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【干貨放送第二篇】無人機(jī)環(huán)境航測

發(fā)布日期:2016-12-28我要投稿我要評論
 近年來,從空中收集自然災(zāi)害和事故現(xiàn)場等信息的需求日益增加。特別是無人機(jī),因其可以進(jìn)入人難以到達(dá)的地域中去,作為安全、高效獲取信息的手段而備受關(guān)注。無人機(jī)核輻射監(jiān)測技術(shù)的最新發(fā)展及其發(fā)展趨勢對我國監(jiān)測體系建設(shè)的完善可以起到指導(dǎo)、借鑒的作用。

  中文名:無人機(jī)核輻射監(jiān)測

  外文名:uav environmental monitoring

  目錄

  簡介

  無人機(jī)遙感技術(shù)

  ·無人機(jī)遙感傳感器

  ·影像拼接技術(shù)

  ·數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸存儲技術(shù)

  無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

  ·無人機(jī)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

  ·無人機(jī)在大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

  ·無人機(jī)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

  前景展望與發(fā)展方向

  ·加強(qiáng)小型化、輕型化且性能優(yōu)異的機(jī)載環(huán)境監(jiān)測設(shè)備研發(fā)

  ·加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究與軟件開發(fā),提高數(shù)據(jù)分析的精度和效率

  ·提高數(shù)據(jù)鏈路傳輸能力

  簡介

  環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境保護(hù)工作的“哨兵”和“耳目”,是環(huán)境管理的重要組成部分,是環(huán)境保護(hù)工作最為重要的基礎(chǔ)性和前沿性工作,尤其是伴隨著近些年來一系列環(huán)境災(zāi)害與環(huán)境事故的頻發(fā),環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的研究越來越引起國內(nèi)外政府學(xué)者的重視。如何方便、快速、低成本的獲取精確、可靠、及時的環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料成為技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

  無人機(jī)遙感技術(shù)作為繼傳統(tǒng)航空、航天遙感之后的第三代遙感技術(shù),可快速獲取地理、資源、環(huán)境等空間遙感信息,完成遙感數(shù)據(jù)采集、處理和應(yīng)用分析,同時具有機(jī)動、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)。

  無人機(jī)遙感技術(shù)

  無人機(jī)遙感技術(shù)是一個綜合、系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域,其中的核心關(guān)鍵技術(shù)主要包括遙感傳感器、影像拼接技術(shù)與數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸存儲技術(shù)3部分。

  無人機(jī)遙感傳感器

  傳感器是無人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)備之一。20世紀(jì)8O年代以來,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及無人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入,面向環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的傳感器在數(shù)字化、輕型化、探測精度以及種類等方面都取得了巨大進(jìn)展,極大的推動了無人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用,其主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

  1. 航拍圖像傳感器:隨著CCD和CMOS圖像傳感器的日漸成熟,數(shù)碼相機(jī)的性能也不斷提高,普通的數(shù)碼相機(jī)的分辨率也已達(dá)到了1000萬像素以上,高分辨率的數(shù)碼相機(jī)成為無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)主流的傳感器件。在技術(shù)上,傳感器不斷向大面陣、多光譜、數(shù)字化方向發(fā)展,并取得了較多進(jìn)展,進(jìn)一步提高了航拍精度。

  2. 機(jī)載環(huán)境監(jiān)測傳感器:隨著環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備的不斷發(fā)展,面向水環(huán)境和大氣環(huán)境監(jiān)測小型化、輕型化的各類機(jī)載專用監(jiān)測儀器設(shè)備的研制成為一個新興的領(lǐng)域。這方面的設(shè)備從工作模式上,主要包括基于二維面狀航拍作業(yè)模式的光譜類設(shè)備(如熱紅外成像儀、輕型紅外航掃儀、紅外掃描儀、微波輻射計等)和基于泵吸式點(diǎn)狀采樣監(jiān)測模式的機(jī)載氣體監(jiān)測設(shè)備(如粒子探測儀、差分吸收光譜探測系統(tǒng)、電化學(xué)類氣體監(jiān)測設(shè)備等)。

  影像拼接技術(shù)

