任 航

(遼寧省基礎(chǔ)測繪院，遼寧 錦州 121000)

基于微小型無人機的遙感信息獲取關(guān)鍵技術(shù)研究

任 航

(遼寧省基礎(chǔ)測繪院，遼寧 錦州 121000)

隨著當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微小型無人機在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的推廣和應(yīng)用，因為通過微小型無人機的遙感信息獲取技術(shù)不僅效率高，獲取數(shù)據(jù)及時，而且運行的成本也比較低，也正是因為這些特點，這一技術(shù)是當(dāng)前進(jìn)行農(nóng)業(yè)信息收集最主要的一種方法，也是未來農(nóng)發(fā)展的趨勢所在。本文通過對微小型無人機遙感信息獲取技術(shù)以及平臺的發(fā)展等方面進(jìn)行具體分析，將微小型無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用深入了解，明確了微小型無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要性，更好的促進(jìn)合一技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

為小型無人機 遙感信息獲取關(guān)鍵技術(shù) 研究

1 引言

隨著當(dāng)前我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也得到了快速的發(fā)展，以往的管理和養(yǎng)分診斷技術(shù)已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)的發(fā)展速度，為了更好的促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國家在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐漸開始實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)。這種生產(chǎn)方式能夠及時的對農(nóng)田的養(yǎng)分情況進(jìn)行獲取，一旦農(nóng)作物出現(xiàn)營養(yǎng)缺失問題，就可以及時的針對信息的獲取進(jìn)行水肥的調(diào)節(jié)和控制，另外，通過這種技術(shù)，還可以使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量和質(zhì)量得到保證，當(dāng)然這也是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用微小型無人機遙感信息獲取技術(shù)的根本目的。

2 微小型無人機概述

從目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，微小型無人機可以分為兩種類型，分別為：固定翼飛機和旋翼直升飛機。其中微小型旋翼無人直升飛機具有在定點懸停、垂直升降以及中慢速巡航的特點，鑒于這一特點，在實際的應(yīng)用中，可以實現(xiàn)高頻率、定點、高分辨率、多重復(fù)的進(jìn)行農(nóng)作物信息的獲取[1]。而微小型固定翼無人機在則具有操作簡單、抗風(fēng)能力強、成本低、安全性能好并且效率高的特點，不過在起飛以及飛行速度方面，這一機型的限制因素比較多。從目前的研究情況而言，美國、日本等國在無人機的發(fā)展方面以及取得了一定的成績，但是在實際的應(yīng)用中主要用于軍事方面，農(nóng)業(yè)方面都是使用有人駕駛機進(jìn)行作業(yè)。不過隨著我國近年來航空業(yè)的不斷發(fā)展，從事農(nóng)業(yè)的航空企業(yè)也得到了迅速的發(fā)展，并且已經(jīng)研制成功了具有多種功能特點的機型，這些無人機都是為了更好的對農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行獲取，對農(nóng)作物中的病害問題進(jìn)行具體的觀察以及數(shù)據(jù)的收集，尤其是針對一些飛行比較困難的地區(qū)利用高分辨率進(jìn)行影像的獲取方面，有著相當(dāng)明顯的優(yōu)勢。

3 利用微小型無人機進(jìn)行遙感信息處理和分析

3.1 微小型無人機荷載量以及穩(wěn)定性

利用微小型無人機進(jìn)行信息的農(nóng)作物信息的獲取中，如果受到其自身載荷量以及穩(wěn)定性的限制，就會出現(xiàn)收集到的圖像產(chǎn)生圖像重疊度不規(guī)則、傾角較大、數(shù)量較多以及像幅較小等問題。所以，如何在實際的應(yīng)用中能夠獲取到高質(zhì)量的圖像就成為了微小型無人機遙感技術(shù)能否得到推廣和使用的根本。因為微小型無人機在實際的運行中會因為安全性、成本、靈活性以及載荷問題限制其飛行時安裝的平衡控制系統(tǒng)以及導(dǎo)航系統(tǒng)的類型，因此就會導(dǎo)致最終成像的不夠精確化，對圖像的校正和配準(zhǔn)也會產(chǎn)生影響。

