CN110083176B - 一种基于无人机载高光谱成像的brdf数据采集系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法，涉及一种数据采集方法，包括辅助定位装置、数据采集单元和测控单元；辅助定位装置包括圆盘、测绳和地面标识布，数据采集单元包括无人机、云台及高光谱成像仪，测控单元包括图形判断模块、角度控制模块、观测位置控制模块和数据处理模块；采集方法包括：选择观测地物/场景，并布置地面标识布；确定观测地物/场景中心点坐标位置W；计算观测角度；确定无人机悬停位置并进行数据采集；形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。该系统通过地面角度测量装置，实现地面标识布摆放位置的精确控制，降低了每次操作时的测算工作量，提高了对无人机的飞行控制效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据采集方法，具体涉及一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法，可以应用于遥感、光学等领域的研究中。
背景技术
随着无人机技术的不断成熟和操作的便捷性，应用领域的不断扩展，与很多领域开展集成创新，形成了大量全新的思维方式和应用场景。另一方面，高光谱成像仪的体积和重量不断减小，使其能够搭载在无人机系统上实现近地表数据采集。伴随着多角度遥感应用的不断发展，近地表开展基础理论研究的需求不断加大。将高光谱成像仪搭载在旋翼式无人机上，开展近地面(10-500m)高度的BRDF信息测量，将会为此类应用领域提供全新的技术手段和方法。
现有地面BRDF观测系统，采用的是轨道式调节观测角度的方式，能够实现距地面5米以下的BRDF信息采集，且随着高度的增加其搬动过程非常不易，操作困难，且一般为非成像方式。
针对现有地面双向反射分布函数(Bidirectional Reflectance DistributionFunction，BRDF)测量系统无法实现大场景和高大地物测量的现实问题，本申请提供了一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法，包括辅助定位装置、数据采集单元和测控单元；
所述辅助定位装置用于对观测地物/场景进行位置标识，所述辅助定位装置包括沿周向刻有角度线的圆盘、多根测绳和多个与所述测绳配合的地面标识布，所述圆盘中心设置有定位柱，多根所述测绳一端沿周向均匀固定在所述定位柱上，所述测绳一端固定在所述圆盘中心，所述地面标识布放置在所述测绳上指定的位置；
所述数据采集单元包括无人机、设置在所述无人机上的云台及安装在所述云台上的高光谱成像仪，所述高光谱成像仪的镜头朝下设置，所述云台和高光谱成像仪均与所述无人机内的飞控计算机连接；
所述测控单元包括图形判断模块、角度控制模块、观测位置控制模块和数据处理模块；
所述图形判断模块用于根据所述高光谱成像仪采集的图像判断高光谱成像仪中的图像是否覆盖图像采集范围；
所述角度控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于在所述无人机不同悬停位置处根据所述无人机的飞行高度和所述无人机距离观测地物/场景中心点的水平距离，测算出观测角度，并根据观测角度控制所述云台的旋转角度，进而控制所述高光谱成像仪的镜头角度；
所述观测位置控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于根据预先设定的采集角度控制所述无人机的悬停位置，所述无人机的悬停位置为观测位置；
所述数据处理模块，与所述高光谱成像仪连接，用于接收所述高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。
优选地，所述观测地物/场景中心点的坐标采取手工输入。
优选地，所述无人机搭载差分定位模块。
优选地，所述测绳由非弹性材质制成，所述测绳上沿长度方向设置有刻度线。
本申请还提供一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统进行数据采集的方法，包括以下步骤：
步骤1：选择观测地物/场景，并预先计划观测的计划观测角度θi，将所述辅助定位装置放置在观测地物/场景中间或将所述辅助定位装置紧邻观测地物/场景放置，根据所述定位柱的阴影对应的圆盘刻度，确定地面水平观测角的起始位置，利用所述测绳测量出所述地面标识布摆放位置；