  采用低空無人機(jī)遙感平臺來快速獲取研究區(qū)域的影像,影像分辨率提高的同時,單張影像的視野范圍較小,難以形成大區(qū)域環(huán)境的整體認(rèn)知。因此,為得到整個區(qū)域的全景影像,必須實(shí)現(xiàn)若干影像的匹配拼接。受飛行姿態(tài)穩(wěn)定性、飛行區(qū)域特殊地形、數(shù)碼相機(jī)等因素影響,無人機(jī)遙感圖像往往具有旋轉(zhuǎn)變形大、幅寬小、數(shù)量多、重疊圖不規(guī)則、地面控制點(diǎn)難獲取等特點(diǎn),運(yùn)用傳統(tǒng)的航空攝影流程進(jìn)行圖像拼接相對難度較大,而且速度較慢,雖然有

  少數(shù)學(xué)者進(jìn)行初步探索,但是在精度與效率方面仍有待于進(jìn)一步探索。由于現(xiàn)階段無人機(jī)主要應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害、突發(fā)性環(huán)境污染事件等應(yīng)急業(yè)務(wù)中,因此面向環(huán)境應(yīng)急的無人機(jī)遙感圖像的快速拼接處理技術(shù)研究相對較多,其采用流程主要是對已有影像進(jìn)行配準(zhǔn)后再幾何糾正處理。

  在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域,例如海上溢油污染事件發(fā)生時,大數(shù)據(jù)量圖像的快速拼接技術(shù)在污染評估過程中有著重要的應(yīng)用價值。尤其是無控制點(diǎn)或者粗略POS數(shù)據(jù)支持下的海量數(shù)據(jù)全自動快速拼接,如何有效提升拼接效率的同時,并保障一定的數(shù)據(jù)精度仍是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

  數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸存儲技術(shù)

  無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸是無人機(jī)遙感系統(tǒng)的重要組成部分,決定著系統(tǒng)的規(guī)模與水平。地面控制站與無人機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸是通過數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)的。除具有遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾δ苤?,?shù)據(jù)鏈還肩負(fù)著遙控、遙測和跟蹤定位的功能作用。早期無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈大都采用分立體制,遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸與遙控、遙測和跟蹤定位用各自獨(dú)立的信道,設(shè)備復(fù)雜。20世紀(jì)80年代后,為了簡化設(shè)備或節(jié)省頻譜,開始采用多功能合一的綜合信道體制,目前常用的信道綜合體制是“三合一”和“四合一”綜合信道體制。所謂“三合一”綜合信道體制是跟蹤定位、遙測、遙控的統(tǒng)一載波體制,而遙感監(jiān)測信息使用單獨(dú)的下行通道,“四合一”綜合信道體制則是指遙感監(jiān)測信息傳輸與跟蹤定位、遙測、遙控采用統(tǒng)一的載波體制。

  除信道綜合技術(shù)之外,數(shù)據(jù)的壓縮、解壓縮技術(shù)也是遙感監(jiān)測信息傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。在無人機(jī)傳感器視頻信息傳輸方面,從20世紀(jì)90年代起已開始應(yīng)用圖像數(shù)字傳輸技術(shù),目前已在大部分無人機(jī)測控系統(tǒng)中使用。無人機(jī)動態(tài)圖像壓縮編碼后,圖像/遙測復(fù)合數(shù)據(jù)速率已減到最小為1~2Mb/s(例如美國的11544Mb/s,以色列的212Mb/s),對應(yīng)的圖像分辨率可達(dá)720×576。

  無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

  無人機(jī)在水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

  由于內(nèi)陸水體環(huán)境復(fù)雜、水域面積相對小且污染類型多樣,對數(shù)據(jù)精度要求較高,因此目前無人機(jī)遙感技術(shù)在內(nèi)陸水環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究相對較少,主要是利用無人機(jī)環(huán)境遙感技術(shù)從宏觀上觀測水質(zhì)狀況,航拍制作分辨率為0.1m的實(shí)景圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測,并實(shí)時追蹤和監(jiān)測突發(fā)環(huán)境污染事件的發(fā)展,而在海洋中應(yīng)用技術(shù)相對較為成熟,監(jiān)測指標(biāo)主要涵蓋了水溫、赤潮、海上溢油、水深、藻華等,傳感器包括照相機(jī)、多光譜成像儀、CCD攝影機(jī)、輕型紅外航掃儀、激光測深儀、成像光譜儀、化學(xué)傳感器等。

