无人机遥感技术论文范文

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第1篇

关键词：无人机　相机控制系统　软件设计　硬件设计

中图分类号：TP1　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)004-103-02

1　引言

信息时代，信息是至关重要的资源，而信息的获取又是其中非常重要的一步，无人飞机摄影测量与遥感作为对地观测获取对地物信息的重要手段。无人机航空遥感是以无人机为搭载平台的航空遥感技术。它涉及到无人机技术和航空遥感技术两方面，是两种技术的有机结合。随着无人机和航空遥感技术的成熟，无人机已经逐渐应用在民用遥感领域。无人机航空遥感也正成为航空遥感的一个热点研究领域。

2　无人机相机控制系统设计方案

2.1系统设计概述

作为新一代数字航空遥感测绘摄像产品，要求具有较高的分辨率，镜头畸变小，较大的存储容量，较小的尺寸和较轻的重量。相机拍摄能实现依据GPS导航数据、时间信息实现手动或者自动拍摄，适合在无人机和有人机上安装操作。为遥感测绘行业提供平台支撑。

2.2系统构成

首先四个相机根据航拍要求选择合适的性能指标，初步定为1000万像素，远心镜头。按照一定的夹角安装在飞机稳定平台上面，工控机获取飞机的飞控信息(包括姿态和位置时间信息)或者通过自身的GPS获取位置和时间信息，根据航拍要求确定拍摄的位置或者时间点，实现手动或者自动拍摄。拍摄时候要求工控机发送同一时序的快门控制信号给4个相机，时序脉宽可以控制。相机拍摄后图片数据可以以raw或者压缩后的格式发送给工控机存储，存储照片文件要求记录拍摄时的GPS位置和时间信息。

3　硬件设计

3.1相机NiKon-D200

图像输出采用USB2.0最大速度，电源直流7.4V电池组，EH-6H电源适配器。相机通过USB口发送图像数据给工控机，工控机通过快门线控制相机同步动作。

3.2镜头

为相机配置的镜头是Nikon Nikkor 85mm f／1.8D AF

3.3控制和存储计算机

采用研华机箱ARK-5280规格为：

3.4 PCI快门控制卡

选择研华IO卡PCI-1761作为快门输出。当继电器开的时候，不进行拍照，继电器闭合拍照，闭合的时间长度改变快门脉宽。

快门线采用国产深圳市永诺摄影器材有限公司生产的JIANISI RS-N1型号兼容D200的快门线进行改造。

3.5 GPS模块

GPS模块型号为：ublox芯片，北京星网宇达科技发展中心设计的电路模块。该模块提供10m的定位精度，刷新频率4／s。

GPS信号和计算机连接关系，首先通过GPS模块上的座连接到航空连接器上，航空连接器固定在机箱上，然后再通过航空连接器连接到DB9的RS232座上。

3.6相机电源供应卡

电源供应关系，主要考虑GPS模块的+5V供电，另外考虑给外部相机供应+12V，取电方式都是从机箱主板上获取。如上图3。连接关系为上表。主板+5V接于GPS模块,+12V接于航空连接器供机箱外部照相机供电。航空连接器安装在机箱上面。

在实际的工控机改造中，要把相机电源，扩展的2个USB口，GPS模块合成在一个卡上，统一插在一个PCI槽上。固定输入输出。

3.7与无人机连接接口

与无人机接口包括2个RS422，一个异步RS422，一个同步RS422。异步RS422主要实现无人机测控数据的下传，同步RS422主要实现无人机拍摄快试图的上传。

