CN107610082B - 一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统，由轻小型固定翼无人机、红外相机等硬件装置和红外图像数据处理软件系统组成。轻小型固定翼无人机包括：机头，机身，中翼，尾撑杆，V尾，红外相机载荷，能源仓，触地缓冲海绵，控制仓，机身头框，机头安装头框。所述红外图像数据处理软件系统，包括红外温度校准、图像自动批处理存储、图像快速拼接和成图温度读取等核心功能模块。本发明的技术特点与创新点主要包括：1、成功耦合了红外相机载荷的轻小型固定翼无人机平台硬件装置。2、解决了较高分辨率区域范围的地表温度空间信息处理系列技术与软件系统。

Description

一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统

技术领域

本发明是防洪抗旱减灾与水土保持等水利领域业务中使用的一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统(LST-UAVS)，包括创新性设计轻小型固定翼无人机、非制冷小型红外相机、自主研发数据处理软件等先进的无人机与大数据处理技术，成功解决了较高空间分辨率(米级)区域范围的地表温度获取问题，它被用于野外对较大范围、特别是工作人员难以到达区域的地表温度信息空间监测获取，为工程防洪安全监测、旱情监测、土壤墒情反演等提供关键数据支持，属于无人机与水利行业技术结合应用领域。

背景技术

地表温度(LST)及日夜温差(△T)是防洪抗旱减灾与水土保持等水利领域亟需获取的关键地表信息。探测与反演地物温度主要应用地物红外辐射光谱特征，依据红外辐射在大气层中的传输特性，可将红外辐射按波长划分为近红外(0.76～3μm)、中红外(3～5μm)和远红外(8～12μm)三个波段。其中，近红外波段主要是地物反射的太阳辐射，在白天日照条件良好时感知、探测、搜集目标信息；中红外波段包含地物反射及发射光谱，用来探测高温目标，例如森林火灾、火山等；远红外波段主要接收地物发射的光谱，是常温下地物热辐射能量最集中的波段，所探测的信息主要反映地物的发射率及温度，适用于夜间成像。大范围地表温度空间信息主要通过卫星遥感方法反演得到，但存在空间分辨率低(通常为90m、500m和1000m)、时效性与数据可用性难以保障等瓶颈问题。应用最新无人机、红外相机和大数据处理等先进技术，解决无人机平台与红外相机载荷耦合、较高时空分辨率地表温度空间数据采集、多幅影像拼接处理等技术问题，成为突破水利遥感监测技术中高精度、高时空分辨率地表温度(LST)空间数据获取难问题的关键途径，也使得低分辨率卫星遥感数据验证成为可能，该方面技术的创新与突破具有重要的技术和推广应用价值。

小型化机载红外载荷及相关无人机系统逐步推广应用，但尚无法满足水利业务需求，需要继续深入研发相关技术与产品。当下，小型化无人机载红外载荷可捕捉清晰的热图像和地物温度，实现了无人机系统集成与产品化，如大疆创新科技有限公司与美国红外热成像仪厂商菲力尔(FLIR Systems)达成合作，生产名为禅思Zenmuse XT的红外相机，搭载于“悟”和“经纬”等大疆型号多旋翼无人机，用于小体积、远距离和温差较小的场景，可在搜索、检测等任务中迅速识别目标，已在消防、电力巡检、精准农业和应急搜救等领域中尝试应用。无人机载红外测量系统支持在一定空间范围、人员难以到达区域、夜间以及特殊任务中进行作业，受作业环境、时段和天气限制小，具有独特技术优势。但当下市场上可选用的红外载荷及无人机耦合系统有限，其中多旋翼无人机又存在载荷重量低、续航时间短等瓶颈问题，同时热红外图像批量处理与拼接商业软件还是个空白。因此，要获得较高空间分辨率、区域范围的地表温度空间信息，须在无人机平台与载荷系统耦合、专门处理软件研发等方面取得诸多技术创新与突破。

近十年来，无人机技术特别是轻小型无人机快速发展，行业应用领域越来越广泛与深入。无人机技术发展迅速，已成为当下备受关注的技术创新与经济增长领域，我国在消费级轻小型无人机技术方面处于世界领先水平，具有大疆等知名品牌。随着技术发展和材料进步，轻小型无人机的成本大大降低，操作越来越简便，为其在水利等行业的推广应用创造了更为成熟的条件。无人机在水利、农业、国土等行业的应用不断深化，成为数据获取的有效平台途径，但多集中在相机拍照、测量等方面，其行业应用潜力总体处于培育阶段，急切需要拓展红外、多光谱和高光谱等小型化机载载荷类型并进行国产化降低成本。同时，需要面向行业应用特点与载荷要求，针对性设计无人机型号，优化无人机平台性能，并在数据处理软件自主研发方面实现突破。

