CN103438869B - 一种大尺度植被覆盖度航空动态获取系统 - Google Patents
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Abstract
一种大尺度植被覆盖度航空动态获取系统，它由无人机平台、GPS接收机、自动导航仪、航摄固定装置、数码航摄仪、无线数字图像传输系统、导航控制器、笔记本电脑硬件和航摄任务飞行管理与控制系统、植被覆盖度动态获取系统两个软件组成，数码航摄仪安装于无人机平台的航摄固定装置上，航摄固定装置、GPS接收机、自动导航仪和无线数字图像传输系统安装于无人机平台上，两个软件安装于笔记本电脑，无人机通过自动导航仪实现飞行，通过导航控制器引导、调整无人机飞行和降落，通过无线数字图像传输系统和植被覆盖度动态获取系统软件观测数码航摄仪拍摄的影像并抓拍照片，整体直接计算植被覆盖度信息。
Description
技术领域
本发明是水利及水土保持监测业务中使用的一种大尺度植被覆盖度航空动态获取系统（LSVC-ADAD），它被用于野外对大范围、特别是工作人员难以到达区域地表覆盖进行动态观测、拍照，结合植被覆盖度动态获取系统（VC-DAS）实时、动态、批量整体直接测算大尺度植被覆盖度信息，属于水利行业技术应用领域。
背景技术
植被覆盖度指包括乔、灌、草和农作物在内的所有植被的冠层、枝叶在生长区域地面的垂直投影面积占研究统计区域面积的比例。作为表征植被覆盖状况的重要指标，植被覆盖度是水利和水保行业比较关注和亟需获取的基础数据，在降雨-径流、土壤侵蚀、非点源污染、蒸散发等模型模拟和干旱监测等业务中具有广泛应用。提取植被覆盖度信息涉及到的关键问题，一是要求获取植被垂直投影，二是植被在不同研究区面积范围内的覆盖度值不同，即具有尺度效应，对相关模型尺度效应具有一定影响。考虑到模型应用对较大尺度植被覆盖度信息要求和野外作业时工作人员的可达性，研制获取较大面积范围地面植被影像照片的硬件装置平台和覆盖度信息提取软件系统，成为获取大尺度植被覆盖度信息的迫切需求。
目前获取较大研究区面积植被覆盖度信息可通过样本统计测算和整体直接测量两种途径。样本统计测算，是按照统计学要求，在研究区内抽取一定数量的样方区域，通过测算样方区域植被覆盖度来估算整个研究区域的植被覆盖度，地面调查工作量较大。整体直接测算，是通过将研究区植被生长环境要素、时空要素与植被覆盖度地面测量数据进行耦合，在一定尺度内建立植被覆盖度的统计模型，或利用遥感影像波谱提取植被信息，再与植被覆盖度建立相关关系，或用对影像像元进行分解的方法计算植被覆盖度。其中，经验模型主要适用于植被生长情况较为一致的研究区域，如较大面积的农作物植被盖度监测，要求在获取地面植被覆盖度数据的基础上，获得大量植被生长环境要素和时空要素，所建立模型可移植性差；遥感技术则为地表植被生长情况不一致的大范围盖度测量提供了可能，利用光谱信息与地面植被覆盖度建立模型关系，获取大面积地面植被覆盖度，该方法可大致分为统计模型法和物理模型法，前者具有简单易于计算的有点，但需要大量实测数据，时空移植性差，后者利用植被光谱信息特征，选取与植被盖度有较好相关性的植被指数估算植被盖度，普适性好，但消除背景信息影响能力差，精度相对较低；像元分解模型法，对遥感数据空间分辨率要求较高，限制了方法推广。由此可见，以上三种方法各有利弊，都可以用于较大面积宏观植被覆盖度信息提取，工作效率较高，但都需要大量实测数据，算法移植性和精度的矛盾较为突出，且遥感数据的可获得性和实效性无法保障。综合以上分析，如何避免大量地面实测工作，获取较大面积的实效性地面植被信息，通过可靠算法实时整体直接测算地面宏观植被覆盖度信息，成为水利和水保行业的迫切业务需求。
