第3章-无人机遥感任务设备

无人机遥感测绘技术及应用

第3章无人机遥感任务设备3.1无人机遥感任务设备类型无人机遥感的功能载荷的种类较多，可分为被动式遥感任务设备、主动式遥感任务设备和航空遥感通用辅助任务设备。红外数字图像采集器（红外相机），设计用来取景，存储和记录通过红外光源发出的光线，例如砷化镓、红外发光二极管功能的相机，同时它也应用于红外显微或红外发光、记录检验、分辨性能、自补偿等范围。多光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。机载激光雷达，是激光探测及测距系统合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达。3.2航空定位定向系统（POS）定位定向系统（PositioningandOrientationSystem，POS）集DGPS和惯性导航系统（INS）为一体。POS系统主要包括GPS接收机和惯性测量单元IMU（InertialMeasurementUnit）两个部分，所以也称为GPS/IMU集成系统。DGPS：差分全球定位系统，在GPS的基础上利用差分技术使用户能够从GPS系统中获得更高的精度。实际上是把一台GPS接收机放在位置已精确测定的点上，组成基准台。基准台接收机通过接收GPS卫星信号，测得并计算出到卫星的伪距，将伪距和已知的精确距离相比较，求得该点在GPS系统中的伪距测量误差，再将这些误差作为修正值以标准数据格式通过播发台向周围空间播发。附近的DGPS用户接收到来自基准台的误差修正信息，以此来修正自身的GPS测量值，从而大大提高其定位精度。3.2.1POS系统组成POS主要硬件部分包括惯性导航系统、DGPS与POS系统计算机系统，POS还包含一套事后处理软件用于融合数据事后处理，其组成示意图如图3-1。3.2.2POS系统工作原理惯性导航系统INS是由惯性测量单元IMU和控制系统组成，IMU又包括3个加速度计、3个自由度陀螺仪以及必要的数字电路和图形处理器，利用3个加速度计测量载体在三轴方向上的平移加速度、一次积分获取载体的瞬间速度，同时，陀螺仪可以记录三轴在导航坐标系中的姿态角，并给出载体航向，以此实现对载体的导航工作。3.2.2POS系统工作原理ＧＰＳ是目前应用最为广泛的定位和导航系统，可以为用户提供实时的空间坐标信息、速度信息和精确授时。差分全球定位系统ＤＧＰＳ技术是在已知点位上安装设置ＧＰＳ基准站，对目标点位置接收机进行同步观测，基于基准站空间坐标信息和改正参数，对目标点数据进行求差改正，并综合全部观测数据进行平差计算，获取精确的三维坐标。3.2.2POS系统工作原理ＩＭＵ可以实现导航的完全自主化，降低了外界信息的依赖性，可以提供较高精度的导航、速度和航向等信息，但采用ＩＭＵ的系统的导航精度完全取决于自身系统的精确性，这样就造成定位误差的时间积累。ＤＧＰS技术定位精度高，可以全天候进行连续定位，误差不随工作时长而积累，但采用ＤＧＰＳ技术的系统为非自主系统，不能实时提供姿态参数等，在运动过程中不易跟踪和捕获卫星信号，会造成定位精度的下降，因此采用基于卡尔曼滤波的方式将二者进行组合，形成互补，通过信息传递、数据融合和最优化求解，就可以获得运动过程中高精度的导航系统。为什么使用POS系统？3.2.3商用POS系统目前商用的ＰＯＳ系统主要有两种：一种是加拿大Ａｐｐｌａｎｉｘ公司的ＰＯＳＡＶ系统；另一种是德国ＩＧＩ公司开发的ＡＥＲＯｃｏｔｒｏｌ系统。3.2.4POS系统后处理（１）ＰＯＳＧＰＳ：用于求解机载ＧＰＳ相位中心的三维空间坐标。将地面基准站的观测数据与机载接收机的观测数据同时进行处理，利用载波相位差分定位技术提高ＧＰＳ的定位精度。（２）ＰＯＳＰｒｏｃ：利用ＩＭＵ的姿态观测数据、ＰＯＳＧＰＳ模块输出的机载定位结果及其他相关参数，采用Ａｐｐｌａｎｉｘ公司的专利算法，消除不同类型数据之间的不相容性，最终计算并输出传感器透镜中心的三维空间位置、ＩＭＵ姿态角信息和速度等导航信息。（３）ＰＯＳＣａｌ：利用ＰＯＳＰｒｏｃ模块的输出结果、外部输入的影像像点坐标和地面控制点坐标数据，计算航摄相机的检校参数和ＰＯＳ系统的视准轴误差检校参数。（４）ＰＯＳＥＯ：根据ＰＯＳＰｒｏｃ模块的输出结果和用户选定的坐标系统，输出摄影测量计算时所需要的每幅影像的六个外方位元素。

