CN108750110A - 一种无人机水生态遥感监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机水生态遥感监测系统，包括：无人机机体，用于承载无人机动力组件、飞行控制组件、遥感传感器组件、起降辅助组件、无线通信组件及定位组件；飞行控制组件用于接收巡航指令、采集指令及无人机运行状态信息；遥感传感器组件用于采集遥感信息；定位组件用于获取位置信息；地面控制台用于发送巡航指令及采集指令，并接收运行状态信息及位置信息。因此，本发明实施例提供的水生态监测系统，受场地的限制小，适用范围广；可选择搭载可见光、高光谱和热红外等传感器，实现较大面积区域遥感数据的采集，通过遥感数据处理系统对所采集的遥感数据进行分析处理，针对不同的遥感传感器所采集的数据采用不同的处理流程及方法。

Description

一种无人机水生态遥感监测系统

技术领域

本发明涉及有载分接开关参数测试技术领域，尤其涉及一种无人机水生态遥感监测系统。

背景技术

流域水环境管理正在由综合污染治理向水环境生态系统恢复的阶段转变，流域内的水生态完整性观测成为生态恢复的重要工作。对于水生态环境的监测，现阶段采取常规的观测方法，即先采集水样，然后进行水质实验室分析，并根据分析数据采用单一参数评价指数法或多参数的综合评价法进行水质评价，该方法虽然能够对众多的水质指标做精确的分析和评价，但是费时费力、不经济，而且水样采集和分析的数量很有限，对于大区域水体而言，这些测点数据只具有局部和典型的代表意义，利用该方法难以获取大范围水域水质参数的分布和变化情况，不能满足对水环境适时、大尺度的监测评价要求。

随着遥感技术的发展，卫星遥感监测方法和模型也逐渐被应用于水体水质的监测，选择合适的遥感波段数据，建立水质参数遥感估测模型反演水体中的一些水质参数指标，水质遥感监测方法可以反映水质在空间和时间上的分布和变化情况，具有监测范围广，速度快和便于动态监测的优势，但是由于卫星遥感影像的空间分辨率和时间分辨率都比较低，重访周期长，受云层等天气因素影响较大，经常无法获取可满足监测所求的遥感影像。

目前，无人机技术在地理测绘领域，其延用了基于有人机的传统摄影测量技术方法来获取航拍区域的正射影像和数字线划图。这种工作方式在一定程度上也可应用于水环境保护领域，但是有着明显的缺点：一是进行水域等弱纹理区域的航拍时，利用传统的特征检查算法无法提取到足够的同名点，无法对大面积纯水域影像进行快速正确的拼接；二是遥感传感器配置单一，一般都是搭载普通的数码相机，只能获取监测区域的可见光影像，可监测的指标少。

发明内容

本发明实施例提供了一种无人机水生态遥感监测系统，解决了现有技术中无人机水生态遥感监测系统监测结果单一的问题。

本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统，包括：无人机机体，用于承载无人机动力组件、飞行控制组件、遥感传感器组件、起降辅助组件、无线通信组件及定位组件，该无人机机体包括机身、机翼及尾翼，该机翼及该尾翼安装在该机身上；该无人机动力组件用于向该无人机机体的运动提供动力，该无人机动力组件包括螺旋桨、发动机、舵机及动力源，该发动机位于该机身头部，该螺旋桨安装在该发动机的机头部，该动力源安装在该机身中部；该起降辅助组件用于辅助该无人机的降落，该起降辅助组件安装在该机身的后部；该飞行控制组件用于接收该无线通信组件发送巡航指令及采集指令，并根据该巡航指令控制该无人机的运行，根据该采集指令触发该遥感传感器组件采集该遥感信息；该遥感传感器组件用于采集该监测区域内水体的遥感信息，并向该飞行控制组件发送该遥感信息，该遥感信息包括该监测区域内的物理性指标、叶绿素、悬浮物指标及该监测区域内的水温值；该定位组件用于获取该无人机机体的位置信息，并向该无线通信组件发送该位置信息，该定位组件安装在该机身中部；该无线通信组件用于接收该遥感信息及该位置信息，并向地面控制台发送该遥感信息及该位置信息；用于接收该地面控制台发送的该巡航指令及该采集指令，并向该飞行控制组件发送该巡航指令及该采集指令，该无线通信组件安装在该机身中部；地面控制台用于向该无线通信组件发送该巡航指令及该采集指令，并接收无线通信组件发送的运行状态信息及该位置信息。

