低空航測的系統(tǒng)工程問題分析

穆峰++張遠波

摘 要：低空航測近年來在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、民用、軍事等領域獲得了極大的發(fā)展，該項技術正在極大地改變著社會的發(fā)展，促進著經(jīng)濟的增長。在低空航測的發(fā)展過程中，低空航測技術也遇到了一定的技術難題，需要對其進行大量的研究分析，對低空航測進行研究時，可以采用系統(tǒng)工程的觀點和方法進行研究。一般的低空航測系統(tǒng)主要由飛行系統(tǒng)、信息傳感器、軟件等平臺共同協(xié)調(diào)一起完成航測任務。航測技術的精準性主要取決于內(nèi)部系統(tǒng)和外部約束條件，由于一般而言外部約束條件無法改變，因此如何優(yōu)化系統(tǒng)，使得系統(tǒng)在不同外界條件下得到最好的航測效果是一個重要的研究方向。文章重點論述了低空航測的影響因素，對低空航測因素中的圖像處理進行了重點介紹。

關鍵詞：航測系統(tǒng)；研究；約束條件；圖像處理

中圖分類號：P231 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）29-0053-02

引言

雖然衛(wèi)星以及一些高空航拍為我們帶來了極大的方便，但是這些航拍技術也存在一定的技術瓶頸，高空中的云層，陰雨天氣以及幾年來較為嚴重的霧霾天氣會對航拍中成像產(chǎn)生很大的影響。由于這些干擾噪聲的影響使得系統(tǒng)無法對目標進行準確的輪廓識別等相關算法，因此在這種情況下，低空航測應用而生，低空航測具有成本低，機動性好，成像清晰等特點，但是在國內(nèi)該項技術還沒有展開充分完備的調(diào)查，本文將從系統(tǒng)的觀點對該項技術進行相關闡述。

1 低空航測的要素分析

低空航測系統(tǒng)是一個完整的系統(tǒng)，包含軟硬件。所謂系統(tǒng)就是各部分之間協(xié)調(diào)配合共同完成低空航測任務，系統(tǒng)間各部分不是孤立的。傳感器采集數(shù)據(jù)完畢后，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器將模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息傳遞給上位機或者單片機再對該數(shù)字信息進行分析最終輸出結果，整個這個過程需要各部分的配合，缺一個不可，因此制約低空航測技術有很多因素。正是這種系統(tǒng)之間相互配合以及各部分獨立使得低空航測也具有一定的優(yōu)勢。

1.1 低空光學優(yōu)勢

首先第一個優(yōu)勢是很明顯的一個優(yōu)勢。由于低空航測最大的一個特點就是低，也正是由于低這一特點使得航測技術獲得了一個質(zhì)的飛躍。根據(jù)光學中平面感光定理，如地表有一待成像目標，設其所具有的光學能量為Q，則在傳遞過程中，該光學強度降符合以平方反比的規(guī)律進行衰減，也即任意時刻的光能量q遵循以下表達式：

q=K■

因此低空航拍中，目標物光能量衰減更小，相機能夠?qū)ζ溥M行更好的成像。

1.2 實際航拍飛行的速度位置因素

隨著低空航拍這一優(yōu)勢的產(chǎn)生隨之也產(chǎn)生了一個缺點，低空航拍大大解決了相機成像不清晰等缺點，但事實上想充分利用好這一點也是比較困難的。另外，在低空航拍中，一般都采用無人機，低空航測由于飛行距離較低，因此航測系統(tǒng)會經(jīng)常出現(xiàn)在環(huán)境十分復雜的上方，例如崇山峻嶺，都市高樓等，處于這樣的環(huán)境中，無人機系統(tǒng)必須要具有靈敏的速度位置控制系統(tǒng)。例如在大都市之間飛行進行地圖航拍時，由于都市建筑物高低不一，因此無人機在飛行過程中必須實時探測周圍的環(huán)境，并將信息實時通過傳感器傳遞給上位機進行判斷處理以改變無人機當前飛行的速度或加速度進而避免產(chǎn)生碰撞。另外想實現(xiàn)無人機實時靈活的改變飛行的速度和位置還必須從動力學方面考慮，由于無人機體積較小發(fā)動機等各方面都收到極大的限制，因此必須對該系統(tǒng)進行合理的規(guī)劃以期在滿足最小質(zhì)量的同時能夠裝載最好的發(fā)動機和控制系統(tǒng)。

1.3 相機曝光時間

第三個因素也正是由于低空因素造就的。上文已經(jīng)論述過在低空條件下，被測目標光能量較大，也正是這一優(yōu)點給成像帶來了另外一個好處。由相繼曝光方程可以知道，當鏡頭光圈和曝光常數(shù)為定值時，被測景物亮度越大時，相機獲得的曝光時間就越短，就越能獲得分辨率更高，更清晰的圖像。另一反面，由于無人機體積、質(zhì)量等約束，目前低空航測使用的相機均為小型相機，小型相機的感光面積以及視角都十分小，在低空飛行時，相機能夠采集到的圖像信息將特別少，這不利于低空航測的進行。另外，這些小型相機特別容易產(chǎn)生畸變，因此在進行低空航測前需要精準校正和畸變校正。

