轻小型无人机遥感系统关键技术研究

轻小型无人机遥感系统关键技术研究

摘要：遥感是以航空、航天摄影技术为基础，在20世纪60年代初发展起来的

一门新兴技术。经过几十年的发展，遥感技术已广泛应用于资源调查、环境监测、情报侦察等各个领域，是开展经济建设、维护国家安全不可或缺的技术手段。遥

感系统由平台、传感、接收、处理等系统组成，完成对探测对象电磁波辐射的收集、传输、校正、转换和处理的全部过程，将物质与环境的电磁波特性转换成图

像或数字形式。传统的遥感方式主要以卫星和大型固定翼飞机为承载平台，利用

星载或机载传感器完成信息采集。受制于卫星回归周期、轨道高度、气象、以及

空域管制等因素影响，传统的遥感方式缺乏机动快速的能力，很难满足常态化侦

察和实时测绘的需求。

关键词：轻小型无人机；遥感系统；关键技术

无人机是一种无人驾驶的航空器，经过近一个世纪的发展，已经形成了一个

完整的体系。近年来，轻小型无人机成为热点，主要体现为重量越来越轻、体积

越来越小，且结构上由固定翼转向旋翼，如大疆的四旋翼无人机，已在多个领域

得到广泛应用。利用轻小型无人机进行遥感探测，具有成本低、实时性强、影像

分辨率高、作业方式灵活等显著优点，可有效弥补传统遥感方式的不足，因而也

是当前的研究热点。本文以轻小型无人机遥感为背景，分析面临的主要问题，明

确其关键技术，给出系统实现方案。

1无人机以及无人机遥感系统的发展

无人机就是依靠无线遥感设备或计算机编程来控制，并且能够实现无人驾驶，具有动力设备以及导航设备的航空器，无人机遥感系统主要由八大部分组成：无

人机飞行平台、数据链路、遥感监测平台、实时监控平台、地面测控系统、地面

保障系统（含发射系统）、动态遥感监测决策支持系统和后期处理系统。近些年来，关于无人机的研究技术已经日趋成熟，截止到2015年年底，已经有50个以

上的国家拥有多达300架无人机，虽然无人机的数量并不多，但是其种类却非常

多样，按照不同的分类方式可以将无人机分为多种类型。根据无人机使用动力为

可以将无人机分为燃油无人机、太阳能无人机以及燃料电池无人机几种类型；根

据无人机用途为分类条件可以将无人机分为军用无人机、民用无人机等等；根据

无人机可飞行的航程远近可以将其分为远程无人机、近程无人机、中程无人机等等。根据无人机重量的大小可以分为微型无人机、小型无人机、大型无人机等等。目前国内先进的无人机可持续飞行1600km，滞空时间最高可达16h以上，一次

可以设定达100个航点，在设定航点飞行完毕后，可实时上传新航点，保证系统

的连续不间断工作，免去降落后再次输入区域监测航点的操作。

无人机遥感系统是一套信息系统依赖于各种技术数据支持，无人机遥感系统

可以监测地面设备、无人机载荷和不相关的数据在人的身上，从目前来看，遥感

技术已经在许多行业推广。与其他遥感技术相比，无人机遥感技术具有许多优点。未取得无人机遥感技术的图像数据主要依赖于无人机遥感平台固定翼和对遥感平

台的稳定旋转翼和其他成分很高，可以实现长时间的身体，大功率和在极端天气

条件下工作。此外，无人遥感技术的应用可以有效地避免由于地面空间有限或控

制中心工作量大而对飞行造成的不利影响。。

2主要技术问题

2.1平台局限性

轻小型无人机由于自身质量较轻，受风的影响大，影像航向重叠度和旁向重

叠度都不够规则，影像倾角过大，且倾斜方向没有规律，对地图测绘及目标识别

而言，影像旋偏角大，影响测绘与识别的效率和精度。

2.2飞行高度局限性

轻小型无人机通常飞行高度较低，由于相机焦距限制，容易造成单张影像像

幅小、像对多，其数据处理的工作量将会有较大增加。

2.3载荷局限性

轻小型无人机由于结构尺寸较小，其载荷的摄影基线较短，影响测绘成果的

高程精度；且所搭载的相机多为非专业量测相机，存在较大畸变，所获取图像需

要进行较为严格的前期矫正和后期处理。由以上可看出，轻小型无人机遥感由于

自身条件等原因存在一定局限性，而这种局限性最终体现在影像处理的复杂度进

一步提高，虽然遥感影像的处理技术已大体成熟，但是基于无人机影像特点的处

理方法还有待更深入的探究。

3关键技术

3.1航线规划

传统的航线规划采用外接矩形包含任务区域的方法进行航摄，效率较低且容

易生成较多无效的影像数据。研究如何在不规则任务区域进行高效的航线规划，

将有效降低后期处理的工作量。

3.2影像校正

通常的几何校正需要在航摄区域布设一定数量的地面控制点，但在野外、灾

害发生区域等很难得到实测控制点。研究无地面控制点辅助的情况下，如何实现

精确的影像几何校正是一个必须关注的问题。

3.3影像拼接

影像拼接的基本任务是将多幅小范围影像序列拼接成有价值的大幅面影像。SIFT特征匹配算法应用于无人机影像匹配具有精度高、鲁棒性好等优势，但运算

量大，无法实现实时匹配。进一步研究兼顾精度和运算速度的算法仍有必要。

3.4影像融合

轻小型无人机在获取影像时，由于飞行姿态不稳定，以及影像存在光强和色

彩差异，影像拼接线附近会有明显的边界痕迹和颜色差异，因此需要对拼接后的

影像进行融合处理。传统的加权平均算法是根据固定的矩形重叠形状进行权值分配，但影像拼接后的重叠区域往往不规则，较难满足实际需求。

4系统实现方案

4.1控制系统

完成无人机航线规划和飞行控制，前者设定无人机的飞行路线，规划飞行任务；后者用于飞行时的实时控制和交互操作。

4.2无人机遥感平台

该平台是无人机遥感系统的传感器承载平台，由四旋翼无人机、相机、云台、GPS定位系统、以及数传系统等组成，完成对地连续垂直拍照任务，并将其相应

位置及飞行状态数据实时回传。

4.3影像处理系统

该系统对遥感影像进行处理，包括矫正、拼接、融合等。在此基础上，系统

可面向具体应用进行扩展，如影像查询与浏览、地图测绘、农林普查、战场侦察、变化检测等。在每次实施作业之前，需对探测区域进行分析，确定飞行航线，然