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【干货放送第二篇】无人机环境航测

2016-12-28 11:20:36 编辑 删除

归档在 无人机行业应用 | 浏览 122 次 | 评论 0 条

近年来,从空中收集自然灾害和事故现场等信息的需求日益增加。特别是无人机,因其可以进入人难以到达的地域中去,作为安全、高效获取信息的手段而备受关注。无人机核辐射监测技术的最新发展及其发展趋势对我国监测体系建设的完善可以起到指导、借鉴的作用。

  中文名:无人机核辐射监测

  外文名:uav environmental monitoring

  目录

  简介

  无人机遥感技术

  ·无人机遥感传感器

  ·影像拼接技术

  ·数据实时传输存储技术

  无人机在环境监测领域的应用

  ·无人机在水环境监测中的应用

  ·无人机在大气环境环境监测中的应用

  ·无人机在生态环境监测中的应用

  前景展望与发展方向

  ·加强小型化、轻型化且性能优异的机载环境监测设备研发

  ·加强数据处理技术研究与软件开发,提高数据分析的精度和效率

  ·提高数据链路传输能力

  简介

  环境监测是环境保护工作的“哨兵”和“耳目”,是环境管理的重要组成部分,是环境保护工作最为重要的基础性和前沿性工作,尤其是伴随着近些年来一系列环境灾害与环境事故的频发,环境监测技术的研究越来越引起国内外政府学者的重视。如何方便、快速、低成本的获取精确、可靠、及时的环境基础数据资料成为技术研究的重点和难点。

  无人机遥感技术作为继传统航空、航天遥感之后的第三代遥感技术,可快速获取地理、资源、环境等空间遥感信息,完成遥感数据采集、处理和应用分析,同时具有机动、经济、安全等优点。

  无人机遥感技术

  无人机遥感技术是一个综合、系统的技术领域,其中的核心关键技术主要包括遥感传感器、影像拼接技术与数据实时传输存储技术3部分。

  无人机遥感传感器

  传感器是无人机遥感技术发展的重要基础设备之一。20世纪8O年代以来,随着计算机技术的发展以及无人机遥感技术在环保领域应用的不断深入,面向环境监测领域的传感器在数字化、轻型化、探测精度以及种类等方面都取得了巨大进展,极大的推动了无人机遥感技术在环境监测领域的应用,其主要表现在以下几个方面。

  1. 航拍图像传感器:随着CCD和CMOS图像传感器的日渐成熟,数码相机的性能也不断提高,普通的数码相机的分辨率也已达到了1000万像素以上,高分辨率的数码相机成为无人机低空遥感系统主流的传感器件。在技术上,传感器不断向大面阵、多光谱、数字化方向发展,并取得了较多进展,进一步提高了航拍精度。

  2. 机载环境监测传感器:随着环境监测仪器设备的不断发展,面向水环境和大气环境监测小型化、轻型化的各类机载专用监测仪器设备的研制成为一个新兴的领域。这方面的设备从工作模式上,主要包括基于二维面状航拍作业模式的光谱类设备(如热红外成像仪、轻型红外航扫仪、红外扫描仪、微波辐射计等)和基于泵吸式点状采样监测模式的机载气体监测设备(如粒子探测仪、差分吸收光谱探测系统、电化学类气体监测设备等)。

  影像拼接技术

  采用低空无人机遥感平台来快速获取研究区域的影像,影像分辨率提高的同时,单张影像的视野范围较小,难以形成大区域环境的整体认知。因此,为得到整个区域的全景影像,必须实现若干影像的匹配拼接。受飞行姿态稳定性、飞行区域特殊地形、数码相机等因素影响,无人机遥感图像往往具有旋转变形大、幅宽小、数量多、重叠图不规则、地面控制点难获取等特点,运用传统的航空摄影流程进行图像拼接相对难度较大,而且速度较慢,虽然有

  少数学者进行初步探索,但是在精度与效率方面仍有待于进一步探索。由于现阶段无人机主要应用于地质灾害、突发性环境污染事件等应急业务中,因此面向环境应急的无人机遥感图像的快速拼接处理技术研究相对较多,其采用流程主要是对已有影像进行配准后再几何纠正处理。