大数据信息处理技术的发展，大大推动了无人机航拍智能快速处理能力。无人机数据处理当下面临的主要困难包括飞行姿态不稳定、无航迹规划、相机参数不准或缺失、IMU信息不准或缺失、大数据处理速度慢、传统航空摄影测量软件操作复杂、地面控制点缺失、不能充分利用计算机硬件资源等，尤其是缺少国产航空摄影测量软件，而国外软件价格高昂，大大限制了无人机的推广应用。针对上述技术难点，急需跟踪国际大数据信息处理技术的新发展，采用相机参数自动解算、最新计算机视觉和人工智能解算算法以及应急处理模式，研发具有下垫面适用范围广、航片拼接处理速度快和智能应急处理等独特技术优势的无人机航拍智能快速处理软件，切实推动无人机在防洪抗旱减灾等领域实际应用的可行性与作业效率。同时，热红外图像处理具有自己独特的技术问题，现在市场上能够搭载红外载荷的无人机大多不具备任意位置温度标定功能，大多取得的红外影像不进行拼图或在拼图过程中丢失温度信息，需要针对性进行红外图像处理软件研发。

因此，与人工点上测量传统方法和卫星遥感反演技术等方法相比，地表温度(LST)无人机低空监测具有云下作业、应急调度、高分辨率数据获取、近实时、较大作业范围等独特优势，可以弥补传统方法耗时费力、空间代表性差及卫星遥感受云层影响大、数据获取时效性难以保障、任务定制成本高等应用瓶颈，在无人机平台设计、无人机平台与红外载荷耦合及专业应用软件研发等方面的技术创新与突破，具有明确的技术、产业和推广应用价值。

发明内容

本发明的目的是针对防洪抗旱减灾与水土保持等水利领域对较高空间分辨率、区域范围的地表温度空间信息获取的迫切需求，提供一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统(LST-UAVS)，应用先进的无人机与大数据处理技术，解决野外大范围、特别是工作人员难以到达区域较高空间分辨率(米级)的地表温度空间信息监测获取问题。

本发明的技术方案是：较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统，它面向防洪抗旱减灾与水土保持等水利业务需求，根据红外载荷及其影像处理对无人机的性能要求，针对性设计了一种轻小型固定翼无人机平台，完成了无人机平台与一种非制冷小型红外相机的耦合搭载，并自主研发了一套热红外影像数据处理软件，因此本发明一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统，由轻小型固定翼无人机、红外相机等硬件装置和红外图像数据处理软件系统组成。固定翼无人机具有更长的续航时间和更大的载荷重量，克服了多旋翼无人机续航时间短的瓶颈问题；通过独有结构设计，实现了热红外载荷与无人机平台的无缝耦合，可实现无人机平台搭载红外载荷的平稳飞行、数采控制与数据存储等；开发了一套包括红外温度校准、图像自动批处理存储、图像快速拼接和成图温度读取等核心功能的软件系统。

所述轻小型固定翼无人机为自主研发产品。其包括：机头1，机身2，中翼3，尾撑杆4，V尾5，红外相机载荷6，能源仓7，触地缓冲海绵8，控制仓9，机身头框10，机头安装头框13。

其中，机身2由凯夫拉材料制成，具有透波、抗摔、易修复等显著优点，耐用性强，适于野外作业；支持手抛起飞和伞降或滑降方式，对起降场地面积和环境要求较低，作业环境适应性强；最大起飞重量4.5kg，最大载重重量1kg，巡航速度60km/h，控制半径20km，续航时间达到90分钟，同时具有较强的抗风和抗雨作业能力，可支持可见光、红外和多光谱相机等多种载荷，续航时间长，作业范围大。与市场上多旋翼和固定翼无人机产品相比，具有多方面的技术优势，主要体现在机身材料、起降方式、载荷类型等方面更适合于防洪抗旱减灾和水土保持等水利业务的行业应用需求。

其中，机头1通过机头安装头框13安装到机身2上，V尾5插入尾撑杆4，尾撑杆4连接到机身2上，中翼3插到机身2上，在控制仓9内将飞控等控制设备固定安装好，通过能源仓7给整个无人机上电；

