CN211452323U - 一种基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统。采集系统包括：无人机、稳定云台、高光谱相机、可见光相机、机载数据采集系统、机载数据控制器和GPS板卡；机载数据控制器用于根据预设采集频率控制高光谱相机和可见光相机同步拍摄图像；机载数据控制器还用于根据预设采集频率控制机载数据采集系统同步采集GPS板卡的GPS信息；机载数据采集系统用于采集高光谱相机的拍摄图像信息，并根据拍摄图像信息得到高光谱数据；机载数据采集系统还用于采集可见光相机的不同角度的高重叠率图像信息，并根据高重叠率图像信息和GPS信息获得三维建模数据。本实用新型能够通过一架无人机的单次飞行同时获取高光谱数据和三维建模数据，提高了作业效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及图像处理技术领域，特别是涉及一种基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统。
背景技术
成像光谱仪凭借“图谱合一”的特点一直以来都是空间遥感的主要设备之一，不仅能够获得地物的空间分布信息还能同步获得其光谱信息用于分析物质成分。起初多用于国家级项目，星载成像光谱仪和机载成像光谱仪都承担着重要的对地观测任务。随着科技的进步，无人机凭借着成本低、起降环境要求低、智能化自动化程度高等特点，广泛应用于国防、安检等军用领域。近年来，消费级无人机行业呈现爆发式增长，无人机被更多的应用在植保、刑侦、影视拍摄等民用领域；成像光谱仪也逐渐“落地”，与航空航天载荷相比其波段范围更窄但光谱分辨率和空间分辨率更高，更加适合应用于某些专用领域进行特殊探测。近年来，将成像光谱仪作为无人机载荷，应用于矿物勘探、环境监测、农业普查等民用领域成为了当下的研究热点。
可以看出，无人机高光谱成像系统具有非常广阔的发展前景。而且，越来越多的应用场景需要更精细的空间分布细节和更丰富的三维信息，高光谱设备优势是光谱分析能力，因此高光谱系统配合三维建模是无人机高光谱系统发展的趋势之一。
无人机载高光谱和无人机载三维建模系统市面已经涌现出不少，目前市面上无人机载高光谱系统和无人机载三维建模系统通过单架飞机多次飞行或者多架飞机单次飞行进行测量，多架飞机单次飞行时，无人机续航时间短，并且在当前技术条件下续航时间难以短时间内得到突破。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，能够通过一架无人机的单次飞行同时获取高光谱数据和三维建模数据。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，所述采集系统包括：无人机、稳定云台、高光谱相机、可见光相机、机载数据采集系统、机载数据控制器和GPS板卡；
所述无人机与所述稳定云台固定连接；所述可见光相机固定在所述稳定云台的外壁上；所述高光谱相机与所述稳定云台的高光谱相机调整模块的输出轴连接；所述高光谱相机调整模块用于调整所述高光谱相机的拍摄姿态，使所述高光谱相机线视场方向与所述可见光相机视场长边平行并与所述无人机的飞行方向垂直；所述机载数据采集系统和所述机载数据控制器均设置在所述无人机上；
所述机载数据控制器分别与所述高光谱相机的控制端和所述可见光相机的控制端连接，所述机载数据控制器用于根据预设采集频率控制所述高光谱相机和所述可见光相机同步拍摄图像；
所述机载数据控制器与所述机载数据采集系统的控制端连接，所述机载数据控制器还用于根据所述预设采集频率控制所述机载数据采集系统同步采集所述GPS板卡的GPS信息；
所述机载数据采集系统与所述高光谱相机连接；所述机载数据采集系统用于采集所述高光谱相机的拍摄图像信息，并根据所述高光谱相机的拍摄图像信息得到高光谱数据；
所述机载数据采集系统与所述可见光相机连接；所述机载数据采集系统还用于采集所述可见光相机的不同角度的高重叠率图像信息，并根据所述高重叠率图像信息和所述GPS信息获得三维建模数据。
可选的，所述采集系统还包括：地面基站和数传电台；
所述地面基站通过所述数传电台与所述GPS板卡连接，所述地面基站用于产生GPS基准数据，并将所述GPS基准数据传输至所述GPS板卡。
可选的，所述高光谱相机调整模块包括：双轴旋转电机、云台控制器和第一惯性测量单元；
所述第一惯性测量单元与所述高光谱相机连接；
所述第一惯性测量单元的信号输出端与所述云台控制器的输入端连接，所述第一惯性测量单元用于获取所高光谱相机拍摄前的姿态信息，并将所述高光谱相机拍摄前的姿态信息传输至所述云台控制器；
所述云台控制器的输出端与所述双轴旋转电机的控制端连接，所述云台控制器用于根据所述高光谱相机拍摄前的姿态信息，通过控制所述双轴旋转电机，调整所述高光谱相机的拍摄姿态使所述高光谱相机线视场方向与所述可见光相机视场长边平行并与所述无人机的飞行方向垂直。
可选的，所述机载数据采集系统包括：微型采集电路板和固态硬盘；
所述机载控制器的输出端与所述微型采集电路板的控制端连接；所述机载控制器还用于在控制所述高光谱相机和所述可见光相机同步拍摄图像的同时，控制所述微型采集电路板的同步采集；
所述GPS板卡、所述高光谱相机和所述可见光相机分别与所述微型采集电路板的输入端连接；
