黃華明,湯仲安

(湖南省測(cè)繪科技研究所,湖南 長(zhǎng)沙 410007)

無(wú)人駕駛飛機(jī)在湖南國(guó)土資源管理中的應(yīng)用

黃華明,湯仲安

(湖南省測(cè)繪科技研究所,湖南 長(zhǎng)沙 410007)

針對(duì)航空攝影和衛(wèi)星遙感受諸多因素制約的缺陷,開(kāi)展無(wú)人駕駛飛機(jī)在湖南國(guó)土資源管理中的應(yīng)用研究。從無(wú)人飛機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)、系統(tǒng)組成、技術(shù)設(shè)計(jì)方案3方面入手,分析此技術(shù)方法的可行性,并獲得理想實(shí)用的航攝效果。

無(wú)人駕駛飛機(jī);國(guó)土資源管理;遙感

近年來(lái),無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速,成為國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn),逐步應(yīng)用到社會(huì)各領(lǐng)域。在國(guó)外,美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已將該技術(shù)大量應(yīng)用于國(guó)土、林業(yè)、環(huán)保、軍事等眾多領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi),只有幾家科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)、公司從事無(wú)人機(jī)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,在國(guó)土資源管理領(lǐng)域的應(yīng)用研究剛剛起步。

2008-05-05,湖南省人民政府下發(fā)《湖南省人民政府關(guān)于加強(qiáng)測(cè)繪工作的通知》(湘政發(fā)〔2008〕10號(hào)),明確指出:“加強(qiáng)應(yīng)急測(cè)繪裝備建設(shè),建立無(wú)人機(jī)航空遙感數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)”。在湖南省科技廳和國(guó)土資源廳的支持下,《無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》很快通過(guò)立項(xiàng),由湖南省測(cè)繪科技研究所承擔(dān)該項(xiàng)目。幾個(gè)月來(lái)連續(xù)進(jìn)行澧縣縣城規(guī)劃的試飛試驗(yàn)、瀏陽(yáng)土地整理設(shè)計(jì)的飛行試驗(yàn)、醴陵土地節(jié)約集約利用的飛行試驗(yàn),取得初步成效。

1 系統(tǒng)特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)數(shù)碼攝影測(cè)量技術(shù)是綜合利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙控程控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)的遙感應(yīng)用技術(shù),具有自動(dòng)化、智能化、專(zhuān)用化快速獲取國(guó)土、資源、環(huán)境等空間遙感信息,完成遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的應(yīng)用技術(shù),是繼衛(wèi)星遙感和普通航空攝影測(cè)量技術(shù)之后,發(fā)展起來(lái)的一種新型航空遙感技術(shù)手段,該技術(shù)具有如下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1.1 使用成本低、操作簡(jiǎn)單

該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、操作培訓(xùn)簡(jiǎn)單,可以根據(jù)任務(wù)需要隨時(shí)工作。無(wú)人機(jī)起降采用彈射起飛、傘降降落方式,飛行高度可達(dá)4 000 m以上,完全可以適應(yīng)湖南省的各種地形地貌地區(qū)應(yīng)用。無(wú)人機(jī)能低空云下攝影,再加上其快速機(jī)動(dòng)性能,可航攝飛行的天氣遠(yuǎn)多于普通航空攝影(見(jiàn)圖1～圖3)。

1.2 機(jī)動(dòng)快速的響應(yīng)能力

在接到航攝任務(wù)后,該技術(shù)系統(tǒng)可以做到快速出動(dòng)、快速獲取、快速處理、快速分析判別,具有成圖周期短、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1.3 高分辨率航空影像獲取能力

該系統(tǒng)能夠獲取優(yōu)于8 cm的高分辨率影像,影像色彩豐富、清晰、直觀(guān)、準(zhǔn)確,能夠滿(mǎn)足大比例尺成圖、地類(lèi)判別、土地信息提取等,可作為重要的決策依據(jù)。

1.4 航攝影像的快速處理能力

該系統(tǒng)采用數(shù)字遙感設(shè)備,獲取的高分辨率影像可直接傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)處理。通過(guò)專(zhuān)用的自動(dòng)空三、自動(dòng)糾正、自動(dòng)拼接、矢量測(cè)圖軟件快速生成土地開(kāi)發(fā)整理所需的DEM、正射影像圖、地形圖等數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖 4)。

圖4 瀏陽(yáng)土地整理片局部航攝成果

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)、任務(wù)載荷子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)等組成,見(jiàn)圖5。

圖5 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)