优选的，本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统，该遥感传感器组件包括可见光传感器、高光谱成像仪和/或热红外成像仪，该可见光传感器用于采集监测区域的物理性指标，该高光谱成像仪用于采集该监测区域内的叶绿素及悬浮物指标，该热红外成像仪用于采集该监测区域内的水温值。

优选的，本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统，该飞行控制组件包括控制传感器组件及处理器，该控制传感器组件包括轴速率陀螺、轴加速度计、轴磁强计、高度计、空速计及处理芯片。

优选的，本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统，该定位组件包括GPS系统及惯性导航系统。

优选的，本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统，该动力源包括油箱和/或电池组。

优选的，本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统，该飞行控制组件为单片机系统。

综上，本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统，以固定翼无人机为载体，其续航能力和稳定性大大增强，采用弹射起飞和降落伞降落的回收方式，受场地的限制较小，适用范围广；可选择搭载多个传感器，实现较大面积区域遥感数据的采集，通过遥感数据处理系统对所采集的遥感数据进行分析处理，针对不同的遥感传感器所采集的数据采用不同的处理流程及方法：对可见光数据进行匀光、拼接、分类，通过可见光影像进行几何纠正、拼接后解译可提取水体的水色、河流宽度、面积、水体周边土地利用现状等水态完整性物理性指标；对热红外数据几何纠正、拼接后提取观测区域的温度信息；对高光谱数据用进行几何纠正，辐射校正后，可通过遥感反演模型进行叶绿素、悬浮质和其他污染指标的计算。

附图说明

图1为本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统的无人机机体的结构的示意图；

图3为本发明另一实施例提供的无人机水生态遥感监测系统的机身的结构示意图。

具体实施方式

下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

应理解，鉴于目前流域水生态完整性监测存在的不足，为了提高监测效率，迫切需要进行各种观测手段的扩充。无人机低空遥感技术是利用无人机搭载各种遥感传感器，利用飞行控制系统进行自动导航，在1000米以下高空进行作业，获取所需的遥感数据。该技术具有飞行高度低、成像质量高和大比例尺成图的优势；而且起降方便无需机场，机动性和安全性优越；对天气依赖小，早晨、傍晚或云下摄影能力突出，可用于水环境中小范围内的巡查，适合重点和热点地区的应急监测和重复监测，是卫星遥感的有效补充，将成为航空遥感信息获取的重要手段，利用无人机遥感进行水生态完整监测必将极大提高工作效率。

下面通过图1至图3详细说明本发明实施例提供的一种无人机水生态遥感监测系统。如图所示，该系统可以包括：

无人机机体，用于承载无人机动力组件、飞行控制组件、遥感传感器组件、起降辅助组件、无线通信组件及定位组件，该无人机机体包括机身、机翼及尾翼，该机翼及该尾翼安装在该机身上。

该无人机动力组件用于向所述无人机机体的运动提供动力。该无人机动力组件可以包括螺旋桨、发动机、舵机及动力源。

螺旋桨安装于发动机机头部，油动发动机和油箱通过输油管连接，电池组通过线缆和电动机连接，发动机分别与飞行控制组件、舵机通过线缆连接，飞行控制组件可以通过舵机控制发动机输油量大小，也就控制了无人机动力大小。

发动机可配置为油动发动机或电机，相应的，作为无人机遥感平台的动力来源的动力源，可采用电动和油动驱动两种配置方式。通常情况下可采用锂电池组和电机作为动力来源，易于安装维护。该种结构的无人机可连续作业约一小时左右。在需要进行长时间作业时，可采用油动驱动方式。此时需在机头位置安装油动发动机，在机身中部安装软式油箱，油箱和油动发动机通过软管连接，整个机体在两种动力系统下均可保持平衡。在采用油动驱动方式时该遥感平台可连续作业3小时以上，可满足较大面积水域的水环境监测需求。

该起降辅助组件用于辅助所述无人机的降落，辅助起降装置可以包括降落伞，安装于无人机机体的后部的伞舱。在实际中，飞行控制组件通过舵机控制伞舱的开合。

该固定翼无人机机体采用前拉式布局。动力组件置于机身前部，可以充分利用螺旋桨的滑流增加襟翼和升降舵的气动效率。前拉式布局还便于在回收操作时降落伞的顺利展开。该无人机具有大展弦比的梯形机翼，机翼外测设有副翼，内侧设有襟翼,在V型尾翼上设有混合式升降舵/方向舵。出于可靠性考虑，所有舵面均采用双伺服多裕度设计，并且襟翼、副翼、升降舵均为多段分裂式设计，提升了全机飞行的可靠性与安全性。

