CN104849274A - 一种基于小型无人机的所检测区域旱情实时检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小型无人机的所检测区域旱情实时检测方法。采用小型无人机及其配套的遥控器与上位机，上位机与小型无人机之间通过无线传输模块连接，小型无人机上装载有带有摄像头的云台机构；进行子区域划分，并设定图像采集点和坐标位置、高度以及航拍角度；按照采样顺序发送至小型无人机，利用小型无人机接收到坐标位置信息后自动巡航采集检测；图像拼接得到所要检测区域的平面图像，通过气象干旱等级标准判断得到干旱情况。本发明采用无人机的摄像头进行旱情检测，可代替卫星进行实时监测，可实现高分辨率影像的采集，在弥补卫星遥感经常因云层遮挡获取不到影像缺点的同时，解决了传统卫星遥感重访周期过长，应急不及时等问题。

Description

一种基于小型无人机的所检测区域旱情实时检测方法

技术领域

本发明涉及一种旱情监测方法，特别是涉及到一种基于小型无人机的所检测区域旱情监测方法。

背景技术

干旱通常指淡水总量少，不足以满足人的生存和经济发展的气候现象，一般是长期的现象，干旱从古至今都是人类面临的主要自然灾害。即使在科学技术如此发达的今天，它造成的灾难性后果仍然比比皆是。尤其值得注意的是，随着人类的经济发展和人口膨胀，水资源短缺现象日趋严重，这也直接导致了干旱地区的扩大与干旱化程度的加重，干旱化趋势已成为全球关注的问题。

《气象干旱等级》国家标准中将干旱划分为五个等级，并评定了不同等级的干旱对农业和生态环境的影响程度：

1.无旱：正常或湿涝，特点为降水正常或较常年偏多，地表湿润；

2.轻旱，特点为降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分轻度不足，对农作物有轻微影响；

3.中旱，特点为降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分不足，地表植物叶片白天有萎蔫现象，对农作物和生态环境造成一定影响；

4.重旱，特点为土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落，对农作物和生态环境造成较严重影响，对工业生产、人畜饮水产生一定影响；

5.特旱，特点为土壤出现水分长时间严重不足，地表植物干枯、死亡，对农作物和生态环境造成严重影响，工业生产、人畜饮水产生较大影响。

目前对于旱情的实时监测许多时候都通过卫星采集到的MODIS数据结合土壤实测数据进行，这种方法对于区域监测具有很大的意义，但是卫星监测所得到的数据最大分辨率为250米，且无法涵盖所测区域的地表特征情况。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于小型无人机的所检测区域旱情实时检测方法，将小型无人机的航拍技术与图像拼接技术结合起来，从而实现对所检测区域旱情的实时监测。

本发明的技术方案是包括以下步骤：

1)采用主要由小型无人机及其配套的遥控器与上位机组成的检测装置，上位机与小型无人机之间通过无线传输模块连接，小型无人机上装载有GPS定位模块、气压计、陀螺仪和带有摄像头的云台机构；

2)对所要检测区域进行子区域划分，并设定每个子区域的图像采集点以及该图像采集点的坐标位置、高度以及航拍角度；

3)将各个图像采集点的坐标位置、高度以及航拍角度信息按照采样顺序发送至小型无人机，小型无人机接收到上述信息后按图像采集点顺序自动巡航进行检测；

4)小型无人机通过云台机构上的摄像头以俯视角度采集各个子区域的图像，传送至上位机后，再前往下一个图像采集点进行图像采集工作直至完成全部图像采集工作，然后控制小型无人机降落到地面；

5)上位机接收到所有子区域的图像后，将所有子区域的图像进行拼接得到所要检测区域的平面图像，观察该平面图像通过气象干旱等级标准判断得到所要检测区域的干旱情况完成检测。

所述步骤5)中所有子区域的图像拼接成所要检测区域的平面图像采用以下方式拼接：先对所有子区域的图像进行预处理，包括去噪、边缘提取；再对所有子区域的图像进行配准，通过sift方法找出待拼接图像中的特征点，根据特征点确定多幅图像之间的变换关系，根据图像特征之间的对应关系建立两幅图像的拼接变换模型，然后将一幅图像转换到另一幅图像的坐标系中进行统一坐标变换，最后将带拼接图像的重合区域进行融合得到拼接重构的平滑无缝全景图像。

所述步骤2)中划分得到的各个子区域的面积相近或相同。

所述位于相邻位置子区域采集得到的图像之间存在重叠部分，以便于上位机进行图像拼接。

所述的步骤2)中划分子区域时根据高楼大厦、高山等具有高度的建筑作为相邻子区域的边界。

本发明的有益效果是：

本发明采用无人机的摄像头进行旱情检测，可代替卫星进行实时监测。无人机是一种结构简单的、能够垂直起降的、多旋翼式无人飞行器，其系统由飞机平台系统、信息采集系统和地面控制系统组成，可实现高分辨率影像的采集，在弥补卫星遥感经常因云层遮挡获取不到影像缺点的同时，解决了传统卫星遥感重访周期过长，应急不及时等问题。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为为本发明的小型无人机各部件的连接方式示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1)采用主要由小型无人机及其配套的遥控器与上位机组成的检测装置，上位机与小型无人机之间通过无线传输模块连接，小型无人机上装载有GPS定位模块、气压计、陀螺仪和带有摄像头的云台机构；