其中，所述的机身头框10开有三个旋转卡槽，该旋转卡槽包括旋转卡槽大端11和旋转卡槽小端12，通过一个内六角螺栓的螺栓头卡入旋转卡槽大端11处，向内推动一段距离，然后向旋转卡槽小端12方向旋转一定角度直到旋转卡槽小端12的末端限位处。

其中，红外相机载荷6通过固定安装中孔14及固定安装螺纹孔15，固定安装于机头1内部，并将其余空余部分进行配重，使整体固定翼机头的重量在600g。

其中，所述的触地缓冲海绵8安装在机身底部。

所述红外相机为市场采购产品。型号为Flir Vue Pro R，为市场上能采购到的性能最为先进的产品，采用640*512分辨率的非制冷型氧化钒(VOx)微测辐射热计，选用19mm(32°x 24°)镜头，监测波长范围为7.5um-13.5um，在-25℃-135℃范围内可达到5％的测温精度。

所述红外图像数据处理软件系统，为自主研发产品。它包括红外温度校准、图像自动批处理存储、图像快速拼接和成图温度读取等核心功能模块。其中，红外温度校准功能模块，根据最佳温度范围对航摄影像进行温度标定，使得温度范围精确到适宜范围内且增加红外图像可读性；图像自动批处理存储功能模块，自动将已经校准的温度图像进行裁剪，并按照拍摄顺序自动存储，不会打乱拍照顺序，以便后续图像自动拼接工作的开展；图像快速拼接处理模块是基于相机参数自动解算、最新计算机视觉和人工智能解算算法，将系列单幅影像进行拼接处理，得到区域范围地表温度大图；成图温度读取功能模块，可以读取拼接成图的任意一点温度值(精确到1％)，并可以找出最大温度值点、最小温度值点，为后续数据分析提供支持。

本发明的技术特点与创新点主要包括：

(1)自主研发了成功耦合红外相机载荷的轻小型固定翼无人机平台硬件装置。

专门针对红外载荷与数据获取要求，设计研发了轻小型固定翼无人机平台，其机身材料、气动布局、载荷能力与起降方式等特性，克服了常用无人机市场产品起飞场地要求高、续航时间短、飞行速度慢的问题，可保证拍摄得到质量稳定的热红外图像，满足红外相机机芯拍照曝光速度要求，保障了区域范围地表温度的近实时获取能力。

(2)自主研发解决了较高分辨率区域范围的地表温度空间信息处理系列技术与软件系统。

考虑到红外相机载荷自带软件只能导出单幅影像且无法进行二次开发的局限性，研制开发了基于屏幕自主录制的图像自动批处理存储技术与功能模块软件，实现了红外影像(地表温度值)批量输出功能；针对红外相机影像对地表温度输出存在的亮度拉伸、幅间灰度范围不一致等问题，研制开发了红外测温显示与标定技术与功能模块软件，解决了灰度值范围统一与大面积地表温度显示的技术问题；针对当下红外相机及其软件仅能导出单幅红外影像，市场上尚缺乏红外影像拼接处理软件的技术现状，研制开发了红外影像快速批量拼接处理技术与功能模块软件，解决了多幅红外影像快速拼接成大图、区域范围地表温度空间信息获取问题。

附图说明

图1是本发明提供的一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统的固定翼无人机平台二维剖示图。

图2是本发明提供的较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统的固定翼无人机平台机头与机身连接头框二维剖示图。

图3是本发明提供的一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统的红外热像仪载荷固定安装于无人机平台机头的二维剖示图。

图4是本发明的具体实施方案流程图。

图中符号说明如下：

1机头，2机身，3中翼，4尾撑杆，5V尾，6红外相机载荷，7能源仓，8触地缓冲海绵，9控制仓，10机身头框，11旋转卡槽大端，12旋转卡槽小端，13机头安装头框，14固定安装中孔，15固定安装螺纹孔。

具体实施方案

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统，由轻小型固定翼无人机、红外相机等硬件装置和红外图像数据处理软件系统组成。

所述轻小型固定翼无人机平台为自主研发产品，如图1、2、3所示。其包括：机头1，机身2，中翼3，尾撑杆4，V尾5，红外相机载荷6，能源仓7，触地缓冲海绵8，控制仓9，机身头框10，机头安装头框13。