1.4 圖像處理優(yōu)化

由于在低空航拍過程中，相機隨著無人機處于不停的動作當中，因此采集的照片極易產(chǎn)生抖動或光學噪聲，另外在低空中，一些容易干擾目標的噪聲也對成像產(chǎn)生著較大的影響。因此對于這些噪聲必須濾除。濾除噪聲一方面可以從硬件系統(tǒng)方面考慮，無人機在飛行過程中可以改善無人機的速度控制系統(tǒng)，減少無人機的抖動，還可以增大無人機圖像采集視場，使得無人機能夠有較長時間來判斷當前與危險物的相對位置，避免出現(xiàn)緊急大范圍改變速度的情況，減少大慣量輸入，由于硬件等制約方面較多，因此在實際設計時，不能單從硬件方面考慮，還應從圖像處理方面考慮，在相機采集圖像完畢后，對圖像進行相關的圖像處理能夠使得圖像具有更好的圖像效果。一般的，在完成圖像采集時，首先應對圖像進行濾澡處理，目前最常使用的有兩種非線性濾波和三種線性濾波，使用這幾種濾波方式可以在不同情況下取得不同的效果。濾波完成之后可進行圖像增強技術，圖像增強可使得圖像的輪廓更加清晰，便于一些統(tǒng)計特征的提取，另外對于一些不是提取所有航拍特征的航拍過程還可以再加入圖像的二值化，二值化后的圖像將實際目標與背景明確的分別出來使得目標更加清晰。總之，由于低空航拍的特點使得圖像可能存在較多噪聲，對于這些噪聲完全可以從軟硬件兩方面進行考慮進而改善圖像質(zhì)量以便于提高低空航測的技術。

2 低空航測系統(tǒng)制約因素

系統(tǒng)制約因素是指非系統(tǒng)內(nèi)部但是影響系統(tǒng)工作的一些不利因素。研究這些系統(tǒng)的制約因素，對于突破當前的低空航測技術瓶頸至關重要。一般來說，對于低空航測主要有以下制約因素。

2.1 空管因素

首先是空管因素。無人飛行物在空中飛行時世界各國對飛行物根據(jù)質(zhì)量對其飛行高度都有明確的規(guī)定。目前來說，世界各國普遍認為航測無人機不會對人類造成傷害的最大質(zhì)量為15kg，最高的飛行高度為150m。因此，基于對低空航拍技術的無人機研制應當緊抓這一制約因素。基于這一條件對無人機各方面性能進行開發(fā)研制。endprint

2.2 有人駕駛相關空管約束

當飛機有人駕駛時，其空管約束與無人駕駛又有不同。根據(jù)規(guī)定，在城市進行航測時，飛機最低飛行高度不得低于300m，但事實上，目前城市建筑物建筑較高，有人駕駛飛機一般最低飛行高度為600m。

2.3 其他因素

其他一些如經(jīng)濟環(huán)保等因素對低空航測也有這較大影響。低空航測技術是不是在所有的航測領域中，屬于低成本、高經(jīng)濟性的選擇。而且，隨著環(huán)保壓力的提升，低空航測的環(huán)保性也逐漸成為一個關注因素。總之，這些因素在研發(fā)過程中也應當被列入重點研究中。

3 低空航測系統(tǒng)優(yōu)化

目前，大部分航測任務均由衛(wèi)星和高空航測來完成，低空航測是作為對這兩種方式的補充，由于低空航測正是由于云層遮擋等因素使得高空航測獲取圖像像素較低導致，因此低空航測一個最重要的因素就是要實現(xiàn)圖像高精度獲取。在提高圖像像素的方法中既要考慮圖像質(zhì)量問題也要考慮經(jīng)濟因素，因此不可以單純從硬件方面來提高圖像質(zhì)量。隨著圖像處理技術的日益成熟以及opencv開源庫的發(fā)展，圖像后期處理日益成熟。在低空航測圖像獲取后，可先進行圖像濾澡處理，濾澡處理可以將圖像中噪點濾除掉進而獲得預處理圖像，由于低空航拍可能獲取圖像不夠清晰，因此在圖像濾澡完畢后，對圖像進行增強處理，使得圖像中目標圖像輪廓更加清晰。在一些對輪廓要求較高的場合中，還需對圖像進行輪廓識別。另外，對于圖像進行二值化處理也是一個很重要的過程。二值化后的圖像將更利于圖像統(tǒng)計特征的提取，例如對于圖像的質(zhì)心、面積、方差、標準方差等的計算獲取。總的來說，對于提高低空航測技術來說，可以從軟硬件兩方面出發(fā)，在考慮經(jīng)濟因素的前提下當硬件技術達到瓶頸時，應充分從圖像處理算法角度來考慮提高航測技術。

4 結束語

低空航測技術近年來取得較大發(fā)展，完成了衛(wèi)星和高空航拍不能完成的任務。低空航測中存在較多因素影響航測技術，如何提高低空航拍技術可從軟硬件兩方面同時考慮，尤其是對圖像處理算法、控制系統(tǒng)控制策略，控制算法的改進將使整個航拍技術得到質(zhì)的提升，同時整個航測系統(tǒng)也會得到優(yōu)化。

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