無人駕駛飛機在湖南國土資源管理中的應用

黃華明,湯仲安

(湖南省測繪科技研究所,湖南 長沙 410007)

無人駕駛飛機在湖南國土資源管理中的應用

黃華明,湯仲安

(湖南省測繪科技研究所,湖南 長沙 410007)

針對航空攝影和衛星遙感受諸多因素制約的缺陷,開展無人駕駛飛機在湖南國土資源管理中的應用研究。從無人飛機系統特點、系統組成、技術設計方案3方面入手,分析此技術方法的可行性,并獲得理想實用的航攝效果。

無人駕駛飛機;國土資源管理;遙感

近年來,無人機遙感監測技術發展迅速,成為國內外研究開發熱點,逐步應用到社會各領域。在國外,美國等發達國家已將該技術大量應用于國土、林業、環保、軍事等眾多領域。在國內,只有幾家科研機構、大學、公司從事無人機技術的研究開發和應用,在國土資源管理領域的應用研究剛剛起步。

2008-05-05,湖南省人民政府下發《湖南省人民政府關于加強測繪工作的通知》(湘政發〔2008〕10號),明確指出:“加強應急測繪裝備建設,建立無人機航空遙感數據采集處理系統”。在湖南省科技廳和國土資源廳的支持下,《無人機遙感監測系統》很快通過立項,由湖南省測繪科技研究所承擔該項目。幾個月來連續進行澧縣縣城規劃的試飛試驗、瀏陽土地整理設計的飛行試驗、醴陵土地節約集約利用的飛行試驗,取得初步成效。

1 系統特點

無人機數碼攝影測量技術是綜合利用先進的無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙控程控技術、通訊技術、GPS差分定位技術的遙感應用技術,具有自動化、智能化、專用化快速獲取國土、資源、環境等空間遙感信息,完成遙感數據處理、建模和應用分析的應用技術,是繼衛星遙感和普通航空攝影測量技術之后,發展起來的一種新型航空遙感技術手段,該技術具有如下獨特優勢。

1.1 使用成本低、操作簡單

該系統自動化程度高、操作培訓簡單,可以根據任務需要隨時工作。無人機起降采用彈射起飛、傘降降落方式,飛行高度可達4 000 m以上,完全可以適應湖南省的各種地形地貌地區應用。無人機能低空云下攝影,再加上其快速機動性能,可航攝飛行的天氣遠多于普通航空攝影(見圖1～圖3)。

1.2 機動快速的響應能力

在接到航攝任務后,該技術系統可以做到快速出動、快速獲取、快速處理、快速分析判別,具有成圖周期短、時效性強等特點。

1.3 高分辨率航空影像獲取能力

該系統能夠獲取優于8 cm的高分辨率影像,影像色彩豐富、清晰、直觀、準確,能夠滿足大比例尺成圖、地類判別、土地信息提取等,可作為重要的決策依據。

1.4 航攝影像的快速處理能力

該系統采用數字遙感設備,獲取的高分辨率影像可直接傳入計算機內處理。通過專用的自動空三、自動糾正、自動拼接、矢量測圖軟件快速生成土地開發整理所需的DEM、正射影像圖、地形圖等數據(見圖 4)。

圖4 瀏陽土地整理片局部航攝成果

2 系統組成

系統由無人機子系統、任務載荷子系統、數據處理子系統等組成,見圖5。

圖5 無人機監測系統構成

2.1 無人機子系統

1)研制的小飛機按照工程化、實用化要求,進行氣動布局設計、風洞試驗、震動和沖擊試驗。

2)基于微小型陀螺、加速度計、氣壓高度表、GPS芯片實現小型無人機控制與導航系統集成,并對其進行電磁兼容、抗干擾試驗。

3)地面站硬件設備選用性能良好的工控計算機和數傳電臺,抗震動、抗沖擊、抗干擾,遙測遙控一體化,既能架設在地面也可集成到車輛中。

4)遙控系統軟件界面設計要簡單、易掌握、功能全。在選用電子地圖、掃描后地形圖、衛星影像等作為底圖后,通過點擊鼠標即可進行航線規劃、指令發送,要做到用鼠標就能夠“指揮”無人機飛行;顯示無人機位置、高度、飛行方向、飛行軌跡等遙測信息;顯示數碼相機的工作狀態、曝光點位、像片數量等信息。