3.8相机稳定平台

相机稳定平台主要用于四个相机与无人机或者有人机之间的安装对接，要求根据相机的几何结构和四个相机之间的拍摄角度进行设计，角度信息与航迹规划模块有关。

3.9操控平台

操控平台对于无人机系统主要考虑工控机的固定安装，有人机还要考虑人的操作控制平台。

4　软件设计

该航摄仪要求支持有人机和无人机拍摄，除了要实现基本的航拍功能，还需要有良好的人机交互功能。

遥感控制系统的功能模块分析，根据任务需求，遥感空中控制系统划分为五大模块：拍摄控制模块、航迹姿态信息处理模块、遥感数据处理模块、人机界面交互模块、航迹规划模块。各模块划分、相互之间以及与其它系统间的关系见图。

5　地面调试与结果

针对不同的测试目的，在对地观测数字航空遥感地面仿真实验平台系统上进行了多次地面联合调试。按照系统构成所示的连线方式，搭建整个系统，然后给系统外接27V直流电源，系统按照预设的方式启动。启动后，控制工控机通过快门卡控制相机拍摄。在程序设置时将四台偏振相机分别设置编号为1、2、3和4，其中3号相机负责传输快试图，其调试结果如图所示，四台不同角度的相机同时得到控制拍摄，并且3号相机已传送了一幅84.5K的快试图数据。

本文设计的偏振遥感载荷系统在国内首次实现了与无人机的结合，成功实现了对机载偏振遥感成像设备拍摄的自动控制与数据的自动传输和存储功能，不仅为偏振遥感数据的获取增添了新的手段，更使得在恶劣环境下大范围、长时间的偏振遥感数据获取成为可能。系统的研制成功进一步丰富了航空遥感器的种类，提高了人们获取航空遥感数据的能力。

参考文献：

[1]彭望等编.遥感概论[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]余咏胜，游宁君.数码航摄像机――传统胶片航摄像机的替代者[J].测绘通报.2005(3)：6-10.

第2篇

关键词：长输管道；无人机遥感；水土保持

水土保持监测作为生产建设项目水土保持工作的重要组成部分，是水土流失预防监督和治理的重要基础。常规的水土保持监测技术手段无法很好满足生产建设项目水土保持监测准确性、及时性和完整性的要求。无人机遥感具备准确性、实时性和全面性的特点，成为生产建设项目水土保持监测新的技术手段。通过对已完成的西气东输项目前期充分调研分析，通过无人机对项目的重点区域进行遥感监测，对该技术应用于长输管道工程监测进行探讨。

1．工程概况

西气东输二线工程西起新疆霍尔果斯口岸，向东南延伸至上海、香港，全长近万公里，是我国天然气四大进口战略信道中的西北信道，工程新疆段自新疆霍尔果斯口岸入境后，基本沿G312由西向东敷设，从哈密市出疆，管线长度约1340km。本次论文研究对象选择其中典型果子沟路段的两处渣场为例。本次选取果子沟两处渣场，1#渣场设计堆渣量1.5万m3，2#设计堆渣量4.7万m3。渣场主要挡蓄西气东输二线工程管道开挖的弃渣。弃渣堆放场挡土墙呈L形设计方案，两墙肩依山体斜坡为固定支承点，山体斜坡岩性多为坡积和中强风化岩石，挡土墙肩嵌入山坡、梁凸出部位。本次渣场围护设计采用重力式挡土墙型式。1#渣场挡土墙全长236m，采用浆砌块石填筑，优选弃渣料，不够时再外借。挡土墙墙顶宽度0.6m，迎渣面坡度1：0.4，背渣面坡度1：0.2，墙面高度4m，地面以上高度3m，前后墙趾宽度0.5m，高度1m。2#渣场挡土墙全长308m，采用浆砌块石填筑，优选弃渣料，不够时再外借。挡土墙墙顶宽度0.6m，迎渣面坡度1：0.3，背渣面坡度1：0.2，墙面高度2.5m，地面以上高度1m，前后墙趾宽度0.5m，高度1m。挡土墙每隔15m设一道伸缩缝，缝宽2cm，用M2.5砂浆填缝，墙内布设排水孔，采用管径6cm的塑料管，排水孔坡度5％，间距1m，梅花形布置。渣场外坡按照1：2堆至1820.5m，顶部修成5％的坡度，以便于排水。外坡采用浆砌石网格砌筑，网格规格2×2m，采用C15、F200细粒混凝土，网格内播撒草籽。