2)对所要检测区域进行子区域划分，并设定每个子区域的图像采集点以及该图像采集点的坐标位置、高度以及航拍角度；

3)将各个图像采集点的坐标位置、高度以及航拍角度信息按照采样顺序发送至小型无人机，小型无人机接收到上述信息后按图像采集点自动巡航进行检测；在自动巡航过程中飞手通过观察小型无人机周边环境以及小型无人机传送到上位机的实时数据信息确保小型无人机的飞行安全；

4)小型无人机通过云台机构上的摄像头以俯视角度采集各个子区域的图像，传送至上位机后，再前往下一个图像采集点进行图像采集工作直至完成全部图像采集工作，然后飞手控制小型无人机降落到地面；

5)上位机接收到所有子区域的图像后，将所有子区域的图像进行拼接得到一幅平滑无缝的所要检测区域的平面图像，观察该平面图像通过气象干旱等级标准判断得到所要检测区域的干旱情况完成检测。

气象干旱等级标准是气象技术领域人员的公知常识，气象技术领域的技术人员能够通过观察完整图像中植被叶片的颜色以及萎蔫程度判断出检测区域的干旱情况。《气象干旱等级》中，干旱的五个等级所对应的植被叶片的颜色以及萎蔫程度，其中分别如下：

无旱，正常或湿涝，特点为降水正常或较常年偏多，地表湿润；

轻旱，特点为降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分轻度不足，对农作物有轻微影响；

中旱，特点为降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分不足，地表植物叶片白天有萎蔫现象，对农作物和生态环境造成一定影响；

重旱，特点为土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落，对农作物和生态环境造成较严重影响，对工业生产、人畜饮水产生一定影响；

特旱，特点为土壤出现水分长时间严重不足，地表植物干枯、死亡，对农作物和生态环境造成严重影响，工业生产、人畜饮水产生较大影响。

步骤5)中所有子区域的图像拼接成所要检测区域的平面图像采用以下方式拼接：先对所有子区域的图像进行预处理，包括去噪、边缘提取；再对所有子区域的图像进行配准，通过sift方法找出待拼接图像中的特征点，根据特征点确定多幅图像之间的变换关系，根据图像特征之间的对应关系建立两幅图像的拼接变换模型，然后将一幅图像转换到另一幅图像的坐标系中进行统一坐标变换，最后将带拼接图像的重合区域进行融合得到拼接重构的平滑无缝全景图像。

步骤2)中划分得到的各个子区域的面积相近或相同。

位于相邻位置子区域采集得到的图像之间存在重叠部分，以便于上位机进行图像拼接。

本发明可将所检测区域划分成若干个子区域的面积主要依据小型无人机所采用的图像采集摄像头的像素以及所测所检测区域的地貌而定。所述的步骤2)中划分子区域时根据高楼大厦、高山等具有高度的建筑作为相邻子区域的边界。

本发明可依据所要检测区域内的地貌特征设定每个子区域的图像采集点以及各个图像采集点的坐标位置、高度以及航拍角度。检测区域内的地貌特征主要可包括建筑高度、江河湖泊分布、农田树林草坪分布等。设置的图像采集点的位置、高度以及航拍角度必须满足，在采集图像时将该采集点所对应的子区域的地貌全都采集到。

如图2所示，本发明采用包括小型无人机、与小型无人机配套的遥控器以及上位机的检测设备；小型无人机上装载有小型无人机飞行控制单元、GPS定位模块、气压计、陀螺仪、PMU电源管理单元、云台机构、电调、PCMS收发模组；与小型无人机配套遥控器用于操控小型无人机的飞行；上位机用于对小型无人机发送采样点的位置、高度信息以及接收无人机获取到的数据、信息、图像。

PCMS收发模组用于接收上位机、遥控信息以及将小型无人机飞行控制单元接收到的数据传送给上位机；小型无人机控制单元将PCMS收发模组接收到的指令传送给各个部件并将收集到的小型无人机各个部件所测的数据经PCMS收发模组传送至上位机；GPS定位模块用于接收GPS卫星传送的小型无人机实时位置数据；所述气压计用于测量小型无人机的实时高度数据；陀螺仪用于测量小型无人机的实时姿态角；PMU电源管理单元用于测量小型无人机电源实时数据；云台机构用于拍摄小型无人机周围的实时视频信息，以及对子区域进行图像采集。

小型无人机中，遥控器向小型无人机发出的飞行控制信号经PCMS收发模组发送到小型无人机飞行控制单元，小型无人机各个部件所测各项数据由小型无人机飞行控制单元发出经PCMS收发模组和地面的无线接收模块发送至上位机，摄像机的图像信号依次经图像发送模块和地面的图像接收模块发送到上位机。