  在环境应急监测领域,例如海上溢油污染事件发生时,大数据量图像的快速拼接技术在污染评估过程中有着重要的应用价值。尤其是无控制点或者粗略POS数据支持下的海量数据全自动快速拼接,如何有效提升拼接效率的同时,并保障一定的数据精度仍是当前的研究热点之一。

  数据实时传输存储技术

  无人机监测数据的实时传输是无人机遥感系统的重要组成部分,决定着系统的规模与水平。地面控制站与无人机之间数据传输是通过数据链实现的。除具有遥感监测数据传输的重要功能之外,数据链还肩负着遥控、遥测和跟踪定位的功能作用。早期无人机数据链大都采用分立体制,遥感监测数据传输与遥控、遥测和跟踪定位用各自独立的信道,设备复杂。20世纪80年代后,为了简化设备或节省频谱,开始采用多功能合一的综合信道体制,目前常用的信道综合体制是“三合一”和“四合一”综合信道体制。所谓“三合一”综合信道体制是跟踪定位、遥测、遥控的统一载波体制,而遥感监测信息使用单独的下行通道,“四合一”综合信道体制则是指遥感监测信息传输与跟踪定位、遥测、遥控采用统一的载波体制。

  除信道综合技术之外,数据的压缩、解压缩技术也是遥感监测信息传输的关键技术之一。在无人机传感器视频信息传输方面,从20世纪90年代起已开始应用图像数字传输技术,目前已在大部分无人机测控系统中使用。无人机动态图像压缩编码后,图像/遥测复合数据速率已减到最小为1~2Mb/s(例如美国的11544Mb/s,以色列的212Mb/s),对应的图像分辨率可达720×576。

  无人机在环境监测领域的应用

  无人机在水环境监测中的应用

  由于内陆水体环境复杂、水域面积相对小且污染类型多样,对数据精度要求较高,因此目前无人机遥感技术在内陆水环境监测中的应用研究相对较少,主要是利用无人机环境遥感技术从宏观上观测水质状况,航拍制作分辨率为0.1m的实景图像数据进行监测,并实时追踪和监测突发环境污染事件的发展,而在海洋中应用技术相对较为成熟,监测指标主要涵盖了水温、赤潮、海上溢油、水深、藻华等,传感器包括照相机、多光谱成像仪、CCD摄影机、轻型红外航扫仪、激光测深仪、成像光谱仪、化学传感器等。

  无人机在大气环境环境监测中的应用

  近几年来,国内对于无人机应用与大气污染物的研究才刚刚开展,目前主要用于环境应急和简单的大气环境指标监测,其中可监测的指标主要包括臭氧、粒子浓度、温度、湿度、NO2和压力等,如中国科学院大气物理研究所设计了2种型号微型无人机,搭载了改进的臭氧传感器和粒子(数浓度或质量浓度)探测仪以及温度湿度传感器进行了探空试验,飞行测量 数据合理可信,无人机平台、记载传感器和地面系统都达到了设计指标;中科院安徽光机所利用大气物理研究所研制的无人飞机平台,搭载自主研发的大气污染差分吸收光谱探测系 统,成功获取大气污染成分NO2等的二维时空分布。

  无人机在生态环境监测中的应用

  目前,无人机遥感技术在生态环境监测中的应用,从领域上来看,主要体现在灾害监测、森林资源调查、生态环境等方面;应用方式表现为利用数码相机或光谱类设备(如红外摄影机、红外扫描仪、微波辐射计等)获取遥感影像,通过数据拼接与处理,实现宏观环境监测或大范围监测指标(如土地利用、植被覆盖等)提取。

  (1)森林资源调查方面,可选用索尼DSC-90数码相机作为影像传感设备,结合地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)技术,以森林资源二类调查为例进行了应用试验。

  (2)生态环境监测与灾害监测方面,以高分辨率数码单反相机作为图像获取传感器、综合运用地面监控软件、影像处理软件和无线电遥控系统的无人机低空航拍遥感系统对生态环境与灾害监测等众多领域有着十分重要的实际意义。