所述微型采集电路板的输出端与所述固态硬盘连接。
可选的，所述高光谱相机包括：第二惯性测量单元；
所述第二惯性测量单元的信号输出端与所述机载数据采集系统的输入端连接，所述第二惯性测量单元用于获取所述高光谱相机的拍摄姿态信息，并将所述高光谱相机的拍摄姿态信息传输至所述机载数据采集系统。
可选的，所述无人机为大疆M600pro六旋翼无人机。
可选的，所述稳定云台为HY-2050双轴稳定云台。
可选的，所述高光谱相机为HY-1030高光谱相机。
可选的，所述可见光相机为索尼RX0黑卡相机。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
本实用新型提供的基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统中，无人机通过稳定云台同时搭载高光谱相机和可见光相机，稳定云台实时调整高光谱相机的姿态，使高光谱相机的线视场方向与可见光相机的视场长边平行并与无人机的飞行方向垂直，并且通过预设采集频率，使高光谱相机拍摄到合适的高光谱图像，得到高光谱数据，并使可见光相机拍摄到不同角度的高重叠率图像，根据高重叠率图像和GPS信息可以构建三维建模，从而实现了通过单架飞机的单次飞行同时采集得到高光谱数据和三维建模数据，提高了作业效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的一种基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统的结构图；
符号说明：1-无人机，2-稳定云台，3-可见光相机，4-高光谱相机，5-机载数据采集系统。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，能够通过一架无人机的单次飞行同时获取高光谱数据和三维建模数据。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1为本实用新型提供的一种基于无人机1的高光谱数据和三维建模数据采集系统的结构图。如图1所示，采集系统包括：无人机1、稳定云台2、高光谱相机4、可见光相机3、机载数据采集系统5、机载数据控制器和GPS板卡。
无人机1与稳定云台2固定连接。由于可见光相机3视场大且具备防抖功能，无需利用稳定云台2进行稳定纠正，所以，可见光相机3固定在稳定云台2的外壁上。高光谱相机4与稳定云台2的高光谱相机4调整模块的输出轴连接。高光谱相机4调整模块用于调整高光谱相机4的拍摄姿态，使高光谱相机4线视场方向与可见光相机3视场长边平行并与无人机1的飞行方向垂直。机载数据采集系统5和机载数据控制器均设置在无人机1上。优选地，稳定云台2作为高光谱相机4和可见光相机3的载体，通过减震器与无人机1相连。
机载数据控制器分别与高光谱相机4的控制端和可见光相机3的控制端连接，机载数据控制器用于根据预设采集频率控制高光谱相机4和可见光相机3同步拍摄图像。
机载数据控制器与机载数据采集系统5的控制端连接，机载数据控制器还用于根据预设采集频率控制机载数据采集系统5同步采集GPS板卡的GPS信息。
机载数据采集系统5与高光谱相机4连接。机载数据采集系统5用于采集高光谱相机4的拍摄图像信息，并根据高光谱相机4的拍摄图像信息得到高光谱数据。
机载数据采集系统5与可见光相机3连接。机载数据采集系统5还用于采集可见光相机3的不同角度的高重叠率图像信息，并根据高重叠率图像信息和GPS信息获得三维建模数据。
机载数据控制器带有独立的触发机制，并且机载数据采集系统5和机载数据控制器与无人机1没有数据交互，不依赖于无人机1飞控系统，便于与多种类型无人机1集成。
采集系统还包括：地面基站和数传电台。地面基站通过数传电台与GPS板卡连接，地面基站用于产生GPS基准数据，并将GPS基准数据传输至GPS板卡。GPS板卡将实时获取的GPS信息与GPS基准数据结合，实现了实时RTK(Real-time kinematic，实时动态)功能，获得更精确的GPS信息。
高光谱相机4调整模块包括：双轴旋转电机、云台控制器和第一惯性测量单元。
第一惯性测量单元与高光谱相机4连接。
第一惯性测量单元的信号输出端与云台控制器的输入端连接，第一惯性测量单元用于获取高光谱相机4拍摄前的姿态信息，并将高光谱相机4拍摄前的姿态信息传输至云台控制器。
云台控制器的输出端与双轴旋转电机的控制端连接，云台控制器用于根据高光谱相机4拍摄前的姿态信息，通过控制双轴旋转电机，调整高光谱相机4的拍摄姿态，使高光谱相机4的线视场方向与可见光相机3的视场长边平行并与无人机1的飞行方向垂直。
机载数据采集系统5包括：微型采集电路板和固态硬盘。机载控制器的输出端与微型采集电路板的控制端连接。机载控制器还用于在控制高光谱相机4和可见光相机3同步拍摄图像的同时，控制微型采集电路板的同步采集。GPS板卡、高光谱相机4和可见光相机3分别与微型采集电路板的输入端连接。微型采集电路板的输出端与固态硬盘连接。
高光谱相机4包括：第二惯性测量单元。第二惯性测量单元的信号输出端与机载数据采集系统5的输入端连接，第二惯性测量单元用于获取高光谱相机4的拍摄姿态信息，并将高光谱相机4的拍摄姿态信息传输至机载数据采集系统5。