1)研制的小飛機(jī)按照工程化、實(shí)用化要求,進(jìn)行氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)、風(fēng)洞試驗(yàn)、震動(dòng)和沖擊試驗(yàn)。

2)基于微小型陀螺、加速度計(jì)、氣壓高度表、GPS芯片實(shí)現(xiàn)小型無(wú)人機(jī)控制與導(dǎo)航系統(tǒng)集成,并對(duì)其進(jìn)行電磁兼容、抗干擾試驗(yàn)。

3)地面站硬件設(shè)備選用性能良好的工控計(jì)算機(jī)和數(shù)傳電臺(tái),抗震動(dòng)、抗沖擊、抗干擾,遙測(cè)遙控一體化,既能架設(shè)在地面也可集成到車(chē)輛中。

4)遙控系統(tǒng)軟件界面設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單、易掌握、功能全。在選用電子地圖、掃描后地形圖、衛(wèi)星影像等作為底圖后,通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可進(jìn)行航線(xiàn)規(guī)劃、指令發(fā)送,要做到用鼠標(biāo)就能夠“指揮”無(wú)人機(jī)飛行;顯示無(wú)人機(jī)位置、高度、飛行方向、飛行軌跡等遙測(cè)信息;顯示數(shù)碼相機(jī)的工作狀態(tài)、曝光點(diǎn)位、像片數(shù)量等信息。

5)開(kāi)發(fā)彈射起飛和傘降裝置,使無(wú)人機(jī)能在田間地頭、空地、沙灘、草地等處起飛和降落,滿(mǎn)足各種地形地貌地區(qū)的應(yīng)用。

2.2 任務(wù)荷載子系統(tǒng)

1)選用數(shù)碼相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)作為任務(wù)荷載,集成到無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中,形成無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)。

2)數(shù)碼相機(jī)通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定時(shí)、等間距曝光。

3)選用視頻圖像傳輸設(shè)備,用于監(jiān)測(cè)區(qū)視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸、瀏覽和存儲(chǔ);機(jī)上搭載數(shù)碼攝錄機(jī)和圖像發(fā)射機(jī),地面為圖像接收機(jī)和監(jiān)視器。

4)開(kāi)發(fā)POS裝置并集成到系統(tǒng)中,自動(dòng)采集每張遙感影像曝光時(shí)刻的位置、姿態(tài)、方向數(shù)據(jù),在獲取影像同時(shí)獲取其定位信息,為遙感影像數(shù)據(jù)的快速處理提供初始值。

2.3 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

1)利用POS數(shù)據(jù),現(xiàn)場(chǎng)1 h內(nèi)實(shí)現(xiàn)遙感影像飛行質(zhì)量的自動(dòng)檢查。

2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)遙感影像的預(yù)處理、空三平差、粗糾正、快速拼接。

3)提供所需的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式,通過(guò)影像匹配技術(shù),自動(dòng)提取地物變化區(qū)域的信息,自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表。

3 技術(shù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)研究集航空、人工智能、測(cè)繪、信息系統(tǒng)等多門(mén)學(xué)科于一體,涵蓋了導(dǎo)航、航空遙感、攝影測(cè)量、大地測(cè)量、通訊、計(jì)算機(jī)、土地規(guī)劃、制圖、信息系統(tǒng)等多種專(zhuān)業(yè),具有較強(qiáng)專(zhuān)業(yè)性和復(fù)雜性。在研究過(guò)程中,把握好先進(jìn)性和實(shí)用性原則,做到統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一協(xié)調(diào),使無(wú)人機(jī)航飛遙感、外業(yè)控制測(cè)量、外業(yè)調(diào)繪、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和成圖等每項(xiàng)技術(shù)工作達(dá)到高度統(tǒng)一,各項(xiàng)成果達(dá)到高效率、高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)圖6。

3.1 技術(shù)路線(xiàn)

無(wú)人機(jī)具體技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)路線(xiàn)

3.2 作業(yè)流程

目的論有三個(gè)指導(dǎo)原則，分別是目的原則，連貫原則和忠誠(chéng)原則。這三個(gè)原則之間有先后等級(jí)之分，連貫的優(yōu)先級(jí)高于忠誠(chéng)，同時(shí)這兩個(gè)原則要以目的原則為前提[2]。在該理論的視角下，一切翻譯行為都必須首先服從“目的原則”，也就是譯文應(yīng)該根據(jù)所要達(dá)到的效果進(jìn)行語(yǔ)言上的組織，同時(shí)還應(yīng)該被目的語(yǔ)讀者接受[3]。譯文所要達(dá)到的效果是譯者選擇翻譯技巧首要需要考慮的因素，也就是效果決定技巧[4]。連貫的核心思想是翻譯成果被目的語(yǔ)讀者理解，符合其閱讀習(xí)慣和思維方式。在忠實(shí)原則視角下，譯文應(yīng)該最大限度地再現(xiàn)原文的內(nèi)容和神韻，但是再現(xiàn)程度根據(jù)譯文所要達(dá)到的功能而有所不同。