3.2 圖像的拼接和匹配

基于微小型無人機自身的特性，所以，關(guān)于圖像的拼接和匹配問題也難以實現(xiàn)自動化[2]。首先，從遙感器的匹配和拼接來說。因為微小型無人機在實際的應(yīng)用中，其覆蓋的面積比較小，并且成像的精度也比較低，因此在最后使用的時候要對相應(yīng)的圖片進(jìn)行拼接和校正。無人機進(jìn)行航拍的時候，飛行姿態(tài)以及路線都會發(fā)生變化，另外，還存在鏡頭由于光線而發(fā)生的變化，因此，要想使最終獲得圖像信息的精確度得到保證，就需要通過相應(yīng)的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)自動糾正，提高模型的精確度。對于遙感信息的解析主要包括相關(guān)性分析、遙感信息識別、反演建模、特征值提取等方面，要想保證微小型無人機利用遙感信息技術(shù)準(zhǔn)確的收集相應(yīng)的信息，就需要利用準(zhǔn)確表征對目標(biāo)當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行解析。對于遙感信息的解析正確與否，直接影響著其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作用的有效發(fā)揮。通過具體的研究發(fā)現(xiàn)，微小型無人機的遙感信息系統(tǒng)，與其他的遙感平臺進(jìn)行解析的結(jié)果是一致的，當(dāng)前在這種解析的研究中，重點研究的還是針對不同的軟件進(jìn)行的遙感信息技術(shù)應(yīng)用解析模型的研發(fā)[3]。

3.3 遙感技術(shù)獲取信息系統(tǒng)

在微小型無人機的遙感信息獲取中，其借助的是飛行器這一平臺，利用遙感監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的獲取。這一系統(tǒng)分別由：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、三軸穩(wěn)定平臺、無線遙控系統(tǒng)、無人駕駛平臺、遙感傳感系統(tǒng)等組合而成。目前進(jìn)行遙感傳感器的方式不僅有數(shù)碼相機，而且還有側(cè)視雷達(dá)等種類，不過由于微小型無人機本身的載荷量比較小，因此一般都使用輕型多譜相機以及數(shù)碼相機。微小型無人機獲取信息的質(zhì)量，其根本前提就是飛行的安全性以及穩(wěn)定性，而影響無人機安全飛行的因素則是傳感器的質(zhì)量以及載荷量。

4 微小型無人機遙感技術(shù)在使用中存在的問題及發(fā)展

4.1 微小型無人機遙感技術(shù)在使用中存在的問題

在微小型無人機遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用，相關(guān)的學(xué)者以及研究人員雖然對其已經(jīng)進(jìn)行了不斷的改進(jìn)和完善，但是這一技術(shù)在實際的使用中，仍然存在許多問題需要解決，比如續(xù)航問題、平穩(wěn)性問題、圖像質(zhì)量、載荷能力、抗震性能等。在利用無人機遙感技術(shù)進(jìn)行圖像的獲取中，應(yīng)該從以下幾個方面進(jìn)行注意：首先，無人機本身由于體積小，所以不能承受較大的載荷，并且飛行受到風(fēng)力的影響比較大，而且續(xù)航還存在續(xù)航問題。另外，遙感器和無人機之間產(chǎn)生的誤差問題。其次，無人機的導(dǎo)航系統(tǒng)額精度不夠，平衡控制系統(tǒng)的質(zhì)量也得不到保證，因此具體的飛行狀態(tài)就會出現(xiàn)問題。再次航向的彎曲度設(shè)置以及重疊率不夠精確，這樣就會使圖像獲取的不夠全面或者發(fā)生重拍現(xiàn)象[4]。最后，因為其覆蓋范圍小，因此獲取的圖片比較小，數(shù)據(jù)量大，而且獲取的圖像沒有規(guī)律，這就導(dǎo)致了在匹配、拼接、校正中的工作難度加大。

