无人驾驶飞行器与遥感

无人驾驶飞行器与遥感来源：中华地图网时间：2008-05-1415:15遥感技术为资源调查、环境监测提供了有力的手段，被广泛用于土地利用动态监测、矿产资源勘探、地质环境与灾害勘察、地籍测量、地图更新等领域。随着国土资源调查和管理的不断深化和应用的不断扩展，对遥感影像数据的需求日趋显著。各种遥感平台可以为我们获取大量的多时相、多光谱、多分辨率的丰富影像数据。按照高度划分，目前的遥感平台大体可分为航天遥感、航空遥感和地面遥感，这三类平台获取的遥感影像数据可以结合起来应用。航天遥感是利用各种太空飞行器作为平台的遥感系统，以人造卫星为主，包括载人飞船、航天飞机、太空站和各种行星探测器；航空遥感是利用在大气层内飞行的各类飞机、飞艇、气球等作为遥感平台的遥感系统；地面遥感是利用支架、高塔、车、船、建筑物等作为平台的遥感系统，主要用于近距离测量地物波谱和获取地物细节影像。在航空遥感平台中，无人驾驶飞行器遥感系统由于具有机动、快速、经济等优势，已经成为世界各国争相研究的热点课题，现已逐步从研究开发发展到实际应用阶段，无人驾驶飞行器的市场也逐渐成熟，将成为未来的主要航空遥感平台之一。无人驾驶飞行器的种类及特点:无人驾驶飞行器是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器。无人驾驶飞行器结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务，如危险区域的侦察、空中救援指挥和遥感监测。无人驾驶飞行器出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用遥感飞行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，无人驾驶飞行器系统的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人驾驶飞行器的类型已达数百种之多。续航时间从一小时延长到几十个小时，任务载荷从几公斤到几百公斤，这为长时间、大范围的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。按照系统组成和飞行特点，无人驾驶飞行器可分为固定翼型无人机、无人驾驶直升机和无人驾驶飞艇等种类。固定翼型无人机通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强，是类型最多、应用最广泛的无人驾驶飞行器。其发展趋势是微型化和长航时，目前微型化的无人机只有手掌大小，长航时无人机的体积一般比较大，续航时间在10小时以上，能同时搭载多种遥感传感器。起飞方式有滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等；降落方式有滑行、伞降和撞网等。固定翼型无人机的起降需要比较空旷的场地，比较适合林业和草场监测、矿山资源监测、海洋环境监测、城乡结合部的土地利用监测以及水利、电力等领域的应用。无人驾驶直升机的技术优势是能够定点起飞、降落，对起降场地的条件要求不高，其飞行也是通过无线电遥控或通过机载计算机实现程控。但无人驾驶直升机的结构相对来说比较复杂，操控难度也较大，所以种类不多，实际应用也比较少。飞艇是通过艇囊中填充的氦气或氢气所产生的浮力以及发动机提供的动力来实现飞行。它的出现和应用比飞机还要早，1884年世界上最早的实用飞艇试飞成功。此后，飞艇作为当时最为成功的载人飞行器登上历史舞台，并在空中称霸一时。飞艇的飞行因为受大风和雷雨的气候条件影响比较大，到20世纪30年代，随着飞机的逐渐完善化和实用化，飞艇被飞机取代。但是无人驾驶飞艇独特的技术优势，使人们从未放弃对它的开发和应用，大型飞艇可以搭载1000公斤以上的载荷飞到20000米的高空，留空时间可以达一个月以上；小型飞艇可以实现低空、低速飞行，作为一种独特的飞行平台能够获取高分辨率遥感影像，同时，无人驾驶飞艇系统操控比较容易，安全性好，可以使用运动场或城市广场等作为起降场地，特别适合在建筑物密集的城市地区和地形复杂地区应用，如城市地形图的修测、补测，数字城市建立时的建筑物精细纹理的采集、城市交通监测、通讯中继等领域。