步骤2：将所述地面标识布摆放在步骤1测量出的摆放位置，对观测地物/场景进行位置标识，以标识观测方向，即无人机飞行路线；
步骤3：向所述无人机内的飞控计算机中输入观测地物/场景中心点坐标位置，或将无人机放置在观测地物/场景中心点位置，记录坐标W；
步骤4：所述无人机垂直于观测地物/场景上方，不改变水平位置，直接起飞，随着高度的上升，观测视场逐渐加大至所述图形判断模块判断所有所述地面标识布显示在视场中，记录高度h0，即初试飞行高度，也是球面的半径R；
步骤5：所述角度控制模块测算出观测角度，具体计算方法如下所述：
根据计划观测角度θi，运用hi与R或di与R的计算公式，得到计划观测的球面角度所处的位置Oi，其中i＝0、1、2……N；
hi计算公式为：hi＝R×cosθi；hi为观测位置距地面的高度；设Si：为观测位置对应的地面坐标点；di为观测位置对应的地面坐标点到所述中心点的水平距离，即Si到W的距离，其计算公式为：di＝R×sinθi；在实际飞行操作过程中，如无人机是在W点起飞，从飞控数据中调取di回传到屏幕上；
步骤6：所述观测位置控制模块根据预先设定的采集角度控制所述无人机的悬停位置，具体为操作所述无人机到对应的Oi位置，并调整高光谱成像仪的观测角度至对应的观测天顶角，依次完成所有Oi位置的光谱成像数据采集；
步骤7：依次完成多个水平观测方向角度，水平观测方向角度的数量和间隔根据数据获取需要，进行调整；
步骤8：所述数据处理模块接收所述高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。
本发明提供的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法具有以下有益效果：
(1)借助旋翼式无人机飞行高度高出很多且可调节高度的特点，实现在近地面的不同空间高度对地面地物进行BRDF信息采集；
(2)通过无人机机载高光谱成像系统的方式实现BRDF信息观测与采集记录；
(3)通过地面标识布控制拍摄视场范围和确定或验证观测角度；
(4)通过飞机高度和距离观测地物/场景中心点的距离，测算出观测角度；通过计划观测角度，计算出飞机高度和距离观测地物/场景中心点的距离，及数据观测位置；
(5)通过预先设置的程序，根据观测角度的需要，完成飞行高度和悬停位置的测算，实现自动引导无人机到飞观测位置；
(6)通过无人机机载的方式，实现观测高度的大幅度增加，以实现对大场景和高大地物的BRDF观测；
(7)通过辅助定位装置，实现地面标识布摆放位置的精确控制；
(8)通过预先设置的程序，根据观测角度的需要，完成飞行高度和悬停位置的测算，降低了每次操作时的测算工作量，提高了对无人机的飞行控制效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统地面标识布及摆放角度测量装置(以16向为例)的示意图；
图2为本发明实施例1的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集方法进行某一地面水平观测方向角度上悬停位置和角度测算方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
实施例1
本发明提供了一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法，具体如图1所示，包括辅助定位装置、数据采集单元和测控单元；
辅助定位装置用于对观测地物/场景进行位置标识，辅助定位装置包括沿周向刻有角度线的圆盘1、多根测绳2和多个与测绳2配合的地面标识布3，圆盘1中心设置有定位柱4，多根测绳2一端沿周向均匀固定在定位柱4上，定位柱4用于确定不同太阳天顶角对应的地面起始方位角。测绳2一端固定在圆盘1中心，地面标识布3放置在测绳2上指定的位置；地面标识布围绕观测地物/场景放置，用于对观测地物/场景进行位置标识，一方面，便于通过机载相机对场景范围进行识别；另一方面，对观测角度进行验证。
数据采集单元包括无人机、设置在无人机上的云台及安装在云台上的高光谱成像仪，高光谱成像仪的镜头朝下设置，云台和高光谱成像仪均与无人机内的飞控计算机连接；
测控单元包括图形判断模块、角度控制模块、观测位置控制模块和数据处理模块；
图形判断模块用于根据高光谱成像仪采集的图像判断高光谱成像仪中的图像是否覆盖图像采集范围；