4.2 微小型無人機遙感技術(shù)的發(fā)展趨勢

由于微小型無人機在實際的應(yīng)用中，其利用遙感技術(shù)獲取的信息精確度存在問題，并且在進(jìn)行農(nóng)作物信息的獲取中，還需要對無人機的機載譜成像儀，以及高穩(wěn)定性下所獲取的圖像進(jìn)行傳輸和處理，這樣才能更好的為農(nóng)作物的生產(chǎn)以及管理提供及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。具體需要從以下幾個方面進(jìn)行處理：首先，在相同的成本下，實現(xiàn)微小型無人機續(xù)航時間以及荷載力的有效提升。另外，對無人機的自主導(dǎo)航飛行系統(tǒng)以及平臺進(jìn)行優(yōu)化，并且不斷的進(jìn)行遙感技術(shù)的無線快速傳輸技術(shù)以及感穩(wěn)定性的自動導(dǎo)航飛控系統(tǒng)進(jìn)行完善，為了更好的適應(yīng)對需要檢測的區(qū)域進(jìn)行超低空、超視距、隨時起降等方面的要求，要在保證無人機安全飛行的基礎(chǔ)上提高其穩(wěn)定性[5]。關(guān)于無人機的操縱性也應(yīng)該得到有效的控制，這樣才能保證獲取數(shù)據(jù)的精確度以及準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步對無人機獲取信息的技術(shù)進(jìn)行完善，不斷的進(jìn)行信息采集系統(tǒng)的研發(fā)，并且對校正系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)也應(yīng)該進(jìn)行不斷的完善，這樣才能更好的為促進(jìn)農(nóng)作物的生長和有效管理。最后，對于微小型無人機在數(shù)據(jù)以及圖像的采集以后，要對處理信息的系統(tǒng)進(jìn)行研究，實現(xiàn)對農(nóng)作物信息的實時解析，進(jìn)而為生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供決策支持。

5 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中微小型無人機的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的農(nóng)業(yè)將會以農(nóng)場為存在的載體，而且在作業(yè)中，都會實現(xiàn)機械化作業(yè)。那么，要對這種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式進(jìn)行有效的經(jīng)營和管理，就離不開先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，如果農(nóng)作物中一旦會出現(xiàn)問題就難以對大面積的農(nóng)作物進(jìn)行有效的控制，因此，必須在作業(yè)中以防為主，必須實現(xiàn)對農(nóng)作物進(jìn)行大面積的無損檢測，這樣才能對其的生長狀況以及營養(yǎng)狀況進(jìn)行有效的了解，這種方法在一些作物種類分布比較多的區(qū)域尤其適用，能夠快速準(zhǔn)確的對作物進(jìn)行生長狀況的判斷，對農(nóng)場實現(xiàn)精細(xì)化管理，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。在使用微小型遙感技術(shù)進(jìn)行農(nóng)作物信息的獲取中，能夠快速的進(jìn)行高分別率監(jiān)測圖像的獲取，就目前的發(fā)展現(xiàn)狀而言，這種方法是對農(nóng)作物信息進(jìn)行獲取的最通用的一種方法。但是這種方法在進(jìn)行信息的獲取中，最大的問題就是精度不夠準(zhǔn)確并且獲取圖像的成本也比較高，另外氣象因素信息的獲取以及所收集到的信息的實時性都存在著一定的問題。遙感技術(shù)進(jìn)行信息的獲取這一技術(shù)在我國發(fā)展的比較晚，在研究的過程中，相關(guān)的科研人員分別對旋翼無人機對于水稻的信息通過遙感技術(shù)進(jìn)行了獲取，并且進(jìn)行了相應(yīng)的模型的建立，此外，還利用無人機對水稻的冠層以及葉片通過掃描儀進(jìn)行了數(shù)字圖像的獲取，并且對其進(jìn)行了綜合生長狀況的分析，實現(xiàn)對水稻生長情況的了解[6]。此外，還有相關(guān)科研人員對冬小麥利用微小型無人機也進(jìn)行了不同生育時期的監(jiān)測，并且形成了時間序列影像，這種方式的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對大面積的農(nóng)作物進(jìn)行覆蓋度以及生長情況的了解。最后，研究人員對高分辨率的農(nóng)作物的遙感影像特點也進(jìn)行了分析，研究出了農(nóng)作物快速分類的提取的方法，并且還將這一方法與常用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、最大似然、自動迭代法以及支持向量機幾種通用的遙感技術(shù)進(jìn)行了對比，通過對比發(fā)現(xiàn)，這種方式可以對不同的種類的農(nóng)作物通過高分辨率無人機進(jìn)行信息的獲取，并且其正確率和速度都是相當(dāng)高的。