无人机采用碳纤维硬壳结构，机身强度靠蒙皮内侧加强筋和机腹部半匡支撑；机身、机翼、尾翼分别由阴模整体成型，部分结构用铝合金加强；机翼、尾翼采用玻璃钢夹层结构，内部添加少量梁、肋支撑。短舱﹑机翼﹑尾翼使用复合材料制作。尾梁使用了高强度碳纤维管。各部件可快速组装，方便拆卸，利于运输。机身为车厢形式，有较大的容积范围，便于遥感传感器的安装及使用维护。

另外，该无人机采用弹射起飞，降落伞降落回收的作业方式，起飞和降落不需要机场跑道，极大减少了对飞行场地的要求，提高了该无人机遥感平台的适用性，无人机的弹射架为不收放的固定后三点式，由后轮控制飞机在地面的滑行方向。

该飞行控制组件用于接收该无线通信组件发送的巡航指令及采集指令，并根据该巡航指令控制该无人机的运行，根据该采集指令触发该遥感传感器组件采集该遥感信息。还用于采集该无人机运行状态信息，接收该定位组件发送的该位置信息，并向该无线通信组件发送该运行状态信息及该位置信息。

具体的，该飞行控制组件安装在机身的中部，分别与遥感传感器组件、无线通信组件及定位组件电连接。并通过无线通信组件与地面控制台远程连接。从而可以通过无线通信组件接收地面控制台发送的巡航指令及采集指令。巡航指令用于控制无人机进行自动巡航，使无人机按照规划的线路飞行。采集指令用于控制遥感传感器按预设的工作模式进行遥感数据采集。

可选的，飞行控组件可以为一单片机系统，集成了多种传感器，包括：轴速率陀螺，轴加速度计，轴磁强计，高度计，空速计和GPS芯片，来控制无人机的运行。

可选的，本发明实施例提供的监测系统，飞行控制组件可以通过特定IO接口和遥感传感器连接，可控制不同类型的遥感传感器进行工作，通过预设的工作程序控制遥感传感器进行数据采集。

通过不同传感器的搭配实现为无人机的全姿态测量，其控制策略采用PID控制。即可以根据不同的需求，选取不同的遥感传感器进行相应数据的采集。

例如，该无人机遥感平台根据监测需求采用不同的遥感传感器对水体的遥感信息进行采集。遥感传感器组件可配置为可见光传感器、高光谱成像仪和热红外成像仪，遥感传感器均内置高速CF卡或SD卡等存储装置，均可被飞行控制组件输出的信号触发进行数据采集工作。可见光传感器为满足摄影测量需求的数码相机，可获取监测区域的可见光影像，用于监测水生态完整性中的物理性指标，如：面积、长度、宽度、水色、河岸植被类型和河岸边土地利用类型等；高光谱传感器的波谱响应范围为水体遥感常用的近红外波段(波长400-1000nm)，采用推扫式工作方式，可用于监测叶绿素、悬浮物等指标；热红外传感器用于采集水体的热红外遥感信息，可用于监测水体温度指标。遥感传感器系统采用可更换装置方式，根据不同监测需求可配置不同遥感传感器，遥感传感器系统通过特定接口与飞行控制组件连接。

由于传统摄影测量影像匹配拼接方法无法应用于水域弱纹理区域，需采用直接地理定位方式对水域可见光和热红外等以影像方式获取的遥感数据进行地理配准与拼接，为了提高拼接精度，需获取高精度无人机外方位元素，故在该无人机遥感平台上加装了包括高精度GPS差分模块和高精度惯导模块的定位组件。从而可以通过差分的作业方式提供厘米级高精度定位信息，以满足水域影像的拼接要求。

还应理解，飞行控组件通过无线链路和地面站进行通讯，将无人机的运行状态及位置信息实时回传给地面站。

该无线通信组件用于接收无人机的运行状态信息及该位置信息，并向地面控制台发送该运行状态信息及该位置信息；接收该地面控制台发送的该巡航指令及该采集指令；向该飞行控制组件发送该巡航指令及该采集指令，该无线通信组件安装在该机身中部。

具体的，无线通讯组件安装于无人机机体中上部，通过线缆和飞行控制组件连接；差分GPS模块也安装于无人机机体中上部，通过特定接口和飞行控制组件连接；地面控制系统安置于地面，通过USB接口连接地面无线通讯链路，通过其和飞行控制组件进行通讯，对飞行控制组件下达指令，并接受其回传的无人机状态信息。

地面控制台安置于地面。通过USB接口连接地面无线通讯链路，并通过地面无线通讯链路和飞行控制组件进行通讯，对飞行控制组件下达指令，如巡航指令及采集指令。并接受飞行控制组件回传的无人机状态信息及遥感信息。