2.无人机遥感技术在典型区域的监测应用

长输管道工程空间跨距长，多无人区，采取全线普查法获取水土流失数据的难度大，投入大，时间长。因此，监测区域的土壤侵蚀背景数据及施工前后扰动、治理效果的对比等，主要通过遥感监测方法与典型调查方法相结合的途径获得。以遥感影像为数据源，按照《水土保持监测技术规程》（SL277－2002）规定，对监测区域进行外业调查，建立遥感解译标志，通过解译，获得监测区域在施工前后各种土地利用类型、土壤侵蚀类型和侵蚀强度的分布、面积和空间特征数据。

2.1人机交互式解译流程

采用人机交互式解译法进行遥感影像的解译与判读，同时，对比分析重点监测地段的土地利用和土壤侵蚀状况，包括工程区域和扰动带两部分，其中工程区域以管线中心线左右各500m范围为监测区域，扰动带则以管线中心线左右各20m为监测区域。

2.2土地利用解译

在遥感影像的土地覆盖信息基础上，依据人机交互式解译原理和野外实地考察的结果建立项目区土地利用类型典型遥感影像解译标准，形成土地利用现状图。土地利用分类参照国家土地利用分类标准进行分类，本次选择的典型渣场所处位置进行遥感影像处理，分析工程所处的土地利用现状为有林地，见图1。

2.3土壤侵蚀专题信息提取

在土地利用图生成后，以人机交互式解译原理和野外实地考察的结果分别建立土壤侵蚀类型遥感影像解译标准。土壤侵蚀分类、制图和数据库建立均按照SL190-2007规定的标准土壤侵蚀分类分级系统进行。本次工程属于天山山脉，工程沿山间河谷地带布设，典型渣场选取在不影响行洪的山间洼地，所处位置为水力轻度侵蚀区域，详见图2。本次无人机的遥感监测，获到的只是施工结束后的一个时段的数据，只代表了这一时段的现状，本期的数据可与工程施工前、施工过程中的数据对比分析，即可得到工程施工过程中的变化情况，也可了解到工程在自然恢复期的各项措施的实施后的效果。

3.无人机遥感技术特征分析

通过本长输管道工程选取典型渣场的应用实例分析，将无人机遥感技术应用到生产建设项目水土保持监测工作中，可以准确、及时、全面地反映施工过程各阶段的工程进展和水土流失防治等情况，特别是在长输管道等大型线状工程，优势更加突出和明显。（1）无人机准确性高。生产建设项目水土保持监测的重点往往是以米记的水土保持措施，传统卫星遥感对大范围的航拍有优势，但对重点区域精度无法满足监测需求。无人机低空遥感可根据需求，调整飞行高度以获取不同精度的成果。本次无人机低空飞行高度在50~300m之间，遥感像素分辨率为0．25m，经过精度检验，成果平面精度的误差为1～3m，完全满足水土保持监测判读、位置、面积等信息提取的要求。（2）无人机时效性好。无人机遥感与传统卫星遥感相比，较好地弥补了其时效性差和机动性低的缺点。可以根据不同项目监测工作的需求，由现场监测人员确定遥感的时间和范围，在较短的时间内完成遥感影像获取和监测信息的提取，能较及时地反映工程水土流失和水土保持情况，满足定期常规监测和灾害性事件应急监测的需求。而传统的卫星遥感，机动性相对较差，不能及时的由现场监测人员掌握。（3）无人机更直观全面。无人机遥感成果对比传统的常规监测方法，更能较为直观和全面地反映工程现状，不但能为业主、施工、监理、监测等部门在施工管理、施工总体布局、施工进度控制等方面提供支持。而且可为水行政主管部门、业主单位水土保持监督管理提供参考。