其中，机身2由凯夫拉材料制成，具有透波、抗摔、易修复等显著优点，耐用性强，适于野外作业；支持手抛起飞和伞降或滑降方式，对起降场地面积和环境要求较低，作业环境适应性强；最大起飞重量4.5kg，最大载重重量1kg，巡航速度60km/h，控制半径20km，续航时间达到90分钟，同时具有较强的抗风和抗雨作业能力，可支持可见光、红外和多光谱相机等多种载荷，续航时间长，作业范围大；主要性能指标见表1。与市场上多旋翼和固定翼无人机产品相比，具有多方面的技术优势，主要体现在机身材料、起降方式、载荷类型等方面更适合于防洪抗旱减灾和水土保持等水利业务的行业应用需求。

主要参数	参数值	主要参数	参数值
				控制半径	20km	载荷类型	可见光相机、红外相机和多光谱相机
续航时间	90min	起降方式	手抛起飞，伞降或滑降
				巡航速度	60km/h	最大起飞海拔	4000m
起飞重量	4.5kg	抗风能力	6级
				载荷重量	1kg	抗雨能力	中雨
飞行高度	500-1000m	机体结构寿命	100架次

表1

其中，机头1通过机头安装头框13安装到机身2上，V尾5插入尾撑杆4，尾撑杆4连接到机身2上，中翼3插到机身2上，在控制仓9内将飞控等控制设备固定安装好，通过能源仓7给整个无人机平台上电；

其中，所述的机身头框10开有三个旋转卡槽，该旋转卡槽包括旋转卡槽大端11和旋转卡槽小端12，通过一个内六角螺栓的螺栓头卡入旋转卡槽大端11处，向内推动一段距离，然后向旋转卡槽小端12方向旋转一定角度直到旋转卡槽小端12的末端限位处。

其中，红外相机载荷6通过固定安装中孔14及固定安装螺纹孔15，固定安装于机头1内部，并将其余空余部分进行配重，使整体固定翼机头的重量在600g。

其中，所述的触地缓冲海绵8安装在机身底部。

所述红外相机为市场采购产品。型号为Flir Vue Pro R，为市场上能采购到的性能最为先进的产品，采用640*512分辨率的非制冷型氧化钒(VOx)微测辐射热计，选用19mm(32°x 24°)镜头，监测波长范围为7.5um-13.5um，在-25℃-135℃范围内可达到5％的测温精度，主要性能参数见表2所示。

表2

所述红外图像数据处理软件系统，为自主研发产品。它包括红外温度校准、图像自动批处理存储、图像快速拼接和成图温度读取等核心功能模块。

由于地面温度分布不均、最高/低温值不确定性大、成像温度范围大等问题，需将无人机平台获取的红外测温影像进行温度校准。因此研制开发了红外温度校准功能模块，软件会根据最佳温度范围对航摄影像进行温度标定，使得温度范围精确到适宜范围内且增加红外图像可读性。

由于航测红外图片信息量大，图像校准精确度要求高，若采用人工作业，工作量大，且容易出错。因此研制开发了图像自动批处理存储功能模块，软件会自动将已经校准的温度图像进行裁剪，并按照拍摄顺序自动存储，不会打乱拍照顺序，以便后续图像自动拼接工作的开展。

区域范围地表温度空间数据获取的关键，在于将系列单幅影像进行拼接处理，得到区域范围地表温度大图。跟踪国际大数据信息处理技术的新发展，采用相机参数自动解算、最新计算机视觉和人工智能解算算法，研制开发了无人机航片智能快速拼接处理功能模块，与国外航空测量软件相比，具有下垫面适用范围广、航片拼接处理速度快和智能应急处理等独特技术优势，适用于无人机航片快速处理，大大推动了无人机在水土保持、防洪抗旱减灾等领域实际应用的可行性与效率，为后续对温度场的分析提供大幅影像。

最后，研制开发了成图温度读取功能模块，可以读取拼接成图的任意一点温度值(精确到1％)，并可以找出最大温度值点、最小温度值点，为后续数据分析提供支持。

本发明具体实施主要包括耦合红外相机载荷的轻小型固定翼无人机装置组装、航线规划、航飞与地表温度信息采集、航片图像处理与区域地表温度图像生成等3个主要步骤，实施方案流程如图4所示，具体说明如下：

(1)耦合红外相机载荷的轻小型固定翼无人机装置组装

图1是本发明提供的本发明提供的一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统的固定翼无人机平台二维剖示图，首先完成步骤401红外相机载荷固定，将红外相机载荷6连接到机头1，并安装到机身2上，将V尾5插入尾撑杆4上，然后将尾撑杆4连接到机身2上，同时将中翼3插到机身2上，在控制仓9内将飞控等控制设备固定安装好，检查各部分连接无误后，通过能源仓7给整个飞行平台上电。所述的触地缓冲海绵8安装在机身底部。