微型采集电路板采集到的高光谱相机4的拍摄图像信息和姿态信息、可见光相机3的高重叠率图像信息、GPS信息都存储至固态硬盘中，这些数据可以在飞行结束后拷贝出来，在线下将高重叠率图像信息结合对应的GPS信息，并利用市面上成熟的建模软件(如pix4d等)即可构建完整的三维模型，将高光谱数据结合GPS信息和高光谱相机4的姿态信息可以进行高精度校正和拼接。由此可以实现无人机1同时搭载高光谱相机4和可见光相机3，通过一次飞行同时获取高光谱数据和三维建模数据。
高光谱相机4每帧图像获取的是空间维度的一条线，可见光相机3每帧图像获取的是空间维度的一个区域(面)，在无人机1飞行时高光谱相机4通过线扫成像，相对而言可见光相机3拍摄的照片具有更高的重叠率，即对于空间中的同一物体在无人机1飞行过程中将被可见光相机3在不同角度多次拍摄。
高光谱相机4采集频率与无人机1飞行的速高比具有严格对应的数学关系v/h＝αu，其中v/h表示速高比，v表示速度，h表示高度，α表示高光谱相机4瞬时视场角(弧度单位)，u表示高光谱相机4采集帧频(每秒拍照数量)。高光谱相机4采集频率过高图像会压缩、过低会拉伸；而可见光相机3采集频率与数据重叠率有关，可见光相机3采集频率越高重叠率越高。由于可见光相机3视场远大于高光谱相机4，在适配高光谱相机4的飞行速度下可见光相机3具有较高的重叠率，可用于三维建模。市面上的三维建模系统大多是由三台或五台相机组成，而本申请通过一台可见光相机3就实现了三维建模，显著降低了作业成本，提高了作业效率。
本实用新型提供的基于无人机1的高光谱数据和三维建模数据采集系统的采集过程为：
无人机1通过稳定云台2同时挂载高光谱相机4和可见光相机3，无人机1按照自身飞控系统事先规划的飞行轨迹进行匀速飞行。稳定云台2实时调整高光谱相机4的姿态，使高光谱相机4线视场方向与可见光相机3视场长边平行并与无人机1飞行方向垂直。机载数据控制器按照预设的触发机制，控制高光谱相机4和可见光相机3同步拍摄图像，并同步采集高光谱相机4的拍摄图像信息和姿态信息、可见光相机3的高重叠率图像信息以及GPS信息，并将这些信息存储至固态硬盘。
后期数据处理时可自动去除起飞降落及转弯期间的无效数据，去除数据部分可根据飞行高度结合姿态信息来判断。两台相机的图像信息均带有一一对应的姿态和GPS数据，这些数据可以用于辅助去除无效数据，显著提高图像拼接和三维建模精度。
优选地，在本实施例中，无人机1为大疆M600pro六旋翼无人机1。稳定云台2为HY-2050双轴稳定云台2。高光谱相机4为HY-1030高光谱相机4。可见光相机3为索尼RX0黑卡相机，但并不仅限于以上设备。
通过无人机1借助高稳定云台2同时挂载高光谱相机4和高清可见光相机3的集成方法与作业形式，使高光谱数据采集和三维建模数据采集通过无人机1的单次飞行得以全部获取，不仅数据精度高而且作业效率高。
本实用新型同时得到高光谱数据和三维建模数据后，还可将高光谱数据和三维建模数据相融合，不仅可以定性分析物质成分还能还原被测物高度、长度等更多轮廓信息，即，更精细的空间分布细节和更丰富的三维信息，根据这些空间尺度中的距离信息可以在地形起伏影像较大的情况下提供作业高度信息，辅助进行反射率校准和空间成像畸变补偿。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (9)
1.一种基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，其特征在于，所述采集系统包括：无人机、稳定云台、高光谱相机、可见光相机、机载数据采集系统、机载数据控制器和GPS板卡；
所述无人机与所述稳定云台固定连接；所述可见光相机固定在所述稳定云台的外壁上；所述高光谱相机与所述稳定云台的高光谱相机调整模块的输出轴连接；所述高光谱相机调整模块用于调整所述高光谱相机的拍摄姿态，使所述高光谱相机线视场方向与所述可见光相机视场长边平行并与所述无人机的飞行方向垂直；所述机载数据采集系统和所述机载数据控制器均设置在所述无人机上；
所述机载数据控制器分别与所述高光谱相机的控制端和所述可见光相机的控制端连接，所述机载数据控制器用于根据预设采集频率控制所述高光谱相机和所述可见光相机同步拍摄图像；
所述机载数据控制器与所述机载数据采集系统的控制端连接，所述机载数据控制器还用于根据所述预设采集频率控制所述机载数据采集系统同步采集所述GPS板卡的GPS信息；
所述机载数据采集系统与所述高光谱相机连接；所述机载数据采集系统用于采集所述高光谱相机的拍摄图像信息，并根据所述高光谱相机的拍摄图像信息得到高光谱数据；
所述机载数据采集系统与所述可见光相机连接；所述机载数据采集系统还用于采集所述可见光相机的不同角度的高重叠率图像信息，并根据所述高重叠率图像信息和所述GPS信息获得三维建模数据。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，其特征在于，所述采集系统还包括：地面基站和数传电台；
所述地面基站通过所述数传电台与所述GPS板卡连接，所述地面基站用于产生GPS基准数据，并将所述GPS基准数据传输至所述GPS板卡。
3.根据权利要求1所述的基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，其特征在于，所述高光谱相机调整模块包括：双轴旋转电机、云台控制器和第一惯性测量单元；