实际中，该地面控制台和飞行控制组件块配合工作，通过无线链路和飞行控制组件连接，通过将飞行控制组件回传的信息可视化显示出来，便于监视无人机机的飞行状态和机载设备的工作状态，使地面操作人员能够有效地对飞机和机载设备进行控制。主要功能包括遥测处理、飞行管理、地图显示、任务规划、指令生成和数据管理。

例如，本发明实施例中的遥感传感器组件在采集到遥感信息后，下载到地面控制台。其内部的遥感数据处理系统，可以对水域无人机遥感影像进行几何纠正、地理定位和拼接，该无人机遥感平台可获取照片形式的可见光和热红外遥感数据，单幅照片覆盖范围较小，为了便于对监测区域进行分析，通常需要将这些单张影像拼接起来，但是由于水域影像纹理单一，难以提取足够的同名点进行影像匹配，用目前市场上常见的摄影测量软件无法对其进行有效处理，本发明通过在无人机上搭载高精度差分GPS模块和高精度惯导模块，获取航拍时的高精度无人机外方位元素(位置与三个姿态角)，再利用飞行高度和遥感传感器CMOS尺寸、镜头焦距等信息，利用水域遥感影像处理程序通过直接地理定位方法，可对以上遥感影像进行几何纠正，并进行影像镶嵌，生产观测区域的全景影像图，便于后续的分析、解译和相关指标的提取。

为了更好的理解本发明本发明提供一种基于固定翼无人机的水生态完整性低空遥感监测系统，下面通过详细的一实施例来说明该系统的使用。实际中，无人机整体外观如图2所示，该无人机具有大展弦比的梯形机翼1-1，采用大相对厚度、高升力系数翼型，机翼外测设有副翼1-4，内侧设有襟翼1-5，在V型尾翼1-2上设有混合式升降舵/方向舵，在头部设有螺旋桨1-3。

机身如图3所示为车厢形式，有较大的容积范围，便于无人机动力系统和遥感传感器的安装及使用维护。

无人机机身有三个舱位可搭载载荷，分别为前舱1-6、中舱1-7和1-8后舱，后舱一般不安装工作载荷，主要用于保证整个机体平衡时安装配重材料。采用油动驱动方式时，在前舱安装油动发动机，在中舱安置软式油箱，油箱通过软管和发动机连接；采用锂电池驱动时，将电池组和电动机安装于前舱，遥感传感器和飞行控制组件安装于中舱，飞行控制组件输出信号可以对油动发动机和电动机进行控制，油动发动机通过控制舵机拉动油门开关大小实现快慢转速控制，电动机通过控制电子调速器来控制电动机快慢转速。

遥感传感器通过线缆和飞行控制组件连接，根据传感器的驱动方式，飞行控制组件IO口使用可变频率模拟PWM输出实现对遥感传感器的触发，飞行控制组件在搭载可见光和热红外遥感传感器时，为了提高影像拼接精度，在中舱安装差分GPS系统，GPS系统模块通过线缆和飞行控制组件连接，飞行控制组件控制遥感传感器进行数据采集时可触发差分GPS系统进行差分数据记录，差分GPS数据通过与国际GPS服务(International GPSService，IGS)机构提供的精密星历数据进行联合解算，获取无人机的高精度位置信息。飞行控制组件通过线缆和遥感传感器连接，通过无线链路和地面站通讯，接收地面站传入的指令，并向地面站反馈无人机的状态信息。

在实际进行水生态完整监测时，先根据监测要求，在无人机上安装合适的遥感传感器，按照相关技术要求(比如摄影测量相关规范设)计好无人机飞行时的相关参数，如高度、旁向重叠度、航向重叠度等，将这些信息输入地面控制台，可规划出无人机的飞行线路，通过地面站可将规划好的线路上传至无人机的飞行控制组件，在飞行时飞行控制组件即可控制无人机按照此线路进行飞行，并控制遥感传感器按照预设的时间间隔或者距离间隔进行遥感数据采集。完成这些准备工作后，在监测区域选择合适场地安置弹射架，并将无人机安装在弹射装置上，待地面站操控人员给出起飞指令后启动弹射装置，将无人机弹射出去，通过遥控器启动飞控模块进入自动控制模式，飞控即可控制无人机进行自动作业，作业完成后，由地面站操控人员给出返回指令，无人机回到设定的降落区域进行盘旋降高，地面站操控人员选择合适的时机给出降落指令，飞行控制组件即控制打开降落伞使无人机降落。无人机降落后，用专用电缆从飞行控制组件下载POS数据，从差分GPS系统下载差分GPS数据，并从IGS服务网站下载同时段的精密星历数据，联合解算出高精度位置信息，从遥感传感器取出存储卡，将遥感数据拷贝到进行数据处理的电脑里，根据遥感数据类型，启动相应的数据处理程序，根据软件提供的接口，输入遥感数据路径、POS数据、遥感传感器参数等后运行，即可进行遥感数据几何纠正、拼接等处理操作。