本发明的具体实施过程如下：

具体实施中选取某学校作为本发明具体实施例所测的所检测区域，中国计量学院学校占地面积为1580亩，约合105万平方米，小型无人机云台采用大疆禅思H4-3D型号云台，小型无人机飞行控制单元采用带有GPS模块的Naza V2飞控，PCMS收发模组采用WFR06s、遥控器采用WFT07，陀螺仪采用Enc03。

1)按照该学校的面积以及小型无人机所配置的云台将中国计量学院这个所检测区域划按照田字形划分成4个面积相等的子区域，每个子区域面积约为26.25万平方米；

2)考虑到校园内最高楼有60米左右，所以设置图像采集点的高度为85米，位置位于每个子区域东北方向45度距离150米处，航拍角度为与垂直线成30度的夹角，四个图像采集点的按照采集顺序排列的位置坐标依次为(120.369621，30.32722)，(120.36928，30.329907)，(120.374858，30.326686)，(120.374894，30.32888)；

3)将四个图像采集点的坐标以及高度信息发送至小型无人机，小型无人机自动巡航前往第一个指定位置(120.369621，30.32722)，在自动巡航过程中飞手通过观察小型无人机周边环境以及小型无人机传送到上位机的实时数据信息确保小型无人机的飞行安全；

4)小型无人机到达第一个图像采集点后，飞手通过遥控器控制云台调整航拍角度至计划角度后进行图像采集，并将图像通过无线信号传送至上位机，小型无人机飞往第二个图像采集点，依次在各个图像采集点采集图像；

5)当小型无人机完成全部四个子区域的图像采集工作后飞手操控小型无人机降落；

6)上位机接收到全部四个子区域的图像后进行图像拼接，图像拼接步骤主要包括：先进行图像预处理，包括去噪、边缘提取；再进行图像配准，通过sift方法找出待拼接图像中的特征点，进而确定两幅图像之间的变换关系；根据图像特征之间的对应关系建立两幅图像的数学变换模型；根据建立的数学转换模型，将待拼接图像转换到参考图像的坐标系中，完成统一坐标变换；将带拼接图像的重合区域进行融合得到拼接重构的平滑无缝全景图像；

7)技术人员通过观察获得的完整图像，根据气象干旱等级标准由植被叶片的颜色以及萎蔫程度从而判断这个所检测区域即该学校的实时干旱情况，从图像根据气象干旱等级标准由气象学中等技术人员来判断是可以唯一确定的。

由此，本发明采用无人机的摄像头实现了旱情检测，可实现高分辨率影像的采集，弥补了卫星遥感经常因云层遮挡获取不到影像缺点，解决了传统卫星遥感重访周期过长，应急不及时等问题，可代替卫星进行实时监测，具有显著的技术效果。

Claims (5)

1. 一种基于小型无人机的所检测区域旱情实时检测方法，其特征在于：

1）采用主要由小型无人机及其配套的遥控器与上位机组成的检测装置，上位机与小型无人机之间通过无线传输模块连接，小型无人机上装载有GPS定位模块、气压计、陀螺仪和带有摄像头的云台机构；

2）对所要检测区域进行子区域划分，并设定每个子区域的图像采集点以及该图像采集点的坐标位置、高度以及航拍角度；

3）将各个图像采集点的坐标位置、高度以及航拍角度信息按照采样顺序发送至小型无人机，小型无人机接收到上述信息后按图像采集点顺序自动巡航进行检测；

4）小型无人机通过云台机构上的摄像头以俯视角度采集各个子区域的图像，传送至上位机后，再前往下一个图像采集点进行图像采集工作直至完成全部图像采集工作，然后控制小型无人机降落到地面；

5）上位机接收到所有子区域的图像后，将所有子区域的图像进行拼接得到所要检测区域的平面图像，观察该平面图像通过气象干旱等级标准判断得到所要检测区域的干旱情况完成检测。

2. 根据权利要求1所述的一种基于小型无人机的所检测区域旱情实时检测方法，其特征在于：所述步骤5）中所有子区域的图像拼接成所要检测区域的平面图像采用以下方式拼接：先对所有子区域的图像进行预处理，包括去噪、边缘提取；再对所有子区域的图像进行配准，通过sift方法找出待拼接图像中的特征点，根据特征点确定多幅图像之间的变换关系，根据图像特征之间的对应关系建立两幅图像的拼接变换模型，然后将一幅图像转换到另一幅图像的坐标系中进行统一坐标变换，最后将带拼接图像的重合区域进行融合得到拼接重构的平滑无缝全景图像。

3. 根据权利要求1所述的一种基于小型无人机的所检测区域旱情实时检测方法，其特征在于：所述步骤2）中划分得到的各个子区域的面积相近或相同。

4. 根据权利要求1所述的一种基于小型无人机的所检测区域旱情实时检测方法，其特征在于：所述位于相邻位置子区域采集得到的图像之间存在重叠部分，以便于上位机进行图像拼接。

5. 根据权利要求1所述的一种基于小型无人机的所检测区域旱情实时检测方法，其特征在于：所述的步骤2）中划分子区域时根据高楼大厦、高山等具有高度的建筑作为相邻子区域的边界。