所述第一惯性测量单元与所述高光谱相机连接；
所述第一惯性测量单元的信号输出端与所述云台控制器的输入端连接，所述第一惯性测量单元用于获取所述高光谱相机拍摄前的姿态信息，并将所述高光谱相机拍摄前的姿态信息传输至所述云台控制器；
所述云台控制器的输出端与所述双轴旋转电机的控制端连接，所述云台控制器用于根据所述高光谱相机拍摄前的姿态信息，通过控制所述双轴旋转电机，调整所述高光谱相机的拍摄姿态，使所述高光谱相机线视场方向与所述可见光相机视场长边平行并与所述无人机的飞行方向垂直。
4.根据权利要求1所述的基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，其特征在于，所述机载数据采集系统包括：微型采集电路板和固态硬盘；
所述机载数据控制器的输出端与所述微型采集电路板的控制端连接；所述机载数据控制器还用于在控制所述高光谱相机和所述可见光相机同步拍摄图像的同时，控制所述微型采集电路板的同步采集；
所述GPS板卡、所述高光谱相机和所述可见光相机分别与所述微型采集电路板的输入端连接；
所述微型采集电路板的输出端与所述固态硬盘连接。
5.根据权利要求1所述的基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，其特征在于，所述高光谱相机包括：第二惯性测量单元；
所述第二惯性测量单元的信号输出端与所述机载数据采集系统的输入端连接，所述第二惯性测量单元用于获取所述高光谱相机的拍摄姿态信息，并将所述高光谱相机的拍摄姿态信息传输至所述机载数据采集系统。
6.根据权利要求1所述的基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，其特征在于，所述无人机为大疆M600pro六旋翼无人机。
7.根据权利要求1所述的基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，其特征在于，所述稳定云台为HY-2050双轴稳定云台。
8.根据权利要求1所述的基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，其特征在于，所述高光谱相机为HY-1030高光谱相机。
9.根据权利要求1所述的基于无人机的高光谱数据和三维建模数据采集系统，其特征在于，所述可见光相机为索尼RX0黑卡相机。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN112357107A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-02-12 | 中国科学院上海技术物理研究所杭州大江东空间信息技术研究院 | 一种基于六旋翼无人机搭载高光谱推扫成像系统 |
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2019
- 2019-12-31 CN CN201922479801.1U patent/CN211452323U/zh active Active
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|---|---|---|---|---|
| CN112357107A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-02-12 | 中国科学院上海技术物理研究所杭州大江东空间信息技术研究院 | 一种基于六旋翼无人机搭载高光谱推扫成像系统 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: A data acquisition system for hyperspectral data and 3D modeling based on UAV Effective date of registration: 20220310 Granted publication date: 20200908 Pledgee: Hangzhou High-tech Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Hangzhou high spectrum imaging technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022330000324 |
|
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Granted publication date: 20200908 Pledgee: Hangzhou High-tech Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: Hangzhou high spectrum imaging technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022330000324 |