可实现：3.3可见光相机系统无人机遥感传感器：70%光学数码相机：单反微单卡片数码相机3.3可见光相机系统3.3.1可见光相机发展现状

在直接用于无人机遥感的普通民用数码相机研制方面，我国与日本、美国等发达国家有一定的差距。目前国内在实际无人机遥感作业中使用的民用数码相机以国外品牌为主，佳能、尼康和索尼三大主流相机厂商属于绝对垄断地位。3.3.2框幅式相机摄影测量基本原理框幅式传感器的测绘原理为小孔成像原理，在某一个摄影瞬间获得一张完整的像片。一张像片上的所有像点共用一个摄影中心和同一个像片面，亦即共用一组外方位元素。因此，像点和物点之间可以用航测像片的共线方程来描述。3.3.2框幅式相机摄影测量基本原理一张像片可以得到物点对应的像点坐标，并由此可以列出两个共线方程，而未知的地面点坐标有三个未知数，因此无法从单张像片求解地面坐标。常用的方法是利用相邻摄站上拍摄的像片，采用空间前方交会（计算机视觉称三角交会）的方法来计算地面坐标。3.3.3框幅式相机摄影指标参数框幅式相机摄影主要指标参数包括：像场角、摄影比例尺、地面采样距离、影像重叠度和基高比等，其中摄影比例尺和地面采样距离表示的是同一项指标参数，框幅式胶片相机航空摄影采用摄影比例尺，框幅式数码相机航空摄影采用地面采样距离。3.3.3框幅式相机摄影指标参数（１）像场角以可视范围直径确定的像场角，称为全像场角；以成像面长度方向可拍摄范围确定的像场角，称为长度方向像场角。3.3.3框幅式相机摄影指标参数（２）摄影比例尺航空影像的比例尺指影像上的一个单位距离与其所代表的实际地面距离的比值。对于平坦地面拍摄的垂直摄影影像，影像比例尺S为相机主距f和摄站相对航高H的比值，即3.3.3框幅式相机摄影指标参数（３）地面采样距离数字影像的地面采样距离指影像上单个像素所对应的地面实际距离。若相机物理成像面上的像素尺寸为s，由影像比例尺关系式可知，平坦地面的垂直摄影影像上地面采样距离的计算公式为S为影像比例尺，H为无人机相对航高，f为相机主距3.3.3框幅式相机摄影指标参数（４）影像重叠度一般情况下，连续拍摄的航空影像应该具有一定程度的重叠度，分为航向重叠度和旁向重叠度。要完成对于摄影区域的完整覆盖，航空摄影影像除了要有一定的航向重叠外，相邻航线的影像间也要求具有一定的重叠，以满足航线间接边的需要，称为旁向重叠。3.3.3典型无人机可见光相机系统质量轻体积小要求：3.3.3典型无人机可见光相机系统一、中画幅数码相机(1)飞思相机PhaseOneiXU180像素：8000万分辨率：10328x7760ISO：35-800快门速度：1/1600s3.3.3典型无人机可见光相机系统一、中画幅数码相机(2)哈苏相机HasselbladH6D3.3.3典型无人机可见光相机系统一、中画幅数码相机(3)徕卡相机像素：3750万传感器尺寸：30×45mmISO：100-6400快门速度：1/1600s3.3.3典型无人机可见光相机系统二、全画幅数码相机（1）尼康全画幅相机（2）佳能全画幅相机（3）索尼全画幅相机3.2.4应用无人机光学载荷已经在各个应用领域发挥了重要作用，被成功应用于抢险救灾，设备巡检、环境保护、国情监测等方面。1、地震救灾2、电力巡线3、生态与环境保护4、地形图测绘3.4倾斜摄影相机系统

3.4.1倾斜摄影相机类型无人机倾斜摄影相机根据不同分类标准可分为不同类型。（1）按配置相机数量分类，可分为五镜头倾斜相机、三镜头倾斜相机和两镜头倾斜相机。（2）按照配置相机类型分类，可分为中画幅倾斜相机、全画幅倾斜相机、APS画幅倾斜相机和小画幅倾斜相机。（3）按搭载飞行平台类型分类，可分为固定翼平台倾斜相机、旋翼平台倾斜相机和通用平台倾斜相机。3.4.2常见倾斜摄影相机

