2.2 任务荷载子系统

1)选用数码相机或数码摄像机作为任务荷载,集成到无人机系统中,形成无人机遥感平台。

2)数码相机通过自动控制系统实现定点、定时、等间距曝光。

3)选用视频图像传输设备,用于监测区视频图像的实时传输、浏览和存储;机上搭载数码摄录机和图像发射机,地面为图像接收机和监视器。

4)开发POS装置并集成到系统中,自动采集每张遥感影像曝光时刻的位置、姿态、方向数据,在获取影像同时获取其定位信息,为遥感影像数据的快速处理提供初始值。

2.3 数据处理子系统

1)利用POS数据,现场1 h内实现遥感影像飞行质量的自动检查。

2)现场实现遥感影像的预处理、空三平差、粗纠正、快速拼接。

3)提供所需的标准化数据格式,通过影像匹配技术,自动提取地物变化区域的信息,自动生成数据报表。

3 技术设计

本系统研究集航空、人工智能、测绘、信息系统等多门学科于一体,涵盖了导航、航空遥感、摄影测量、大地测量、通讯、计算机、土地规划、制图、信息系统等多种专业,具有较强专业性和复杂性。在研究过程中,把握好先进性和实用性原则,做到统一规划、统一设计、统一管理和统一协调,使无人机航飞遥感、外业控制测量、外业调绘、内业数据处理和成图等每项技术工作达到高度统一,各项成果达到高效率、高质量、高标准,见图6。

3.1 技术路线

无人机具体技术路线见图6。

图6 无人机设计路线

3.2 作业流程

目的论有三个指导原则，分别是目的原则，连贯原则和忠诚原则。这三个原则之间有先后等级之分，连贯的优先级高于忠诚，同时这两个原则要以目的原则为前提[2]。在该理论的视角下，一切翻译行为都必须首先服从“目的原则”，也就是译文应该根据所要达到的效果进行语言上的组织，同时还应该被目的语读者接受[3]。译文所要达到的效果是译者选择翻译技巧首要需要考虑的因素，也就是效果决定技巧[4]。连贯的核心思想是翻译成果被目的语读者理解，符合其阅读习惯和思维方式。在忠实原则视角下，译文应该最大限度地再现原文的内容和神韵，但是再现程度根据译文所要达到的功能而有所不同。

无人机具体作业流程见图7。

图7 无人机作业流程

3.3 关键技术研究及存在的问题

1)系统集成技术。将无人驾驶飞行平台、机载遥感设备、GPS导航定位装置、GIS地图数据、地面监控系统等进行集成,实现“3S”集成应用。开发的程控和自主飞行系统可减少系统操作人员工作难度、提高系统的控制精度。通过多次试验研究改造,集成度大大提高,重量越来越轻,体积越来越小,操作越来越简便。但集成空间还很大,有待进一步研究。

2)飞行安全技术。飞机的安全关键是起飞和降落,由于飞机小而轻稳定性差,抗干扰性弱,小飞机跑道滑行受损、坠落的现象高于大飞机。现在从跑道式起飞改成弹射式起飞,安全性大为提高,但安全性还远低于大飞机。此外伞降的危险性和对飞机的损伤始终存在。

3)相机定标技术。为使获取的影像满足大比例尺测图精度要求,需对专业相机进行精确检校。根据相机几何成像模型作相关检较工作,得到相机内、外参数。使用现有检校场对相机进行定期检测,对CCD芯片和镜头产生的不规则畸变测定逐个像素的畸变量。运用相关数学模型编制专门软件自动对影像进行畸变纠正处理。

4)大比例尺成图技术。因为试验处于技术开发阶段,目前,只能处理1∶10 000比例尺地形图要素的更新工作,更大比例尺的处理技术尚不成熟。此外,目前使用的是单镜头相机,不利于成图,有待将来使用多镜头相机进行航摄。

4 应用前景探讨

进行城镇规划、土地整理设计、土地节约利用等方面的飞行试验,效果比较理想,很受用户的欢迎。

目前,土地监测工作主要采用人员地面检查、卫星遥感技术和传统航空摄影技术,但这3种方法均有其不足之处:

1)地面检查方式需要大量人力、物力、效率低下;

2)卫星遥感影像数据采购周期长、卫星影像的分辨率较低;

3)航空摄影受空域管制和气候等因素制约,且成本高。

为了对我省重点地区和热点地区实现滚动式循环监测,对违规违法用地、滥占耕地、破坏生态环境等现象做到及早发现、及时制止,迫切需要从技术上开发并建立更加快速、高效、直观的国土资源监察系统。无人机遥感监测技术由于具有机动快速、影像实时传输、高危地区探测、成本低、机动灵活等优点,无疑成为卫星遥感与传统航空摄影技术的有力补充。

4.2 矿山资源监测的需要

近年来,矿产资源开发秩序混乱。整顿和规范矿产资源开发秩序,需要利用有效地监测技术手段全面、快速、准确、动态地调查矿山的数量、分布、性质、勘察和开采情况,为矿产资源开发监督管理部门提供决策依据。

利用无人机遥感监测系统在我省开展矿山资源环境监测工作,能够获取矿山环境实时影像,为及时查处和纠正矿产资源开发中出现的问题,规范和整顿矿产资源管理和开发秩序,保障国家矿产资源开发的可持续发展,具有十分重要的现实意义。

4.3 测绘管理的需要

无人机遥感监测系统遵循航空摄影测量原理。基于高分辨率遥感影像制作出测绘所需的大比例尺数字正射影像图(DOM)、数字高程模型(DEM)和数字线划图(DLG)。在大比例尺数字产品基础上进行制图,能够快速更新国家基本比例尺地形图。

4.4 其他行业各领域的应用

无人机提供的地面彩色正射影像图其分辨率达8 cm,能够准确计算出热点面积、长度、高程等信息,应用领域广阔。

城镇建设规划:基于高分辨率城镇影像图,可对现有城镇规模结构、职能分工和空间布局进行合理调整,科学制定区域交通、通信、能源、供水、排水、防洪等布局规划,发挥城镇整体效益。

自然灾害监测:我国(特别是湖南省)是自然灾害频发的地方,灾害类型繁多,地类复杂。基于数字正射影像图,灾害发生前,可做好相应防范工作;灾害发生中,可及时了解灾害现状,预测蔓延趋势,做好应急决策;灾害发生后,进行灾后损失评估,做好相应善后等工作。

水利部门应用:基于数字正射影像和数字高程模型,不仅能为大型水工建筑物(桥梁、堤坝、水库、闸门等)提供选址服务,还能实时监测其施工进程;此外,还可以进行水资源调查、水环境监测、水土保持监测和泄洪区淹没范围预演等,便于防汛指挥调度。

5 结束语

无人机遥感监测系统具有造价低、性能强、机动性高等优点,是对传统的航空摄影测量技术、现代遥感技术、图像处理技术、GPS等多种学科继承和发展,获取的高分辨率影像能够为社会各部门提供快速及时信息,从而增强决策能力和服务水平,具有广阔的开发价值和推广应用前景。系统不但满足国土资源,也满足城市规划、城乡建设、环境监测、防灾减灾、精细农业及交通管理等多种现代化、信息化管理需求,是促进我省社会经济发展必备和急需的现代空间数据获取装备,最终可建成一个多用途的综合信息服务系统。

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Research on application of pilotlessaircraft in management of land and resources in Hunan

HUANG Hua-ming,TANG Zhong-an
(Hunan Institute of Surveying and Mapping Technology,Changsha 410007,China)

Aiming at the deficiency of the satellite remote sensing and aerial photography restricted by a good many factors,research on app lication of pilotless aircraft in management of land and resources in Hunan is developped.The ideal app lied effect is acquired by adop tion of the paratactical technical method on research,design and app lication.The research has broad p rospect fo r app lication.

pilotless aircraft;management of land and resources;remo te sensing

P208

A

1006-7949(2010)01-0042-04

2009-08-10

国家科技支撑计划项目(2008BAJ11B03-04)

黄华明(1954-),男,高级工程师.

[责任编辑李铭娜]