無(wú)人機(jī)具體作業(yè)流程見(jiàn)圖7。

圖7 無(wú)人機(jī)作業(yè)流程

3.3 關(guān)鍵技術(shù)研究及存在的問(wèn)題

1)系統(tǒng)集成技術(shù)。將無(wú)人駕駛飛行平臺(tái)、機(jī)載遙感設(shè)備、GPS導(dǎo)航定位裝置、GIS地圖數(shù)據(jù)、地面監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行集成,實(shí)現(xiàn)“3S”集成應(yīng)用。開(kāi)發(fā)的程控和自主飛行系統(tǒng)可減少系統(tǒng)操作人員工作難度、提高系統(tǒng)的控制精度。通過(guò)多次試驗(yàn)研究改造,集成度大大提高,重量越來(lái)越輕,體積越來(lái)越小,操作越來(lái)越簡(jiǎn)便。但集成空間還很大,有待進(jìn)一步研究。

2)飛行安全技術(shù)。飛機(jī)的安全關(guān)鍵是起飛和降落,由于飛機(jī)小而輕穩(wěn)定性差,抗干擾性弱,小飛機(jī)跑道滑行受損、墜落的現(xiàn)象高于大飛機(jī)。現(xiàn)在從跑道式起飛改成彈射式起飛,安全性大為提高,但安全性還遠(yuǎn)低于大飛機(jī)。此外傘降的危險(xiǎn)性和對(duì)飛機(jī)的損傷始終存在。

3)相機(jī)定標(biāo)技術(shù)。為使獲取的影像滿(mǎn)足大比例尺測(cè)圖精度要求,需對(duì)專(zhuān)業(yè)相機(jī)進(jìn)行精確檢校。根據(jù)相機(jī)幾何成像模型作相關(guān)檢較工作,得到相機(jī)內(nèi)、外參數(shù)。使用現(xiàn)有檢校場(chǎng)對(duì)相機(jī)進(jìn)行定期檢測(cè),對(duì)CCD芯片和鏡頭產(chǎn)生的不規(guī)則畸變測(cè)定逐個(gè)像素的畸變量。運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)模型編制專(zhuān)門(mén)軟件自動(dòng)對(duì)影像進(jìn)行畸變糾正處理。

4)大比例尺成圖技術(shù)。因?yàn)樵囼?yàn)處于技術(shù)開(kāi)發(fā)階段,目前,只能處理1∶10 000比例尺地形圖要素的更新工作,更大比例尺的處理技術(shù)尚不成熟。此外,目前使用的是單鏡頭相機(jī),不利于成圖,有待將來(lái)使用多鏡頭相機(jī)進(jìn)行航攝。

4 應(yīng)用前景探討

進(jìn)行城鎮(zhèn)規(guī)劃、土地整理設(shè)計(jì)、土地節(jié)約利用等方面的飛行試驗(yàn),效果比較理想,很受用戶(hù)的歡迎。

目前,土地監(jiān)測(cè)工作主要采用人員地面檢查、衛(wèi)星遙感技術(shù)和傳統(tǒng)航空攝影技術(shù),但這3種方法均有其不足之處:

1)地面檢查方式需要大量人力、物力、效率低下;

2)衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)采購(gòu)周期長(zhǎng)、衛(wèi)星影像的分辨率較低;

3)航空攝影受空域管制和氣候等因素制約,且成本高。

為了對(duì)我省重點(diǎn)地區(qū)和熱點(diǎn)地區(qū)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)式循環(huán)監(jiān)測(cè),對(duì)違規(guī)違法用地、濫占耕地、破壞生態(tài)環(huán)境等現(xiàn)象做到及早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)制止,迫切需要從技術(shù)上開(kāi)發(fā)并建立更加快速、高效、直觀(guān)的國(guó)土資源監(jiān)察系統(tǒng)。無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)由于具有機(jī)動(dòng)快速、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)、成本低、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn),無(wú)疑成為衛(wèi)星遙感與傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)的有力補(bǔ)充。

4.2 礦山資源監(jiān)測(cè)的需要

近年來(lái),礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)秩序混亂。整頓和規(guī)范礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)秩序,需要利用有效地監(jiān)測(cè)技術(shù)手段全面、快速、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)地調(diào)查礦山的數(shù)量、分布、性質(zhì)、勘察和開(kāi)采情況,為礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)監(jiān)督管理部門(mén)提供決策依據(jù)。