针对水利和水保行业的业务需求，水利部遥感中心基于无人机平台和植被覆盖度动态获取系统工作基础上，充分发挥无人机平台在大面积宏观植被信息获取上的独特优势及植被覆盖度动态获取系统（VC-DAS）在实时影像显示、抓拍、数据处理和盖度信息实时性计算上的特点，自主研发了大尺度植被覆盖度航空动态获取系统，为水利行业相关领域野外作业人员快速、批量获取较大范围宏观植被覆盖度信息提供技术支持。
发明内容
本发明的目的是提供一种大尺度植被覆盖度航空动态获取系统，它适用于野外较大范围地面植被信息航空采集和植被覆盖度信息整体直接动态测算的一种装置平台和软件系统，实现野外作业时较大面积地面照片采集和植被覆盖度信息实时动态测算，提高了野外工作效率，克服了工作人员对不可达区域的植被信息采集难题，拓展了大尺度植被覆盖度整体直接测算途径。
本发明的技术方案是：一种大尺度植被覆盖度航空动态获取系统，它利用无人机平台搭载数码航摄仪，耦合链接植被覆盖度信息专业处理软件，实现大尺度植被覆盖度信息整体直接测算。它由无人机平台、GPS接收机、自动导航仪、航摄固定装置、数码航摄仪、无线数字图像传输系统、导航控制器、笔记本电脑等硬件和航摄任务飞行管理与控制系统、植被覆盖度动态获取系统等软件组成（图1）。它们之间的位置连接关系是：数码航摄仪安装于无人机平台的航摄固定装置上，航摄固定装置、GPS接收机、自动导航仪和无线数字图像传输系统安装于无人机平台上，航摄任务飞行管理与控制系统、植被覆盖度动态获取系统软件安装于笔记本电脑，航摄任务飞行管理与控制系统可设置无人机飞行路线并实时显示无人机飞行状态，无人机平台通过自动导航仪实现飞行，通过导航控制器引导、调整无人机飞行和降落，通过无线数字图像传输系统和植被覆盖度动态获取系统软件观测数码航摄仪拍摄的影像并抓拍照片，整体直接计算植被覆盖度信息。
所述无人机平台，机身材料为玻璃钢，机身长1.0m，翼展1.58m，最大起飞重量5kg,最大任务载荷1kg，起飞和降落速度60km/h，爬升率3.5m/s，最大平飞速度100km/h,飞行高度150-350m，续航时间40min，动力为电动发动机，测控及图传半径20km,起降要求为橡皮筋弹射和伞降，自主飞行模式为GPS导航自动驾驶和遥控起飞降落。该无人机平台重量轻，机动灵活，适于各种复杂的起降条件，为市场购买产品。
所述GPS接收机，安装在无人机平台上，实现无人机定位，并接收导航控制器发出的指令，修正飞行路线，为无人机平台附属组件。
所述自动导航仪，根据航摄任务飞行管理与控制系统事先设定的飞行路线，通过GPS接收机定位信号，实现无人机线路飞行，为无人机平台附属组件。
所述航摄固定装置，用于数码航摄仪的固定，为无人机平台附属组件。
所述数码航摄仪，焦距35mm，CCD幅面为15500×10400，像素大小0.1cm,数据类型为RGB天然彩色，感光度ISO为400，实现对地面的航空拍摄，为市场购买产品。
所述无线数字图像传输系统，实现数码航摄仪拍摄图片的无线数字传输到植被覆盖度动态获取系统的摄像头影像展示和控制界面窗口，实现地面工作人员对数码航摄仪拍摄影像的动态监测，为无人机平台附属组件。
所述导航控制器，实现地面工作人员对无人机飞行姿态和线路的调整，并控制无人机降落过程，为无人机平台配套组件。
所述笔记本电脑，要求内存4G，硬盘320G，采用Win XP操作系统，用于航摄任务飞行管理与控制系统和植被覆盖度动态获取系统的安装。
所述航摄任务飞行管理与控制系统，可根据需要自定义地图，具备实时显示无人机坐标、方向、速度等参数功能，为无人机平台配套软件。
所述植被覆盖度动态获取软件，可实现对摄像头拍摄画面的实时显示和抓拍照片，快速处理照片，计算输出植被覆盖度结果，并具备对照片的裁剪、放大、缩小、移动、滤波处理等功能，已申请软件著作权（简称VC-DAS 1.0，登记号2012SR031945）。