图2是本发明提供的一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统的固定翼无人机平台机头与机身连接头框二维剖示图，使用时将载荷连接内六角螺栓的螺栓头卡入机身头框10的旋转卡槽大端11处，向内推动一段距离，然后向机身头框10旋转卡槽小端12方向旋转一定角度直到旋转卡槽小端12的末端限位处。届时，载荷及机头可靠连接到机身。

图3是本发明提供的一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置及系统的红外热像仪载荷固定安装于无人机平台机头的二维剖示图，红外相机载荷6通过固定安装中孔14及固定安装螺纹孔15，固定安装于机头1内部，并将其余空余部分进行配重，使整体固定翼机头的重量600g左右浮动。然后安装机头安装头框13，通过机头安装头框13将机头固定于机身上。

通过以上三个组装过程，完成了步骤402轻小型固定翼无人机平台的耦合组装。

(2)航线规划、航飞与地表温度信息采集

根据飞行目标与飞行区实际情况，确定航飞位置与航飞面积，基于数字地图勾画航飞区域，规划航线，完成步骤403航线规划。该过程针对被测区域、飞行高度、测区极限温度范围及大气环境对传感器的敏感参数进行设置。根据制定好的航线规划情况，选择合适起飞点，手抛无人机起飞，实施步骤404无人机航飞与地表温度信息采集，采集到的地表温度航片存储在机上存储卡。

(3)航片图像处理与区域地表温度图像生成

无人机平台搭载红外热像仪采集地物温度影像后，将采集到的、未经处理的航片数据回收、存储备份；利用红外温度校准功能模块软件完成步骤405红外图像进行温度校准与标定；接着利用图像自动批处理存储软件按传感器在平台上拍摄影像的顺序完成步骤406影像批量存储导出；然后使用无人机航片智能快速拼接功能模块软件，根据航飞POS文件，一键式完成步骤407区域地表温度影像快速拼接，生成较高分辨率区域地表温度一张图；最后利用成图温度读取功能模块软件，针对大图的辐射率和反射温度进行调整，保证成图温度精度，完成步骤408对成图任意像素点的温度进行读取和展示。

以上结合附图详细说明了本发明，但是本领域普通技术人员应当知道，说明书仅是用于解释权利要求书。但本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明批露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置，其特征在于：其由轻小型固定翼无人机、红外相机硬件装置和红外图像数据处理软件系统组成；

所述轻小型固定翼无人机包括：机头，机身，中翼，尾撑杆，V尾，红外相机载荷，能源仓，触地缓冲海绵，控制仓，机身头框，机头安装头框；机头通过机头安装头框安装到机身上，V尾插入尾撑杆，尾撑杆连接到机身上，中翼插到机身上，在控制仓内将飞控控制设备固定安装好，通过能源仓给整个无人机上电；红外相机载荷通过固定安装中孔及固定安装螺纹孔，固定安装于机头内部，并将其余空余部分进行配重，使整体固定翼机头的重量在600g；触地缓冲海绵安装在机身底部；

所述红外图像数据处理软件系统，包括红外温度校准、图像自动批处理存储、图像快速拼接和成图温度读取功能模块；其中，红外温度校准功能模块，根据最佳温度范围对航摄影像进行温度标定，使得温度范围精确到适宜范围内且增加红外图像可读性；图像自动批处理存储功能模块，自动将已经校准的温度图像进行裁剪，并按照拍摄顺序自动存储，不会打乱拍照顺序，以便后续图像自动拼接工作的开展；图像快速拼接处理模块是基于相机参数自动解算、计算机视觉和人工智能解算算法，将系列单幅影像进行拼接处理，得到区域范围地表温度大图；成图温度读取功能模块，可以读取拼接成图的任意一点温度值，并可以找出最大温度值点、最小温度值点，为后续数据分析提供支持。

2.根据权利要求1所述的一种较高空间分辨率区域地表温度无人机获取装置，其特征在于：所述的机身头框开有三个旋转卡槽，该旋转卡槽包括旋转卡槽大端和旋转卡槽小端，通过一个内六角螺栓的螺栓头卡入旋转卡槽大端处，向内推动一段距离，然后向旋转卡槽小端方向旋转一定角度直到旋转卡槽小端的末端限位处。