利用無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在我省開(kāi)展礦山資源環(huán)境監(jiān)測(cè)工作,能夠獲取礦山環(huán)境實(shí)時(shí)影像,為及時(shí)查處和糾正礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)中出現(xiàn)的問(wèn)題,規(guī)范和整頓礦產(chǎn)資源管理和開(kāi)發(fā)秩序,保障國(guó)家礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)的可持續(xù)發(fā)展,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.3 測(cè)繪管理的需要

無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遵循航空攝影測(cè)量原理?；诟叻直媛蔬b感影像制作出測(cè)繪所需的大比例尺數(shù)字正射影像圖(DOM)、數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字線(xiàn)劃圖(DLG)。在大比例尺數(shù)字產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行制圖,能夠快速更新國(guó)家基本比例尺地形圖。

4.4 其他行業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)提供的地面彩色正射影像圖其分辨率達(dá)8 cm,能夠準(zhǔn)確計(jì)算出熱點(diǎn)面積、長(zhǎng)度、高程等信息,應(yīng)用領(lǐng)域廣闊。

城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃:基于高分辨率城鎮(zhèn)影像圖,可對(duì)現(xiàn)有城鎮(zhèn)規(guī)模結(jié)構(gòu)、職能分工和空間布局進(jìn)行合理調(diào)整,科學(xué)制定區(qū)域交通、通信、能源、供水、排水、防洪等布局規(guī)劃,發(fā)揮城鎮(zhèn)整體效益。

自然災(zāi)害監(jiān)測(cè):我國(guó)(特別是湖南省)是自然災(zāi)害頻發(fā)的地方,災(zāi)害類(lèi)型繁多,地類(lèi)復(fù)雜。基于數(shù)字正射影像圖,災(zāi)害發(fā)生前,可做好相應(yīng)防范工作;災(zāi)害發(fā)生中,可及時(shí)了解災(zāi)害現(xiàn)狀,預(yù)測(cè)蔓延趨勢(shì),做好應(yīng)急決策;災(zāi)害發(fā)生后,進(jìn)行災(zāi)后損失評(píng)估,做好相應(yīng)善后等工作。

水利部門(mén)應(yīng)用:基于數(shù)字正射影像和數(shù)字高程模型,不僅能為大型水工建筑物(橋梁、堤壩、水庫(kù)、閘門(mén)等)提供選址服務(wù),還能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其施工進(jìn)程;此外,還可以進(jìn)行水資源調(diào)查、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水土保持監(jiān)測(cè)和泄洪區(qū)淹沒(méi)范圍預(yù)演等,便于防汛指揮調(diào)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有造價(jià)低、性能強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性高等優(yōu)點(diǎn),是對(duì)傳統(tǒng)的航空攝影測(cè)量技術(shù)、現(xiàn)代遙感技術(shù)、圖像處理技術(shù)、GPS等多種學(xué)科繼承和發(fā)展,獲取的高分辨率影像能夠?yàn)樯鐣?huì)各部門(mén)提供快速及時(shí)信息,從而增強(qiáng)決策能力和服務(wù)水平,具有廣闊的開(kāi)發(fā)價(jià)值和推廣應(yīng)用前景。系統(tǒng)不但滿(mǎn)足國(guó)土資源,也滿(mǎn)足城市規(guī)劃、城鄉(xiāng)建設(shè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、防災(zāi)減災(zāi)、精細(xì)農(nóng)業(yè)及交通管理等多種現(xiàn)代化、信息化管理需求,是促進(jìn)我省社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必備和急需的現(xiàn)代空間數(shù)據(jù)獲取裝備,最終可建成一個(gè)多用途的綜合信息服務(wù)系統(tǒng)。

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Research on application of pilotlessaircraft in management of land and resources in Hunan

HUANG Hua-ming,TANG Zhong-an
(Hunan Institute of Surveying and Mapping Technology,Changsha 410007,China)

Aiming at the deficiency of the satellite remote sensing and aerial photography restricted by a good many factors,research on app lication of pilotless aircraft in management of land and resources in Hunan is developped.The ideal app lied effect is acquired by adop tion of the paratactical technical method on research,design and app lication.The research has broad p rospect fo r app lication.

pilotless aircraft;management of land and resources;remo te sensing

P208

A

1006-7949(2010)01-0042-04

2009-08-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2008BAJ11B03-04)

黃華明(1954-),男,高級(jí)工程師.

[責(zé)任編輯李銘娜]