4.问题与思考

第3篇

关键词：微型多旋翼；环境监测；飞行控制系统

中图分类号： TP79 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-146-2

1 无人机的定义

无人驾驶航空器简称无人机，英文的缩写为UAV（Unmanned Aerial Vehicle）。无人机具有受气候的影响小，效率高反应速度快、能准确定位、准备工作简单、操作控制容易等特点。整个系统运行稳定，经济性能高，可以在小面积区域、兴趣地点悬停重点拍摄。

2 无人机的分类

①水平起降式：水平起降式机翼为固定式。优点：飞行速度快，可以进行高空飞行，动力效率比高，续航能力强。缺点：受空气流动影响较大，无法悬停在指定位置，对目标只能进行“盘旋观察”在复杂地形飞行时需要操作难度高，微型固定翼UAV限于效果的比例，身体容易跟随流线和角运动，进而影响其稳定性，难以获得连续稳定清晰的图像。对起飞和降落场地要求较高，要求起飞及着陆航线平整且无障碍物，且发射或降落时需要考虑风向、风速问题，限制较多。②垂直起降式： 垂直起降式机翼为旋翼式。优点：低空空气流动对其影响较小，可在空中悬停。可以在兴趣目标点进行“悬停凝视”观测，可以获得连续稳定清晰的图像，有利于小目标或局部区域的细致观测。具有垂直起降能力，可以在恶劣的场地进行起降，对气象条件要求低，具有较广的应用范围。缺点：机翼载荷比水平起降式高，动力效率比低，无法滑行，为减少自重，续航力低，控制系统复杂，容错率低，容易出现故障。

在多种类的无人机中，四旋翼无人机是目前研究最为广泛、用途最多的一种。四旋翼无人机由于能够垂直起降、自由悬停，适应不同的情况，在不同的环境下自由转向和调速。

3 无人机工作原理

3.1 系统概述

无人机飞行控制系统是无人机的核心，飞行控制系统通过采集飞行器的姿态、速度、压力、转速等信息，传输给飞行控制处理器，由处理器解算并发出控制无人机飞行状态的指令，并且通过无线数据通信系统可以向地面站实时传输无人机的飞行参数和功能传感器所探测的目标信息；另一方面，地面站也可以根据需求向无人机发送指令，控制无人机姿态、航向，到达指定地点进行拍摄或探测。整个飞行控制系统的设计是无人机的关键，是地面站与机上飞行控制系统的综合，飞行控制系统的好坏直接决定着无人机的质量。

3.2 无人机探测系统搭载原理

3.2.1 无人机遥感技术

无人机的遥感技术是将传感器技术、遥测遥控技术搭建在无人机技术的平台上，并运用计算机技术进行运算控制，通过通信技术完成信息传输及存储，可迅速、自动、智能地获取相关的环境空间信息，采集数据和应用处理。无人机续航时间长、能实时传输影像，具有成本低、高分辨率、机动灵活等特点，在高危地区探测具有较好的应用前景。

3.2.2 利用高分辨CCD相机系统获取遥感影像

无人机通过控制系统可以实现影像的自动拍摄和获取，通过航迹的规划实施监控，将采集的信息数据进行压缩和自动传输，还可以完成影像预处理，可以在水域环境监测提供环境信息，为各级环境部门环境检测提供便利，并可满足环境应急响应的需求。

3.2.3 数据融合生成三维立体空间图

地面站系统搭载了数据融合软件系统，该系统将传回的传感器数据和位置信息等数据，进行数据融合，生成立体三维空间图，直观展示各类信息，便于数据分析。

3.3 微型多旋翼无人机系统使用目标设定及定位

卫星及传统航空器在复杂水域、面积相对小且污染类型多样的区域拍摄不清晰，无法达到分析要求，无人机飞行器可以在复杂区域完成悬停凝视，拍摄连续稳定高像素图像，更能细致对进行目标区域进行监测。