5)開發彈射起飛和傘降裝置,使無人機能在田間地頭、空地、沙灘、草地等處起飛和降落,滿足各種地形地貌地區的應用。

2.2 任務荷載子系統

1)選用數碼相機或數碼攝像機作為任務荷載,集成到無人機系統中,形成無人機遙感平臺。

2)數碼相機通過自動控制系統實現定點、定時、等間距曝光。

3)選用視頻圖像傳輸設備,用于監測區視頻圖像的實時傳輸、瀏覽和存儲;機上搭載數碼攝錄機和圖像發射機,地面為圖像接收機和監視器。

4)開發POS裝置并集成到系統中,自動采集每張遙感影像曝光時刻的位置、姿態、方向數據,在獲取影像同時獲取其定位信息,為遙感影像數據的快速處理提供初始值。

2.3 數據處理子系統

1)利用POS數據,現場1 h內實現遙感影像飛行質量的自動檢查。

2)現場實現遙感影像的預處理、空三平差、粗糾正、快速拼接。

3)提供所需的標準化數據格式,通過影像匹配技術,自動提取地物變化區域的信息,自動生成數據報表。

3 技術設計

本系統研究集航空、人工智能、測繪、信息系統等多門學科于一體,涵蓋了導航、航空遙感、攝影測量、大地測量、通訊、計算機、土地規劃、制圖、信息系統等多種專業,具有較強專業性和復雜性。在研究過程中,把握好先進性和實用性原則,做到統一規劃、統一設計、統一管理和統一協調,使無人機航飛遙感、外業控制測量、外業調繪、內業數據處理和成圖等每項技術工作達到高度統一,各項成果達到高效率、高質量、高標準,見圖6。

3.1 技術路線

無人機具體技術路線見圖6。

圖6 無人機設計路線

3.2 作業流程

目的論有三個指導原則，分別是目的原則，連貫原則和忠誠原則。這三個原則之間有先后等級之分，連貫的優先級高于忠誠，同時這兩個原則要以目的原則為前提[2]。在該理論的視角下，一切翻譯行為都必須首先服從“目的原則”，也就是譯文應該根據所要達到的效果進行語言上的組織，同時還應該被目的語讀者接受[3]。譯文所要達到的效果是譯者選擇翻譯技巧首要需要考慮的因素，也就是效果決定技巧[4]。連貫的核心思想是翻譯成果被目的語讀者理解，符合其閱讀習慣和思維方式。在忠實原則視角下，譯文應該最大限度地再現原文的內容和神韻，但是再現程度根據譯文所要達到的功能而有所不同。

無人機具體作業流程見圖7。

圖7 無人機作業流程

3.3 關鍵技術研究及存在的問題

1)系統集成技術。將無人駕駛飛行平臺、機載遙感設備、GPS導航定位裝置、GIS地圖數據、地面監控系統等進行集成,實現“3S”集成應用。開發的程控和自主飛行系統可減少系統操作人員工作難度、提高系統的控制精度。通過多次試驗研究改造,集成度大大提高,重量越來越輕,體積越來越小,操作越來越簡便。但集成空間還很大,有待進一步研究。

2)飛行安全技術。飛機的安全關鍵是起飛和降落,由于飛機小而輕穩定性差,抗干擾性弱,小飛機跑道滑行受損、墜落的現象高于大飛機?，F在從跑道式起飛改成彈射式起飛,安全性大為提高,但安全性還遠低于大飛機。此外傘降的危險性和對飛機的損傷始終存在。

3)相機定標技術。為使獲取的影像滿足大比例尺測圖精度要求,需對專業相機進行精確檢校。根據相機幾何成像模型作相關檢較工作,得到相機內、外參數。使用現有檢校場對相機進行定期檢測,對CCD芯片和鏡頭產生的不規則畸變測定逐個像素的畸變量。運用相關數學模型編制專門軟件自動對影像進行畸變糾正處理。