角度控制模块，与无人机内的飞控计算机连接，用于在无人机不同悬停位置处根据无人机的飞行高度和无人机距离观测地物/场景中心点的水平距离，测算出观测角度，并根据观测角度控制云台的旋转角度，进而控制高光谱成像仪的镜头角度；也就是说角度控制模块用于根据预先输入的BRDF观测角度，根据事先设定的计算公式，运算出无人机的飞行高度和悬停位置，并将测算结果信息发送给无人机飞行控制模块，引导无人机自动飞行至观测位置并悬停，以解决手工操作无法实现精确定位水平位置和距地面高度的问题。当然，可以通过手工控制无人机到预定位置高度，会在屏幕上显示出指示信息，供飞控人员手工操作。
观测位置控制模块，与无人机内的飞控计算机连接，用于根据预先设定的采集角度控制无人机的悬停位置，无人机的悬停位置为观测位置；
数据处理模块，与高光谱成像仪连接，用于接收高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。
进一步地，本实施例中，观测地物/场景中心点的坐标采取手工输入。也可以将无人机置于观测地物/场景中心点起飞，测算精度与飞行器使用的定位装置的精度有关，本实施例中无人机搭载差分定位模块。
进一步地，本实施例中，测绳2由非弹性材质制成，测绳2上沿长度方向设置有刻度线。
本实施例还提供一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统进行数据采集的方法，包括以下步骤：
步骤1：选择观测地物/场景，并预先计划观测的计划观测角度θi，将所述辅助定位装置放置在观测地物/场景中间或将辅助定位装置紧邻观测地物/场景放置，根据定位柱4的阴影对应的圆盘刻度，确定地面水平观测角的起始位置，利用测绳2测量出地面标识布3摆放位置；
步骤2：将地面标识布3摆放在步骤1测量出的摆放位置，对观测地物/场景进行位置标识，以标识观测方向，即无人机飞行路线；
步骤3：向无人机内的飞控计算机中输入观测地物/场景中心点坐标位置，或将无人机放置在观测地物/场景中心点位置，记录坐标W；
步骤4：无人机垂直于观测地物/场景上方，不改变水平位置，直接起飞，随着高度的上升，观测视场逐渐加大至图形判断模块判断所有地面标识布3显示在视场中，记录高度h0，即初试飞行高度，也是球面的半径R；
步骤5：角度控制模块测算出观测角度，具体计算方法如下：
根据计划观测角度θi，运用hi与R或di与R的计算公式，得到计划观测的球面角度所处的位置Oi，其中i＝0、1、2……N；
hi计算公式为：hi＝R×cosθi；
其中，设Si：为观测位置对应的地面坐标点；hi为观测位置距地面的高度；di为观测位置对应的地面坐标点到所述中心点的水平距离，即Si到W的距离，其计算公式为：di＝R×sinθi；在实际飞行操作过程中，如无人机是在W点起飞，从飞控数据中调取di回传到屏幕上；
步骤6：观测位置控制模块根据预先设定的采集角度控制无人机的悬停位置，具体为操作无人机到对应的Oi位置，并调整高光谱成像仪的观测角度至对应的观测天顶角，依次完成所有Oi位置的光谱成像数据采集；
步骤7：依次完成多个水平观测方向角度，水平观测方向角度的数量和间隔根据数据获取需要，进行调整；
步骤8：数据处理模块接收高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。
本实施例提供的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法借助旋翼式无人机飞行高度高出很多且可调节高度的特点，实现在近地面的不同空间高度对地面地物进行BRDF信息采集；通过无人机机载高光谱成像系统的方式实现BRDF信息观测与采集记录；通过地面标识布控制拍摄视场范围和确定或验证观测角度；通过飞机高度和距离观测地物/场景中心点的距离，测算出观测角度；通过计划观测角度，计算出飞机高度和距离观测地物/场景中心点的距离，及数据观测位置；通过预先设置的程序，根据观测角度的需要，完成飞行高度和悬停位置的测算，实现自动引导无人机到飞观测位置；通过无人机机载的方式，实现观测高度的大幅度增加，以实现对大场景和高大地物的BRDF观测；通过辅助定位装置，实现地面标识布摆放位置的精确控制；通过预先设置的程序，根据观测角度的需要，完成飞行高度和悬停位置的测算，降低了每次操作时的测算工作量，提高了对无人机的飞行控制效率。
以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统，其特征在于，包括辅助定位装置、数据采集单元和测控单元；