  無人機(jī)在大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

  近幾年來,國內(nèi)對于無人機(jī)應(yīng)用與大氣污染物的研究才剛剛開展,目前主要用于環(huán)境應(yīng)急和簡單的大氣環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測,其中可監(jiān)測的指標(biāo)主要包括臭氧、粒子濃度、溫度、濕度、NO2和壓力等,如中國科學(xué)院大氣物理研究所設(shè)計了2種型號微型無人機(jī),搭載了改進(jìn)的臭氧傳感器和粒子(數(shù)濃度或質(zhì)量濃度)探測儀以及溫度濕度傳感器進(jìn)行了探空試驗(yàn),飛行測量 數(shù)據(jù)合理可信,無人機(jī)平臺、記載傳感器和地面系統(tǒng)都達(dá)到了設(shè)計指標(biāo);中科院安徽光機(jī)所利用大氣物理研究所研制的無人飛機(jī)平臺,搭載自主研發(fā)的大氣污染差分吸收光譜探測系 統(tǒng),成功獲取大氣污染成分NO2等的二維時空分布。

  無人機(jī)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

  目前,無人機(jī)遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用,從領(lǐng)域上來看,主要體現(xiàn)在災(zāi)害監(jiān)測、森林資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境等方面;應(yīng)用方式表現(xiàn)為利用數(shù)碼相機(jī)或光譜類設(shè)備(如紅外攝影機(jī)、紅外掃描儀、微波輻射計等)獲取遙感影像,通過數(shù)據(jù)拼接與處理,實(shí)現(xiàn)宏觀環(huán)境監(jiān)測或大范圍監(jiān)測指標(biāo)(如土地利用、植被覆蓋等)提取。

  (1)森林資源調(diào)查方面,可選用索尼DSC-90數(shù)碼相機(jī)作為影像傳感設(shè)備,結(jié)合地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù),以森林資源二類調(diào)查為例進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。

  (2)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害監(jiān)測方面,以高分辨率數(shù)碼單反相機(jī)作為圖像獲取傳感器、綜合運(yùn)用地面監(jiān)控軟件、影像處理軟件和無線電遙控系統(tǒng)的無人機(jī)低空航拍遙感系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測等眾多領(lǐng)域有著十分重要的實(shí)際意義。

 ?。?)路域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面,將無人機(jī)實(shí)時傳輸系統(tǒng)與遙感圖像處理系統(tǒng)的集成,結(jié)合采用地下電子標(biāo)識系統(tǒng)輔助解譯公路路域的土地利用類型、植被覆蓋和土壤侵蝕等生態(tài)環(huán)境要素定位變化信息,能構(gòu)建公路路域生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)公路路域生態(tài)環(huán)境的快速監(jiān)測調(diào)查。無人機(jī)遙感系統(tǒng)的低空飛行、成本低廉,機(jī)動靈活,能快速響應(yīng)拍攝任務(wù)等優(yōu)點(diǎn)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有較大應(yīng)用優(yōu)勢,但受限于無人機(jī)高分辨率圖像處理技術(shù)及任務(wù)載荷等方面限制,目前應(yīng)用仍處于探討階段,實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用尚少。

  前景展望與發(fā)展方向

  無人機(jī)遙感技術(shù)作為繼航空、航天遙感之后的第三代遙感技術(shù),有效彌補(bǔ)了當(dāng)前衛(wèi)星遙感和航空遙感的技術(shù)缺陷,而且具有價格便宜、安全性好、操作靈活等優(yōu)點(diǎn),隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及人們對環(huán)保監(jiān)測的要求的進(jìn)一步提高,其在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛而深入。

  加強(qiáng)小型化、輕型化且性能優(yōu)異的機(jī)載環(huán)境監(jiān)測設(shè)備研發(fā)