4)大比例尺成圖技術。因為試驗處于技術開發階段,目前,只能處理1∶10 000比例尺地形圖要素的更新工作,更大比例尺的處理技術尚不成熟。此外,目前使用的是單鏡頭相機,不利于成圖,有待將來使用多鏡頭相機進行航攝。

4 應用前景探討

進行城鎮規劃、土地整理設計、土地節約利用等方面的飛行試驗,效果比較理想,很受用戶的歡迎。

目前,土地監測工作主要采用人員地面檢查、衛星遙感技術和傳統航空攝影技術,但這3種方法均有其不足之處:

1)地面檢查方式需要大量人力、物力、效率低下;

2)衛星遙感影像數據采購周期長、衛星影像的分辨率較低;

3)航空攝影受空域管制和氣候等因素制約,且成本高。

為了對我省重點地區和熱點地區實現滾動式循環監測,對違規違法用地、濫占耕地、破壞生態環境等現象做到及早發現、及時制止,迫切需要從技術上開發并建立更加快速、高效、直觀的國土資源監察系統。無人機遙感監測技術由于具有機動快速、影像實時傳輸、高危地區探測、成本低、機動靈活等優點,無疑成為衛星遙感與傳統航空攝影技術的有力補充。

4.2 礦山資源監測的需要

近年來,礦產資源開發秩序混亂。整頓和規范礦產資源開發秩序,需要利用有效地監測技術手段全面、快速、準確、動態地調查礦山的數量、分布、性質、勘察和開采情況,為礦產資源開發監督管理部門提供決策依據。

利用無人機遙感監測系統在我省開展礦山資源環境監測工作,能夠獲取礦山環境實時影像,為及時查處和糾正礦產資源開發中出現的問題,規范和整頓礦產資源管理和開發秩序,保障國家礦產資源開發的可持續發展,具有十分重要的現實意義。

4.3 測繪管理的需要

無人機遙感監測系統遵循航空攝影測量原理?；诟叻直媛蔬b感影像制作出測繪所需的大比例尺數字正射影像圖(DOM)、數字高程模型(DEM)和數字線劃圖(DLG)。在大比例尺數字產品基礎上進行制圖,能夠快速更新國家基本比例尺地形圖。

4.4 其他行業各領域的應用

無人機提供的地面彩色正射影像圖其分辨率達8 cm,能夠準確計算出熱點面積、長度、高程等信息,應用領域廣闊。

城鎮建設規劃:基于高分辨率城鎮影像圖,可對現有城鎮規模結構、職能分工和空間布局進行合理調整,科學制定區域交通、通信、能源、供水、排水、防洪等布局規劃,發揮城鎮整體效益。

自然災害監測:我國(特別是湖南省)是自然災害頻發的地方,災害類型繁多,地類復雜?；跀底终溆跋駡D,災害發生前,可做好相應防范工作;災害發生中,可及時了解災害現狀,預測蔓延趨勢,做好應急決策;災害發生后,進行災后損失評估,做好相應善后等工作。

水利部門應用:基于數字正射影像和數字高程模型,不僅能為大型水工建筑物(橋梁、堤壩、水庫、閘門等)提供選址服務,還能實時監測其施工進程;此外,還可以進行水資源調查、水環境監測、水土保持監測和泄洪區淹沒范圍預演等,便于防汛指揮調度。

5 結束語

無人機遙感監測系統具有造價低、性能強、機動性高等優點,是對傳統的航空攝影測量技術、現代遙感技術、圖像處理技術、GPS等多種學科繼承和發展,獲取的高分辨率影像能夠為社會各部門提供快速及時信息,從而增強決策能力和服務水平,具有廣闊的開發價值和推廣應用前景。系統不但滿足國土資源,也滿足城市規劃、城鄉建設、環境監測、防災減災、精細農業及交通管理等多種現代化、信息化管理需求,是促進我省社會經濟發展必備和急需的現代空間數據獲取裝備,最終可建成一個多用途的綜合信息服務系統。

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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

國家科技支撐計劃項目(2008BAJ11B03-04)

黃華明(1954-),男,高級工程師.

[責任編輯李銘娜]