急需解决的关键技术无人驾驶飞行器遥感系统以获取高分辨率遥感数据为应用目标，通过3S技术在系统中的集成应用，达到实时对地观测能力和遥感数据快速处理能力。要使其成为理想的遥感平台，有多个关键技术需要解决：遥感传感器技术根据不同类型的遥感任务，开发相应的机载遥感设备，如高分辨率CCD数码相机、轻型光学相机、多光谱成像仪、激光扫描仪、磁测仪、合成孔径雷达等，选用的遥感传感器应具备数字化、体积小、重量轻、精度高、存储量大、性能优异等特点。传感器及其姿态控制技术遥感传感器的控制系统要能够根据预先设定的航摄点、摄影比例尺、重叠度等参数以及飞行控制系统实时提供的飞行高度、飞行速度等数据自动计算并自动控制遥感传感器的工作，使获取的遥感数据在精度、比例尺、重叠度等方面满足遥感的技术要求。对于抗风能力弱、飞行稳定性差的无人驾驶飞行器（如飞艇），应给遥感设备加装三轴稳定平台，以保证获取稳定的、清晰的高质量影像，遥感传感器的位置数据和姿态数据最好能够实时记录并存储，以便用于遥感数据的处理，提高工作效率。遥感传感器定标及遥感数据传输存储技术无人驾驶飞行器搭载的主要遥感传感器为面阵CCD数字相机，而目前国内市场上的小型专业级数字相机还不能达到量测相机的要求，所以，为使获取的遥感影像能够满足大比例尺测图的精度，应根据相机的几何成像模型，作相关的检校工作，得到相机的内外参数，必要时需要采用特殊的检测手段，测定每个像元的畸变量。另外，大面阵CCD数字相机获取的影像数据量较大，需开发专用的数据传输和存储系统。飞行器的测控数据和遥感数据需要实时传输时还可以通过卫星通讯来实现。遥感数据的后处理技术目前的无人驾驶飞行器遥感系统多使用小型数字相机作为机载遥感设备，与传统的航片相比，存在像幅较小、影像数量多等问题，所以应针对其遥感影像的特点以及相机定标参数、拍摄时的姿态数据和有关几何模型对图像进行几何和辐射校正，开发出相应的软件进行交互式的处理。同时还应开发影像自动识别和快速拼接软件，实现影像质量、飞行质量的快速检查和数据的快速处理，以满足整套系统实时、快速的技术要求。系统集成技术无人驾驶飞行器遥感系统属于特殊的航空遥感平台，技术含量高，涉及航空、自动化控制、微电子、材料学、空气动力学、无线电、遥感、地理信息等多个领域，组成比较复杂，加工材料、动力装置、执行机构、姿态传感器、航向和高度传感器、导航定位设备、通讯装置以及遥感传感器均需要精心选型和研制开发。应根据遥感的技术要求和无人驾驶的特点，在系统的集成上重点攻关，达到工程化、实用化。无人驾驶飞行器遥感系统的应用中国测绘科学研究院多年来一直致力于无人驾驶飞行器遥感系统的研制、开发，先后研制出多种型号的无人驾驶飞行器遥感系统，并投入应用。2003年研制完成的UAVRS－Ⅱ型低空无人机遥感监测系统已通过国土资源部组织的部级验收。为使该系统具有良好的性能并达到实用化，项目组在系统研制过程中进行了多项技术创新：解决了无人机程控平行航线飞行和程控姿态稳定的难点，实现了大比例尺航摄的面积覆盖；在国内首次研制成功车载起飞装置，实现了无人机在公路和草地等场地的起降；通过精密相机检校，使普通面阵数码相机可用于航空摄影；研制成功三相机组合宽角摄影系统；利用无人驾驶飞行平台实现了多面倾斜摄影构造三维模型影像。2003年4月至10月，在数字威海三维地理空间基础框架项目实施过程中，为解决威海市地面建筑物高清晰度倾斜遥感影像获取的技术难点，项目组应用自主研究开发的无人驾驶飞行器控制技术，以飞艇作为飞行平台，开发出UAVRS－F型无人驾驶飞艇低空遥感系统在项目实施过程中发挥了重要作用，完成了威海市区60余平方公里范围内地面目标物四面倾斜影像的拍摄任务，获取影像3万余张。使用无人驾驶飞行器拍摄如此大面积的遥感影像在国内尚属首次。