本发明的工作原理和技术特点是应用无人机平台的飞行高度和对工作人员难以到达区域的可达性优势，采用数码航摄仪和无线数字图像传输系统，将无人机平台上搭载的数码航摄仪拍摄的地面画面实时传输到地面，通过植被覆盖度动态获取系统软件显示画面并抓拍地面照片，实时快速整体直接测算较大面积地面宏观植被覆盖度信息。
本发明的优点及功效是实现了植被覆盖度信息的航空平台获取，拓展了较大尺度实时植被覆盖度信息整体测算途径，为较大范围宏观植被覆盖度信息获取提供了新方法；无人机平台的利用，为水利行业野外调查特别是工作人员难以到达区域的较大面积植被覆盖度信息获取提供了新选择。
附图说明
图1为本发明一种大尺度植被覆盖度航空动态获取系统示意图
图中符号说明如下
1无人机平台，2自动导航仪，3GPS接收机，4航摄固定装置，5数码航摄仪，6无线数字图像传输系统，7导航控制器，8笔记本电脑
具体实施方式
见图1，本发明是一种植被覆盖度航空动态获取系统（VC-ADAD），它由硬件和软件两大主体部分构成。硬件主要包括：无人机平台1、自动导航仪2、GPS接收机3、航摄固定装置4、数码航摄仪5、无线数字图像传输系统6、导航控制器7和笔记本电脑8组成。它们之间的位置连接关系是：自动导航仪2、GPS接收机3、航摄固定装置4、无线数字图像传输系统6装置在无人机平台1上，数码航摄仪5安装在航摄固定装置4上；导航控制器7放置在地面，由无人机操控人员操作；笔记本电脑8放置在地面，安装航摄任务飞行管理与控制系统、植被覆盖度动态获取系统软件。软件主要包括航摄任务飞行管理与控制系统、植被覆盖度动态获取系统软件，安装于笔记本电脑上。
所述无人机平台，机身材料为玻璃钢，机身长1.0m，翼展1.58m，最大起飞重量5kg,最大任务载荷1kg，起飞和降落速度60km/h，爬升率3.5m/s，最大平飞速度100km/h,飞行高度150-350m，续航时间40min，动力为电动发动机，测控及图传半径20km,起降要求为橡皮筋弹射和伞降，自主飞行模式为GPS导航自动驾驶和遥控起飞降落。该无人机平台重量轻，机动灵活，适于各种复杂的起降条件，为市场购买产品。
所述GPS接收机，安装在无人机平台上，实现无人机定位，并接收导航控制器发出的指令，修正飞行路线，为无人机平台附属组件。
所述自动导航仪，根据航摄任务飞行管理与控制系统事先设定的飞行路线，通过GPS接收机定位信号，实现无人机线路飞行，为无人机平台附属组件。
所述航摄固定装置，用于数码航摄仪的固定，为无人机平台附属组件。
所述数码航摄仪，焦距35mm，CCD幅面为15500×10400，像素大小0.1cm,数据类型为RGB天然彩色，感光度ISO为400，实现对地面的航空拍摄，为市场购买产品。
所述无线数字图像传输系统，实现数码摄像仪拍摄图片的无线数字传输到植被覆盖度动态获取系统的摄像头影像展示和控制界面窗口，实现地面工作人员对数码航摄仪拍摄影像的动态监测，为无人机平台附属组件。
所述导航控制器，实现地面工作人员对无人机飞行姿态和线路的调整，并控制无人机降落过程，为无人机平台配套组件。
所述笔记本电脑，要求内存4G，硬盘320G，采用Win XP操作系统，用于航摄任务飞行管理与控制系统和植被覆盖度动态获取系统的安装。
所述航摄任务飞行管理与控制系统，可根据需要自定义地图，具备实时显示无人机坐标、方向、速度等参数功能，为无人机平台配套软件。
所述植被覆盖度动态获取软件，可实现对摄像头拍摄画面的实时显示和抓拍照片，快速处理照片，计算输出植被覆盖度结果，并具备对照片的裁剪、放大、缩小、移动、滤波处理等功能，已申请软件著作权（简称VC-DAS 1.0，登记号2012SR031945）。