综上所述，本发明实施例提供的无人机水生态遥感监测系统及测试方法，基于无人机的水生态完整性低空遥感监测系统以固定翼无人机为载体，相比于目前市面上常见的旋翼无人机，其续航能力和稳定性大大增强，与常见的滑跑起飞降落的固定翼无人机相比，采用了弹射起飞和降落伞降落的回收方式，受场地的限制较小，适用范围广。本发明提出的适用于流域水生态完整性监测的无无人机遥感传感器配置方案，可选择搭载可见光、高光谱和热红外等传感器，可采集监测水域的多种遥感信息，相较于常见的基于可见光的传统摄影测量平台可获取的遥感信息有了较大增加，可监测水环境的物理、生物等监测指标，研发了适合于水域影像处理的遥感影像拼接软件，能够基于差分GPS提供的精确位置信息等无人机外方位元素对水域影像进行地理定位、纠正和拼接，可有效提高水环境相关指标的提取效率，该基于固定翼无人机的水生态完整性低空遥感监测系统可配置不同的遥感传感器、可更换动力系统，采用弹射起飞和降落伞开伞降落的方式，对场地要求低，易于使用，载荷大，飞行姿态稳定，续航时间长，能够对各种水环境监测指标进行监测，可极大提高流域水环境监测效率，完成传统监测手段难以完成的监测任务。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无人机水生态遥感监测系统，其特征在于，包括：

无人机机体，用于承载无人机动力组件、飞行控制组件、遥感传感器组件、起降辅助组件、无线通信组件及定位组件，所述无人机机体包括机身、机翼及尾翼，所述机翼及所述尾翼安装在所述机身上；

所述无人机动力组件用于向所述无人机机体提供动力，所述无人机动力组件包括螺旋桨、发动机、舵机及动力源，所述发动机位于所述机身头部，所述螺旋桨安装在所述发动机的机头部，所述动力源安装在所述机身中部；

所述起降辅助组件用于辅助所述无人机机体的降落，所述起降辅助组件安装在所述机身的后部；

所述定位组件用于获取所述无人机机体的位置信息，并向所述飞行控制组件发送所述位置信息，所述定位组件安装在所述机身中部；

所述飞行控制组件用于接收所述无线通信组件发送的巡航指令及采集指令，并根据所述巡航指令控制所述无人机的运行方向，根据所述采集指令触发所述遥感传感器组件采集遥感信息；还用于采集所述无人机运行状态信息，接收所述定位组件发送的所述位置信息，并向所述无线通信组件发送所述运行状态信息及所述位置信息；

所述遥感传感器组件用于采集监测区域内水体的遥感信息，所述遥感信息包括所述监测区域内的物理性指标、叶绿素、悬浮物指标及所述监测区域内的水温值；

所述无线通信组件用于接收所述运行状态信息及所述位置信息，并向地面控制台发送所述运行状态信息及所述位置信息；用于接收所述地面控制台发送的所述巡航指令及所述采集指令，并向所述飞行控制组件发送所述巡航指令及所述采集指令，所述无线通信组件安装在所述机身中部；

地面控制台用于向所述无线通信组件发送所述巡航指令及所述采集指令，并接收无线通信组件发送的所述运行状态信息及所述位置信息。

2.根据权利要求1所述的无人机水生态遥感监测系统，其特征在于，所述遥感传感器组件包括可见光传感器、高光谱成像仪和/或热红外成像仪，所述可见光传感器用于采集监测区域的物理性指标，所述高光谱成像仪用于采集所述监测区域内的叶绿素及悬浮物指标，所述热红外成像仪用于采集所述监测区域内的水温值。

3.根据权利要求1所述的无人机水生态遥感监测系统，其特征在于，所述飞行控制组件包括控制传感器组件及处理器，所述控制传感器组件包括轴速率陀螺、轴加速度计、轴磁强计、高度计、空速计及处理芯片。

4.根据权利要求1所述的无人机水生态遥感监测系统，其特征在于，所述定位组件包括GPS系统及惯性导航系统。

5.根据权利要求1所述的无人机水生态遥感监测系统，其特征在于，所述动力源包括油箱和/或电池组。

6.根据权利要求1所述的无人机水生态遥感监测系统，其特征在于，所述飞行控制组件为单片机系统。