  我國無人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用尚處于發(fā)展初期階段,受載荷和空間限制,傳統(tǒng)的大部分環(huán)境監(jiān)測傳感器無法滿足系統(tǒng)要求,而現(xiàn)使用的大部分設(shè)備如高質(zhì)量的分析儀、專用監(jiān)測儀器和自動監(jiān)測系統(tǒng)等多是國外引進(jìn)的,價格昂貴,因此我國需要加強(qiáng)體積小、重量輕、精度高、存儲量大、性能優(yōu)異的機(jī)載環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的研發(fā),即在現(xiàn)有環(huán)境監(jiān)測設(shè)備基礎(chǔ)上,減小重量體積,增大功能密度??刹扇〉拇胧┲饕ǎ孩倮酶邚?qiáng)度輕質(zhì)材料,降低傳感器組件的體積和重量;②改進(jìn)內(nèi)部布局,提高集成度,拓展無人機(jī)的任務(wù)能力;③研發(fā)可擴(kuò)展性和測控能力強(qiáng)的監(jiān)測設(shè)備,如能夠進(jìn)行多種質(zhì)量(空氣、水質(zhì)、噪聲)自動監(jiān)測系統(tǒng)以及污水、廢氣、污染源主要污染物排放總量在線連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng);④集成多種新技術(shù)以提高效能。除此之外,面向大氣、水等環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的無人機(jī)遙感技術(shù)尚處于初級階段,在很多指標(biāo)監(jiān)測方面的傳感器有待于進(jìn)一步開發(fā)。在技術(shù)上,在設(shè)備小型化、輕型化、集成化的背景下,可發(fā)展紅外、紫外遙感遙測儀器儀表和基于激光光源的監(jiān)測靈敏度更高的長光程吸收光譜儀(激光雷達(dá)),用于城市大氣環(huán)境和城市污染源的高時空分辨率探測;研制開發(fā)便攜式現(xiàn)場污染事故應(yīng)急監(jiān)測儀器。

  加強(qiáng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究與軟件開發(fā),提高數(shù)據(jù)分析的精度和效率

  無人機(jī)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過程中有其自身的特殊性,如低空飛行、姿態(tài)不穩(wěn)定、姿態(tài)參數(shù)少等。傳統(tǒng)航空數(shù)據(jù)處理方式在無人機(jī)數(shù)據(jù)處理過程中的適用性往往相對較差,開展針對無人機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)與軟件開發(fā),提高數(shù)據(jù)分析的精度和自動化是實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用重要手段之一。例如,針對無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù),應(yīng)加強(qiáng)無控制點(diǎn)、姿態(tài)參數(shù)少情況下的圖像匹配與糾正技術(shù)研究,開發(fā)相關(guān)軟件,提高影像數(shù)據(jù)處理的精度與效率;而針對其他環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù),如何與地面監(jiān)測指標(biāo)集成處理,實(shí)現(xiàn)空地一體化數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用也是無人機(jī)遙感技術(shù)研發(fā)的一個重要方向。

  提高數(shù)據(jù)鏈路傳輸能力

  隨著無人機(jī)機(jī)載能力與數(shù)據(jù)精度需求的提高,對數(shù)據(jù)鏈傳輸能力在數(shù)據(jù)傳輸速率、抗干擾能力以及作用距離等方面提出了更高的要求。而無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)主要表現(xiàn)在無線傳輸環(huán)境的半物理仿真、基于軟件無線電的自適應(yīng)數(shù)字下變頻技術(shù)、非對稱調(diào)制的抗干擾體制和基于圖形化編程語言Agilent VEE以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的微波儀表功能集成與遠(yuǎn)程控制技術(shù)。除加強(qiáng)上述關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)之外,數(shù)據(jù)鏈的通用化、系列化與模塊化也是國內(nèi)外無人機(jī)系統(tǒng)主流的重要發(fā)展趨勢之一。因此,未來還應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制。

  無人機(jī)航空遙感作為一項(xiàng)有潛力的環(huán)境監(jiān)測技術(shù),在過去的幾十年里得到了快速的發(fā)展。目前我國已經(jīng)提出了建立“天空地”一體化環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)想,無人機(jī)在大氣、海洋、水體、地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)等多個環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的研究已經(jīng)陸續(xù)開始,相信隨著無人機(jī)平臺技術(shù)、環(huán)境傳感器技術(shù)、環(huán)境遙感技術(shù)的不斷成熟,基于無人機(jī)遙感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)將以其諸多難以替代的優(yōu)勢在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮日益重要的作用。

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