植被覆盖度航空动态获取系统（VC-ADAD）航空硬件装置与植被覆盖度动态获取系统软件（VC-DAS）实现了有效衔接，可通过植被覆盖度动态获取系统软件（VC-DAS）实现对数码航摄仪拍摄影像的实时观测，支持野外样方照片拍摄和植被覆盖度信息实时动态提取。首先将数码航摄仪5安装在航摄固定装置4上，根据拍摄需求利用航摄任务飞行管理与控制系统设置无人机飞行路线，发射无人机平台1，利用导航控制器7将无人机平台1引航至预定空域；然后，打开笔记本电脑8，运行植被覆盖度动态获取系统软件（VC-DAS），观察搭载在无人机平台1上的数码航摄仪5所拍摄影像，根据拍摄效果可通过导航控制器7调节无人机平台1航线和姿态，拍摄高质量照片，软件将同步导入所拍摄照片并显示在成像窗口，点击计算按钮，计算所拍摄照片的植被覆盖度信息，结果显示在元数据窗口并以二值图显示在计算窗口，完成了样方拍照和植被覆盖度信息计算过程（更详细的软件操作流程见植被覆盖度动态获取系统软件VC-DAS1.0说明）；最后，完成拍摄任务后，利用导航控制器7将无人机平台1引航至降落区域，实现安全降落。
Claims (1)
1.一种大尺度植被覆盖度航空动态获取系统，其特征在于：它由无人机平台、GPS接收机、自动导航仪、航摄固定装置、数码航摄仪、无线数字图像传输系统、导航控制器、笔记本电脑硬件和航摄任务飞行管理与控制模块、植被覆盖度动态获取模块组成，数码航摄仪安装于无人机平台的航摄固定装置上，航摄固定装置、GPS接收机、自动导航仪和无线数字图像传输系统安装于无人机平台上，航摄任务飞行管理与控制模块、植被覆盖度动态获取模块安装于笔记本电脑，航摄任务飞行管理与控制模块设置无人机飞行路线并实时显示无人机飞行状态，无人机平台通过自动导航仪实现飞行，通过导航控制器引导、调整无人机飞行和降落，通过无线数字图像传输系统和植被覆盖度动态获取模块观测数码航摄仪拍摄的影像并抓拍照片，整体直接计算植被覆盖度信息；
所述无人机平台，机身材料为玻璃钢，机身长1.0m，翼展1.58m，最大起飞重量5kg,最大任务载荷1kg，起飞和降落速度60km/h，爬升率3.5m/s，最大平飞速度100km/h,飞行高度150-350m，续航时间40min，动力为电动发动机，测控及图传半径20km,起降要求为橡皮筋弹射和伞降，自主飞行模式为GPS导航自动驾驶和遥控起飞降落；
所述GPS接收机，安装在无人机平台上，实现无人机定位，并接收导航控制器发出的指令，修正飞行路线，为无人机平台附属组件；
所述自动导航仪，根据航摄任务飞行管理与控制模块事先设定的飞行路线，通过GPS接收机定位信号，实现无人机线路飞行，为无人机平台附属组件；
所述航摄固定装置，用于数码航摄仪的固定，为无人机平台附属组件；
所述数码航摄仪，焦距35mm，CCD幅面为15500×10400，像素大小0.1cm,数据类型为RGB天然彩色，感光度ISO为400，实现对地面的航空拍摄；
所述无线数字图像传输系统，实现数码航摄仪拍摄图片的无线数字传输到植被覆盖度动态获取系统的摄像头影像展示和控制界面窗口，实现地面工作人员对数码航摄仪拍摄影像的动态监测，为无人机平台附属组件；
所述导航控制器，实现地面工作人员对无人机飞行姿态和线路的调整，并控制无人机降落过程，为无人机平台配套组件；
所述笔记本电脑，要求内存4G，硬盘320G，采用Win XP操作系统，用于航摄任务飞行管理与控制模块和植被覆盖度动态获取系统的安装；
所述航摄任务飞行管理与控制模块，根据需要自定义地图，具备实时显示无人机坐标、方向、速度参数功能，为无人机平台配套模块；
所述植被覆盖度动态获取模块，实现对摄像头拍摄画面的实时显示和抓拍照片，快速处理照片，计算输出植被覆盖度结果，并具备对照片的裁剪、放大、缩小、移动、滤波处理功能。
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