（1）大型倾斜摄影相机系统1）MicrosoftVexcel：UltraCamOpesys2）IGI：QuattroDigiCAMOblique3）Leica：RCD30Oblique4）Trimble：AOS5）Track’Air：Midas6）四维远见：SWDC-57）上海航遥：AMC5803.5红外相机系统3.5红外相机系统后来，科学家们根据红外线的波长又进行了分类：近红外：0.76-3um中红外：3-5um远红外：6-15um极远红外：15-1000um3.5红外相机系统3.5红外相机系统3.5.1红外相机发展现状红外光学最初又被叫做军事光学，首先被广泛应用于军事领域，20世纪70年代以后才被广泛应用于工业、农业、医学和交通领域等。随着科技的进步，各种结构新颖且性能优良的红外探测器不断相继问世，器件性能也在逐步提高，如更高的灵敏度，更高的工作温度，更低的噪声，更宽的波长覆盖范围等，这些优点将使红外技术在未来得到更加广泛和深入的应用。3.5.2红外相机成像原理红外成像就是通过一个特定的装置将不可见的红外辐射转换成可见的温度分布图像，这图像可反映物体表面的热力分布，故也称为“热像图”，这种装置称为红外热成像仪。3.5.2红外相机成像原理从目标和背景发出的红外辐射，在大气中传输并受到衰减后，由红外光学系统接收并形成目标像，红外探测器将目标像通过光电转换形成电信号，电信号经过放大、滤波、校正等一系列处理后得到目标的各种信息。与可见光、X光等波段相比，目标在红外波段具有其特有的吸收或反射特性，从中可以获得更加丰富的信息。简单讲，红外热成像仪就是一台红外相机。一般由光学系统、红外探测器、信号处理器、软件系统和显示系统五部分组成。3.5.2红外相机成像原理红外相机成像原理图3-24红外相机成像原理3.5.2红外相机成像原理3.5.3红外相机分类红外载荷产品根据探测波段（长波、中波、短波）、成像方式（凝视型、推扫型、扫描型）、是否获取多个光谱通道（多谱段红外相机）和是否获取精细光谱信息（高光谱成像）进行类别划分。(1)中红外相机(2)热红外相机(3)中红外双波段相机(4)热红外四波段相机(5)热红外成像光谱仪3.5.4应用

3.5.4应用

无人机红外载荷在环保监测、火灾监测、监控救援等方面均有成功的应用实例。(1)环保监测(2)火灾监测(3)监控救援3.6多光谱成像仪概述：多光谱成像仪是一种能够同时获取光谱特征和空间图像信息的基本设备，是光电成像系统发展的重要方向。从成像原理上讲，多光谱成像技术就是把入射的全波段或宽波段的光信号分成若干个窄波段的光束，然后把它们分别成像在相应的探测器上，从而获得不同光谱波段的图像。实际使用时，要更有效地提取目标特征并进行识别，探测系统需要有精细的光谱分辨能力，就要求把光谱分得更窄并采用多个波段，而完成这一任务的就是成像分光技术。3.6多光谱成像仪实质：常用的红外波段都比较宽，要更有效地提取目标特征并进行识别，最好是把光谱分得更窄些并运用多个光谱波段。热成像仪从单波段向双波段和多波段发展，在景物辐射进入探测器之前，由分光装置按光谱波段将其分开，分别进入不同的探测器。探测器分别输出相应波段景物图像数据，同时获得了同一景物在特定时刻各波段的图像数据。