所述辅助定位装置用于对观测地物/场景进行位置标识，所述辅助定位装置包括沿周向刻有角度线的圆盘(1)、多根测绳(2)和多个与所述测绳(2)配合的地面标识布(3)，所述圆盘(1)中心设置有定位柱(4)，多根所述测绳(2)一端沿周向均匀固定在所述定位柱(4)上，所述地面标识布(3)放置在所述测绳(2)上指定的位置；
所述数据采集单元包括无人机、设置在所述无人机上的云台及安装在所述云台上的高光谱成像仪，所述高光谱成像仪的镜头朝下设置，所述云台和高光谱成像仪均与所述无人机内的飞控计算机连接；
所述测控单元包括图形判断模块、角度控制模块、观测位置控制模块和数据处理模块；
所述图形判断模块用于根据所述高光谱成像仪采集的图像判断高光谱成像仪中的图像是否覆盖图像采集范围；
所述角度控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于在所述无人机不同悬停位置处根据所述无人机的飞行高度和所述无人机距离观测地物/场景中心点的水平距离，测算出观测角度，并根据观测角度控制所述云台的旋转角度，进而控制所述高光谱成像仪的镜头角度；
所述观测位置控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于根据预先设定的采集角度控制所述无人机的悬停位置，所述无人机的悬停位置为观测位置；
所述数据处理模块，与所述高光谱成像仪连接，用于接收所述高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。
2.根据权利要求1所述的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统，其特征在于，所述观测地物/场景中心点的坐标采取手工输入。
3.根据权利要求1所述的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统，其特征在于，所述无人机搭载差分定位模块。
4.根据权利要求1所述的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统，其特征在于，所述测绳(2)由非弹性材质制成，所述测绳(2)上沿长度方向设置有刻度线。
5.利用权利要求1至4任一项所述的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统进行数据采集的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择观测地物/场景，并预先计划观测的计划观测角度θi，将所述辅助定位装置放置在观测地物/场景中间或将所述辅助定位装置紧邻观测地物/场景放置，根据所述定位柱(4)的阴影对应的圆盘刻度，确定地面水平观测角的起始位置，利用所述测绳(2)测量出所述地面标识布(3)摆放位置；
步骤2：将所述地面标识布(3)摆放在步骤1测量出的摆放位置，对观测地物/场景进行位置标识，以标识观测方向，即无人机飞行路线；
步骤3：向所述无人机内的飞控计算机中输入观测地物/场景中心点坐标位置，或将无人机放置在观测地物/场景中心点位置，记录坐标W；
步骤4：所述无人机垂直于观测地物/场景上方，不改变水平位置，直接起飞，随着高度的上升，观测视场逐渐加大至所述图形判断模块判断所有所述地面标识布(3)显示在视场中，记录高度h0，即初试飞行高度，也是球面的半径R；
步骤5：所述角度控制模块测算出观测角度，具体计算方法如下所述：
根据计划观测角度θi，运用hi与R或di与R的计算公式，得到计划观测的球面角度所处的位置Oi，其中i＝0、1、2……N；
其中，设Si：为观测位置对应的地面坐标点；hi为观测位置距地面的高度，hi计算公式为：hi＝R×cosθi；di为观测位置对应的地面坐标点到所述中心点的水平距离，即Si到W的距离，其计算公式为：di＝R×sinθi；在实际飞行操作过程中，如无人机是在W点起飞，从飞控数据中调取di回传到屏幕上；
步骤6：所述观测位置控制模块根据预先设定的采集角度控制所述无人机的悬停位置，具体为操作所述无人机到对应的Oi位置，并调整高光谱成像仪的观测角度至对应的观测天顶角，依次完成所有Oi位置的光谱成像数据采集；
步骤7：依次完成多个水平观测方向角度，水平观测方向角度的数量和间隔根据数据获取需要，进行调整；
步骤8：所述数据处理模块接收所述高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。
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