  (3)路域生态环境监测方面,将无人机实时传输系统与遥感图像处理系统的集成,结合采用地下电子标识系统辅助解译公路路域的土地利用类型、植被覆盖和土壤侵蚀等生态环境要素定位变化信息,能构建公路路域生态环境遥感监测系统,实现公路路域生态环境的快速监测调查。无人机遥感系统的低空飞行、成本低廉,机动灵活,能快速响应拍摄任务等优点在生态环境监测领域具有较大应用优势,但受限于无人机高分辨率图像处理技术及任务载荷等方面限制,目前应用仍处于探讨阶段,实际业务应用尚少。

  前景展望与发展方向

  无人机遥感技术作为继航空、航天遥感之后的第三代遥感技术,有效弥补了当前卫星遥感和航空遥感的技术缺陷,而且具有价格便宜、安全性好、操作灵活等优点,随着计算机技术的进一步发展以及人们对环保监测的要求的进一步提高,其在环境监测领域的应用将越来越广泛而深入。

  加强小型化、轻型化且性能优异的机载环境监测设备研发

  我国无人机遥感技术在环境监测领域应用尚处于发展初期阶段,受载荷和空间限制,传统的大部分环境监测传感器无法满足系统要求,而现使用的大部分设备如高质量的分析仪、专用监测仪器和自动监测系统等多是国外引进的,价格昂贵,因此我国需要加强体积小、重量轻、精度高、存储量大、性能优异的机载环境监测设备的研发,即在现有环境监测设备基础上,减小重量体积,增大功能密度。可采取的措施主要包括:①利用高强度轻质材料,降低传感器组件的体积和重量;②改进内部布局,提高集成度,拓展无人机的任务能力;③研发可扩展性和测控能力强的监测设备,如能够进行多种质量(空气、水质、噪声)自动监测系统以及污水、废气、污染源主要污染物排放总量在线连续自动监测系统;④集成多种新技术以提高效能。除此之外,面向大气、水等环境监测领域的无人机遥感技术尚处于初级阶段,在很多指标监测方面的传感器有待于进一步开发。在技术上,在设备小型化、轻型化、集成化的背景下,可发展红外、紫外遥感遥测仪器仪表和基于激光光源的监测灵敏度更高的长光程吸收光谱仪(激光雷达),用于城市大气环境和城市污染源的高时空分辨率探测;研制开发便携式现场污染事故应急监测仪器。

  加强数据处理技术研究与软件开发,提高数据分析的精度和效率

  无人机系统在数据采集过程中有其自身的特殊性,如低空飞行、姿态不稳定、姿态参数少等。传统航空数据处理方式在无人机数据处理过程中的适用性往往相对较差,开展针对无人机系统特点数据处理技术与软件开发,提高数据分析的精度和自动化是实现无人机遥感技术在环境监测领域应用重要手段之一。例如,针对无人机遥感影像数据,应加强无控制点、姿态参数少情况下的图像匹配与纠正技术研究,开发相关软件,提高影像数据处理的精度与效率;而针对其他环境监测指标数据,如何与地面监测指标集成处理,实现空地一体化数据综合应用也是无人机遥感技术研发的一个重要方向。

  提高数据链路传输能力

  随着无人机机载能力与数据精度需求的提高,对数据链传输能力在数据传输速率、抗干扰能力以及作用距离等方面提出了更高的要求。而无人机数据链系统的技术难点主要表现在无线传输环境的半物理仿真、基于软件无线电的自适应数字下变频技术、非对称调制的抗干扰体制和基于图形化编程语言Agilent VEE以及网络环境的微波仪表功能集成与远程控制技术。除加强上述关键技术难点攻关之外,数据链的通用化、系列化与模块化也是国内外无人机系统主流的重要发展趋势之一。因此,未来还应加强相关标准规范的编制。

  无人机航空遥感作为一项有潜力的环境监测技术,在过去的几十年里得到了快速的发展。目前我国已经提出了建立“天空地”一体化环境监测网络体系的构想,无人机在大气、海洋、水体、地质灾害、生态等多个环境监测领域的研究已经陆续开始,相信随着无人机平台技术、环境传感器技术、环境遥感技术的不断成熟,基于无人机遥感技术的环境监测系统将以其诸多难以替代的优势在环境监测领域发挥日益重要的作用。


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