無人機遙感技術及應用

高照忠　魏海霞　葉長斌

摘 要：遙感技術是探測領域中非常重要的一項技術。近幾年，這項技術被用到了中國的無人機領域中，從而形成了無人機遙感這種全新的技術。這種技術的本質是：無人機可在任意地點和任意時刻進行拍攝，拍攝出來的照片既真實又清晰。正因為如此，無人機遙感在短短幾年內便被運用到了諸多領域，在這些領域中發揮著獨特的作用。文章將較為細致地闡述無人機遙感這項技術的相關情況，并對它的現實運用進行具體的介紹。

關鍵詞：應用；遙感技術；展望；無人機

引言

遙感技術起源于1960年左右，它是探測領域中非常重要的一項技術。它依據了電磁波的有關理論，結合了各種先進的傳感儀器，把距離較遠的目標反饋回來的信息加以搜集，再對這些信息做相關的處理，最終形成目標的全景圖像。當下，在借助人造衛星的基礎上，遙感技術可確保18天以內就能返回一次全球的真實圖像。同時，在運用了遙感技術之后，還可高效地測繪出研究區域對應的地圖。

1 無人機遙感技術的簡述

關于無人機遙感這種技術的描述可從四個方面來把握。第一是技術的組成，無人機遙感綜合了以下幾種技術：一是傳感技術；二是通訊技術；三是遙控技術；四是遙感對應的應用技術；五是GPS技術。第二是獲取的方式，獲取方式有以下三點特征：一是專題化；二是智能化；三是自動化。第三是獲取的信息，獲取的信息主要有以下幾種：一是環境信息；二是國土信息；三是資源信息。第四是技術的重要優勢，這些優勢尤其表現在以下幾點：一是起飛速度快；二是成本低廉；三是結構較為簡單。

2 無人機遙感技術的具體情況

2.1 無人機遙感技術所具備的特征

跟載人飛行器相比較，無人機遙感有著獨特的技術優勢。這些技術優勢尤其體現在下列幾點：（1）由于無人機不需要載人，所以它可以飛行到一些較高或者較危險的區域進行航拍，這是載人飛行器無法與無人機比擬的地方；（2）與載人飛行器相比較，無人機在實際的飛行中所耗費的資金更為低廉；（3）無人機被劃分到我國的遙控飛行器一類，所以它的整個審批流程較為簡單，相反載人飛行器屬于現實中的飛行器，它的整個審批流程非常復雜；（4）載人飛行器有著極為嚴格的起降要求，而無人機卻沒有過于嚴格的降落場地和起飛場地要求，所以它在航拍飛行中實現中途轉場比較容易；（5）航拍中，無人機所具備的安全性能也遠遠超過了載人飛行器；（6）同載人飛行器比較，無人機可隨時進行重新拍攝，并且拍攝時間極短，成像效果也非常清晰。

盡管無人機遙感有著如此多的技術優勢，但它的技術劣勢也較為明顯。這些技術劣勢主要表現在下列幾方面：（1）無人機遙感所返回的遙感影像有著極高的分辨率，這種分辨率甚至實現了以分米級來計算的精密程度。但是，影像的相幅偏小，相片數量非常龐大，甚至達到了千張以上。這種大工作量的工作方式，降低了無人機遙感工作的效率。同時，影像傾角的角度一般來說較大，并且傾斜方向沒有任何規律可遵循。所以，無論是連接點的布設還是提取工作都變得非常困難。（2）載人飛行器通常比較穩定，相比之下無人機就顯得不夠穩定。假如高空中的風速較大，那么航飛軌跡就會出現不規則的現象，甚至偏離了本身的主航道。這樣，無論是拍攝中的旁向重疊度還是航向重疊度都不夠規則，影像間的實際重疊程度就更大。（3）無人機無法攜帶專業化的測量相機。所以，它拍得的影像難免會有所變形。這是由于地面事物跟單幅相機間的投射關系很復雜，所以影像內存在的幾何關系也就很不穩定。在這種影響下，影像就會呈現出傾斜的效果甚至變形。

2.2 無人機遙感的影像處理流程

2.2.1 影像的畸變差糾正

當前的無人機航拍方式是中國航拍方式中最為先進的一種方式。它有著獨特的技術優勢，可在任意時刻進行航拍，并且拍攝的時間極短，成像效果也非常清晰。所以，無人機航拍這種方式被大范圍的運用。現實中，無人機有著不同的類型，所攜帶的相機也有著不同的類型，不同的搭配方式使得最終的成像質量也有巨大的差異。不過，一般情況下無人機都是配備的普通相機。普通相機拍出來的相片邊緣會出現畸變的現象。這可能給后續的數據處理帶來極大的誤差。為了最大限度控制數據的誤差，對影像的畸變加以糾正就成了必備的工作。處理方式主要包含了以下幾種：一是消除畸變；二是消除主點偏移；三是旋轉影像。

2.2.2 影像的三角測量

三角測量的過程是在空中自動完成。以往，影像的轉點工作與選點工作都是以人工方式來操作完成。可是，無人機遙感卻能讓這兩項工作在空中便自動完成。同時，像點中的各個坐標也是自動獲取。它能為區域網平差程序結算提供依據[1]。這樣，坐標系中加密點所處的空間位置及其定向參數都能隨之而獲得。三角測量主要對以下幾方面的內容加以測量：一是內定向的相關測量；二是相對定向的相關測量；三是模型連接的相關測量；四是模型轉點的相關測量；五是偏移量的相關測量；六是連接點的相關測量；七是特征點的相關測量。