四旋翼无人机携行方便，不受使用场地约束，最高可在6 级风力情况下使用，在阴云、雾霾能见度不良天气情况下，可以低空或贴水面飞行，获取水域环境的高清晰图像，可以实时追踪和监测突发环境事件的发展。同时借助地面站外部通信设备将无人机实时拍摄巡查地点的高清图片通过网络进行转播或存储。

3.4 无人机的优点

①多旋翼无人机通过采用GPS 模块实现了空间定位功能；将网络通信、自动控制、物联网及软件技术，集成在多旋翼无人机上，利用无人机灵活性特点，以点及面，就可以无死角、全方位地探测目标区域环境条件状况，实现定时定点采样，极大减小了控制生产成本和系统功耗。②数据融合生成立体三维空间图；特有设计了地面站系统，实时显示无人机传回的传感器数据和飞机当前位置信息等，同时进行数据融合，直接将数据以立体三维空间图直观展示，环境各参数指标一目了然。

4 微型多旋翼无人机的操作注意事项

本文以大疆精灵Phantom 4为例，介绍无人机的使用方法：无人机具体参数如表1。

①在目标地点附近起飞，飞行范围是以起飞点为中心高度120m以下，半径500m 范围内。②四旋翼飞行器可以垂直起降，在目标区域附近垂直起飞，到达预定高度后，飞往目标地点，对目标地进行检测。在检测过程中可以根据现场环境调整无人机的高度，便于获得更清晰的图像。在飞行过程中要注意于其他建筑或固定障碍物保持20-30m的安全距离，与运动的障碍物需要保持500m的安全距离。在一次出动微型多旋翼无人机时，需要在各组间设立指挥员，协调各组的飞行范围，保证任务顺利。③受电池约束，该型号无人机只能持续飞行28分钟，信号接收范围为3.5公里，在飞行时注意飞行时间和距离的控制，避免因没电或超出控制距离造成损失。

5 多旋翼无人机在水域环境监测中实际的应用

5.1 无人机在水产养殖区的应用

在水产养殖区域，水域环境检测尤为重要，以水草为例，水草作为大多鱼类的食物，可以很好地促进鱼类的生长，当水草超过一定数量，会造成水层缺氧，并加速水草死亡，造成水质变坏，不利于鱼类养殖。所以鱼塘需要实时监视水草数量，人工划船或观望难以做到全局观测，结果比较片面，使用无人机对水域进行全局探测，快速了解鱼塘整体情况，也可以在局部进行悬停并凝视，确定水草生长情况，获得鱼塘准确信息并及时制定应对措施。

5.2 无人机在环境检测的应用

沂河流经临沂沂水、沂南、临沂市区，临沂段全长284公里，流域面积7425平方公里，集水面积2872平方公里，河面最宽达1540米；被临沂人民誉为"母亲河"。是临沂重要的淡水资源，该河两岸附近分布着工场和众多的居民地，存在排污问题。对沂河的环境检测尤为重要，通过无人机技术可以快速地获得沂河流域环境情况，对保护水资源具有重大意义。

6 结论

水域环境监测需要对目标区域进行全局观测和量大的局部观测，要想获得大量高质量的局部观测信息，就需操作灵活，可控制性高的无人机系统组来完成。可以预见的是微型多旋翼无人机将会得到大量应用，而且未来微型多旋翼无人机的发展方向将是智能化、多样化的空中机器人群组。

参 考 文 献

[1] 高鹏骐，晏磊，赵红颖，何定洲.无人机遥感控制平台的设计与实现[A].第十五届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C].2013.

[2] 黄爱凤，邓克绪.民用无人机发展现状及关键技术[A].第九届长三角科技论坛――航空航天科技创新与长三角经济转型发展分论坛论文集[C].2012.