遥感探测设备分为主动探测和被动探测两类。多光谱成像仪多数属于被动工作，按其工作方式的不同可以分为光学成像和扫描成像两大类。3.6多光谱成像仪基本组成：1、光学会聚单元。它由透镜、反射镜或扫描镜等部件组成。它采集来自地面目标和背景的辐射或反射电磁波。2、分光单元。它把前一单元采集的混合光分解为若干较窄波段，从而实现多光谱探测。3.6多光谱成像仪基本组成：3、探测与信号预处理单元。它常用做探测器材的有相机中的胶片、线列或面阵CCD、红外焦平面阵列等光电探测器件。它实现光电转换，由敏感元分别将分光后聚焦的场景各点相应波段的电磁波强弱转换为对应大小的电信号。信号预处理器对电信号进行放大、修正及其他处理后，转换成图像信号或其他形式的信号。4、信息记录或传输单元。它将经初步处理后的图像信息用适当的介质记录下来。常用记录介质有胶片、磁带、磁盘、光盘等。为了尽快得到遥感信息，对各种数字式的信号可通过传输单元将其从空中传输到地面进行记录或实时图像显示。3.6多光谱成像仪3.6.1成像光谱仪发展现状2011年9月29日21时16分3秒在酒泉卫星发射中心发射的天宫一号携带了我国新研究出的高光谱成像仪。新的高光谱成像仪由中科院长春精密机械与物理研究所以及上海技术物理研究所共同研制的，是当时我国空间分辨率和光谱综合指标最高的空间光谱成像设备，在空间分辨率、波段范围，数目以及地物分类等方面达到国际同类遥感器先进水平。3.6.2成像光谱载荷原理典型的成像光谱原理如图所示。其中A是目标，B是望远成像系统，C是入射狭缝，D是准直镜，E分光系统，F是会聚镜，G是探测器。地物目标首先经过望远成像系统成像在入射狭缝处，入射狭缝起到视场光阑的作用决定视场，然后经过准直镜，再经过分光(棱镜或光栅)系统，目标的辐射按波长的不同进行分离，最后经过会聚镜成像在探测器上。若探测器是面阵探测器，系统将获取二维数据，此时在目标和成像系统间安装上扫描系统或分光系统状态发生变化，将获取第三维数据，与前面两维一起组成数据立方体。图3-28成像光谱载荷原理（1）目标望远成像系统入射夹缝准直镜分光系统会聚镜探测器3.6.3应用1）精准农业在农林业上的应用很多，如农作物长势分析、作物类别鉴定、病虫害防治分析、产量评估等。2）自然灾害和灾情评估自然灾害监测和灾情评估可以包括很多种，如洪涝、干旱、雪灾、森林大火、地震、海洋状况等。3.7机载激光雷达系统3.7.0概述

激光雷达（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ，ＬｉＤＡＲ）是一种主动式的现代光学遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等特点，因此激光雷达具有一系列独特的优点：角分辨率高、距离分辨率高、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像以及抗干扰能力强。同时激光雷达的体积和重量都比微波雷达小，使用方便灵活。3.7机载激光雷达系统3.7.1激光雷达载荷发展现状

２０世纪６０年代，人类就开始了利用激光作为遥感设备的探索；２０世纪７０年代的美国阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术；２０世纪８０年代末，以机载激光雷达测高技术为代表的空间对地观测技术在多等级三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，激光雷达探测得到了迅速发展；目前，约有７５个商业组织使用着６０多种类似的系统；国内方面，中国科学院遥感应用研究所李树楷教授等研究的机载三维成像系统于１９９６年完成该系统原理样机的研制；3.7机载激光雷达系统3.7.1激光雷达载荷发展现状

相对于机载激光雷达对地探测系统硬件的快速发展，机载激光雷达数据的后处理和应用的研究明显滞后。各种数据过滤与分类算法都还具有一定的局限性，很不成熟。3.7机载激光雷达系统3.7.2激光雷达原理

系统组成3.7机载激光雷达系统3.7.2激光雷达原理

其系统包括激光测距仪、惯性导航系统INS和动态DGPS接收机。激光测距仪用于测定距离，惯性导航系统确定姿态，动态DGPS接收机用于确定空间位置。3.7.2激光雷达原理

激光雷达工作的基础是通过量测信号传播时间来确定扫描仪与对象点的相对距离。目前从工作方式上看，激光测距可分为两大类：脉冲激光测距和连续波激光测距。考虑到作用距离，通常机载激光雷达采用的是脉冲激光测距方式。3.7.2激光雷达原理脉冲模式下系统直接量测信号传播时间与距离的关系为S表示扫描仪中心到地面目标点间距离，ｃ表示光波在真空中的传播速度，约为３×１０８ｍ／ｓ。因此，只要求得精确的时间tＬ就能得到距离S。3.7.3典型产品以无人机为平台的小型机载激光雷达，具有体积小，携带方便等优点。目前国内外激光雷达厂商及机构纷纷推出了自己的小型激光雷达产品。(1)RieglVUX-1轻小型机载激光扫描仪(2)美国HDL-32E轻小型激光扫描仪(3)YellowScanSuveyor激光雷达（LiDAR）奥地利RIEGL美国Velodyne法国yellowscansuveyo