2.2.3 DOM影像與DEM影像的生成

DOM影像與DEM影像的具體生成步驟如下：首先，借助平差程序可解算出拍得的影像對應的外方位元素；接著，把相鄰影像跟外方位元素充分匹配，便可迅速取得相關的同名特征點；然后，通過這些同名特征點便可以生成DEM影像；最后，讓生成的這個DEM影像跟相關的同名特征點再次拼接，便可得到需要測量區域的DOM影像圖片。

2.3 無人機遙感的關鍵技術

現實中，遙感技術是把多種技術綜合以后取得的技術成果。上述已經談到：無人機遙感綜合了五種主要的技術，第一種是傳感技術，第二種是通訊技術，第三種是遙控技術，第四種是應用技術，第五種是GPS技術。在這五種技術中，最為關鍵的技術又可細分成八種。第一種是遙感平臺對應的集成技術。第二種是專用數據對應的處理技術。第三種是傳感器對應的控制技術。第四種是平臺穩定涉及的相關技術。第五種是相機定標的相關技術。第六種是相機校驗的相關技術。第七種是快速處理的相關技術。第八種是3S技術。而依據平臺框架的情況來具體劃分，關鍵技術又應該被劃分成三種基本的技術。第一種是遙感平臺對應的集成技術。第二種是獲取數據的相關技術與下傳數據的相關技術。第三種是地面接收與處理技術[4]。文章將對這三種最為關鍵的技術進行一一的介紹。

2.3.1 無人機遙感平臺集成技術

無人機中，平臺結構主要包含了以下幾種：一是飛行器對應的系統；二是信息傳輸對應的系統與測控對應的系統；三是保障對應的系統；四是信息獲取對應的處理系統。平臺結構具體如圖1所示。無人機中安裝的是面陣CCD相機[2]。通常，拍攝操作是由相機頭部來具體完成。相機頭部又由三個部分構成，第一部分是數碼后背，第二部分是鏡頭，第三部分是機身。對無人機來說，遙感平臺需要體積小且分辨率偏高的相機。因此，大面陣CCD數碼與120中型幅面相機是最佳的組合[3]。再者，高清圖像是無人機影像的一個重點。所以，拖影便成了影像中的一個重要障礙。為此，遙感平臺必須盡量把拖影的像元控制在0.5以下。假設像元是9um×9um，高度是500m，速度是每秒鐘33m，焦距是50mm。那么可得出曝光時間是1/733秒，快門應選用1/1000s以上[5]。假設焦距用字母f來表示，成像面尺寸用字母L來表示，視場角用字母θ來表示。那么焦距公式是tg（θ/2）=（L/2）/f[6]。而主控計算機需要起到三方面的作用，首先是對相機進行良好的控制，其次是對圖像加以傳輸，再次是對圖像加以保存。因此，PC/104+嵌入式計算機是最好的選擇[4]。

2.3.2 下傳數據的相關技術與獲取數據的相關技術

因為無人機遙感會產生極大的數據量，所以下傳圖像的過程中一般來說會選擇高壓縮比的壓縮技術。壓縮方案具體如下：系統中的數據鏈路共有兩條，傳輸中多模態遙感器會與工控機互相配合，一方面可通過其中一條鏈路把遙感數據傳送到硬盤中做備份處理，另一方面可通過另外一條鏈路把遙感數據傳送到壓縮模塊中做壓縮處理。

另外，圖像獲取的具體步驟如下：（1）系統中的IO設備可把遙感數據統統讀取出來；（2）遙感數據在控制板是BMP這種格式的數據，通訊程序可把這種格式的數據全部讀取出來，再把數據全部寫入到DSP中；（3）DSP中具備壓縮模塊，壓縮模塊會把這些圖像由BMP格式轉換成JPEG格式；（4）JPEG格式的所有圖像會被存儲到指定的內存中；（5）通訊程序從指定內存中把JPEG格式的所有圖像給讀取出來再傳送到數據鏈路中。

2.3.3 地面對數據的接收與處理

對無人機來說，無論是地面的接收工作還是地面的處理工作都必須依托于數據接收站。數據接收站既可以是固定式也可以是移動式。而無論是哪種類型的數據接收站都必須具備以下五種基本功能：一是存儲海量數據的基本功能；二是建立海量數據庫的基本功能；三是管理海量數據的基本功能；四是分發海量數據的基本功能；五是糾正數據的基本功能。

3 結束語

綜上，文章首先闡述了無人機遙感這種技術的本質。其次，文章闡述了無人機遙感這種技術的基本情況：一是這種技術所具備的特征；二是這種技術在處理中的詳細流程；三是這種技術具體包含了哪些關鍵技術，并對這些關鍵技術分別加以介紹。

參考文獻

[1]兵遠遠.無人機遙感在某鐵礦礦區資源監測中的應用[D].遼寧工程技術大學，2012.

[2]馬瑞生.微型無人機航空遙感系統及其影像幾何糾正研究[D].南京農業大學，2013.

[3]范成曉，韓軍，熊志軍，等.無人機遙感技術現狀及其應用[J].測繪科學，2014，27（22）：16-19.

[4]歐新偉，周李建，馮青山，等.無人機遙感技術在長輸油氣管道管理中的應用[J].科技創新導報，2011，5（21）：21-23.

[5]楊彥明，鄭玲紅，文洪濤，等.無人機遙感技術在海島管理中的應用研究[J].海洋開發與管理，2011，11（15）：17-20.

[6]朱京海，梁婷，徐光，等.無人機遙感技術在環境保護領域中的應用進展[J].環境保護科學，2013，7（12）：38-40.