6 結(jié)束語

綜上，微小型無人機遙感技術(shù)在當(dāng)前農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，不僅能夠?qū)r(nóng)作物的相關(guān)生長信息進(jìn)行有效的獲取，而且還能對收集到的信息進(jìn)行快速的處理、解析，研究其中存在的問題，由此就可以看出這一技術(shù)在目前農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要作用[7]。要想使微小型無人機遙感技術(shù)得到提高，促進(jìn)其在農(nóng)業(yè)中得到更好的發(fā)揮，就需要對其的荷載力、穩(wěn)定性、分辨率、續(xù)航力等方面存在的問題，進(jìn)行進(jìn)一步的研究，不斷的進(jìn)行完善和發(fā)展，這樣才能更好的進(jìn)行農(nóng)作物信息的獲取，實現(xiàn)對其生長狀態(tài)的準(zhǔn)確分析和判斷，為農(nóng)作物的管理提供有效依據(jù)，最終實現(xiàn)對農(nóng)作物的精準(zhǔn)管理，促進(jìn)農(nóng)業(yè)在微小型無人機遙感技術(shù)推動下的不斷發(fā)展。

[1] 翁玉坤,劉排英.遙感技術(shù)在土地調(diào)查與動態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用綜述[J].北京測繪,2009,15(9):372-373.

[2] 李冰,劉镕源.基于低空無人機遙感的冬小麥覆蓋度變化監(jiān)測[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,8(13):156-157.

[3] 張園,陶萍.無人機遙感在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用[J]. 西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,18(03):87-88.

[4] 陳貽國,申燊.基于無人機的圖像和GPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J]. 微型機與應(yīng)用,2012,22(01):112-113.

[5] 孫杰，林宗堅. 無人機低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 遙感信息，2003,23(1)：49-50.

[6] 白由路. 農(nóng)業(yè)低空遙感技術(shù)及其應(yīng)用前景[J]. 農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2010,15(1)：5-7.

[7] 吳云東，張強. 無人直升機低空數(shù)字?jǐn)z影與影像測量技術(shù)[J]. 測繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報，2007，24(5)：328-331.

Research on Key Technology of Remote Sensing Information Acquisition Based on Micro and Small UAV

REN Hang

(The Basis Surveying and Mapping Institute of Liaoning Province，Jinzhou Liaoning 121000,China)

With the development of current science and technology, micro unmanned aerial vehicle (UAV) in the field of agriculture has been extensive promoted and applled, because the micro miniature UAV remote sensing information acquisition technology not only has a high efficiency, timely access to data and operation cost is relatively low. It is precise because of these characteristics, and this technology is the agricultural information collection the main method, which is the trend of the future agricultural development. In this paper, by making a detailed analysis of micro UAV remote sensing information acquisition technology and platform development aspects, micro-no make in-depth understanding of the application of computer in the agricultural production is proposed. It is conduded the imporlance of micro UAV application in agriouture, which is helpful to promote the its application.

micro unmanned aerial vehicle; remote sensing information acquisition key technology; research

2016-7-12

P237

B

1007-3000(2016)06-3