中国无人机遥感技术突破与产业发展综述

无人机是未来网络环境下一种数据驱动的空中移动智能体,而无人机遥感则是无人机应用最重要的引领性产业。本文首先以国内外无人机遥感发展现状为背景,重点概述了中国无人机遥感21世纪以来“十五”到“十三五”所获得的具有代表性的国家支持与推动的发展历程,阐述了无人机遥感定标场,航空航天定标场的建立以及应用验证,包括无人机遥感系统的载荷与系统技术发展;然后,进一步阐述了以遥感定标场、地物参量引导载荷性能、系统模型为代表的中国无人机遥感的相关技术跨越;接着,概略介绍了无人机遥感在国防反恐安全以及跨国应急救援,国土测绘与海洋岛礁测绘应用,地质灾害应用以及国家应急救援等领域的产业应用;最后,介绍了中国在无人航空遥感领域展开的跨越性的工作,包括组网智能控制、精度和实时性度量基础、载荷平台自组织冗余容错、遥感大数据云处理技术和无人机遥感组网实用化等内容。未来无人机遥感发展的总体目标是建立起具备迅捷信息获取能力的无人航空器组网观测系统,实现无人航空器组网技术由项目层面跨越到遥感领域,同时也为中国成为世界遥感强国的国家战略跨越奠定基础。     

无人机组网遥感实时任务观测的冗余容错控制方案

中小型无人机（UAV）越来越多地应用于各种实时静态和动态任务中,已成为对人类非常有用的辅助工具。适合无人机在各种条件下进行监视和测量的因素有很多,但无人机在执行不同的实时任务时仍会受到各种挑战,且一旦在任务执行过程中任何一个约束的及时响应缺失,将会影响任务的总体结果,导致整个任务部分或完全失败,在实际中很难建立完美系统。因此,在系统中引入冗余容错来最小化故障概率并增强其鲁棒性非常重要。其中,根本问题是随着系统复杂性的增加,除非对其采取补偿措施,否则其可靠性会急剧下降。冗余容错是通过添加一个或多个模块（通常采用并行配置）作为备份来引入冗余。为了提高极端条件下航空遥感任务无人机网络系统的鲁棒性和成功率,本文将基于冗余的容错控制技术引入无人机网络设计中,确定了不同限制条件下的最佳网络解决方案。组网设计是在不同观测条件下的遥感任务如“大尺度生态监测”、“中尺度洪灾监测”、“小尺度安全监测” 中,通过同步监控进行主动合作的包括多个无人机的网络。多无人机网络作为冗余容错体系结构时可以通过添加多个无人机作为备份使得系统可以容错,而无人机在不同极端条件下的位置和视角则可以作为冗余容错的场景设置。当组网方案中的无人机位置和视角超过设定的阈值时可以被认为是故障的,其将被分离并不考虑进一步分析。通过以上方式,无人机网络可以在极端条件下得到组网控制方案的有效输出,进而保证遥感观测任务的顺利进行。     

含有色噪声的联邦滤波算法

基于联邦滤波算法,通过对状态方程有色噪声的拟合和预报,给出了含有有色噪声的联邦滤波融合算法,并利用模拟数据进行了试算与比较。结果表明,基于含有有色噪声的联邦滤波算法在一定程度上能够提高导航解的精度和可靠性。     

高分辨率遥感图像融合的光谱保真问题

分析高分辨率遥感图像融合光谱失真的原因,利用基于滤波原理的Wavelet、SFIM融合算法和基于统计原理的Gram-schmidt、PCI pansharp模块提供的融合算法对高分辨率遥感图像的代表QuickBird图像进行融合试验。结果表明:这四种融合算法虽都具有很好的光谱保真性,但从光谱保真度和高频信息融入度这两个方面的定量分析来看,基于统计原理的融合方法总体上优于基于滤波原理的融合方法,更适合于QuickBird高分辨率遥感图像的融合。     

基于野外台站无人机组网遥感仿真航迹规划

无人机因其灵活、高分辨率等特点在遥感领域中得到了广泛应用,但是目前的无人机遥感多为单机作业,存在缺乏组网协同规划、作业效率有待提高等问题。无人机组网遥感观测能够克服单机作业存在的问题,可以实现多尺度、多平台、多载荷的高频次迅捷组网观测,快速获取大范围的超高分辨率数据,为大范围的生态环境监测、洪涝灾害监测以及国土安全应急监测提供数据支撑。无人机航迹规划能够为高频迅捷的无人机组网观测提供最优航迹。本文针对日益繁杂的航空遥感任务,以及无人机野外台站资源的逐渐完善,提出了基于野外台站的无人机遥感航迹规划模型,以优化后的单机航迹为基础,以无人机数量最少为目标进行多机组网任务分配,旨在解决基于台站的无人机组网航迹规划问题。首先对单机航迹进行优化,将无人机总航程分为有效作业航程和非有效作业航程,通过分析单机作业的任务约束,证明了非有效作业航程最短时作业效率最高,非有效作业航程由转弯航程以及无人机往返于台站的航程决定,因此,确定提高单机作业效率的航迹优化方法：采用“最小宽度”的方法确定最优飞行方向以减少转弯航程,以无人机往返于台站航程最短为原则确定最优的任务起点;其次,以优化后的单机航迹为基础,提出基于台站的无人机组网任务分配算法,考虑每架无人机往返于台站的航程,充分利用无人机的续航能力,以无人机数量最少为目标进行任务分配,从而获得基于台站的无人机组网航迹规化结果。通过仿真分析,验证了本文模型的有效性和正确性。     

基于低空无人机搭载可见光近红外传感器的太湖蓝藻监测

传统卫星遥感手段因受其访问周期的限制,较难在时间频率上保证数据的及时性。低空无人机搭载轻小型传感器,以其机动、快速、经济等优势,在环境监测等领域日益发挥重要作用。面向太湖蓝藻监测需求,探索了一种基于低空无人机搭载可见光近红外传感器的监测方法。在系统规划和平台设计的基础上,选取太湖梅梁湖湖区进行试验。依据前人经验,采用可见光和近红外波段及其组合方式提取蓝藻信息,并与试验数据验证。该方法可为蓝藻灾害的防灾、减灾、救灾等提供辅助手段和决策支持。     

一种多传感器组合导航系统的自适应分布式滤波算法北大核心CSCD

针对联邦滤波器和集中式卡尔曼滤波器在实际应用中存在的问题及组合导航中量测噪声统计特性不准确引起滤波精度下降的问题,提出利用变分贝叶斯估计和分布式估计的多传感器组合导航系统自适应分布式滤波方法。首先,基于集中式卡尔曼滤波技术,推导分布式滤波的一种表达方法,该方法具有估计最优性、故障自动隔离且对导航系统无污染的特点;然后,结合变分贝叶斯估计技术,提出自适应分布式滤波方法,对系统状态和时变的量测噪声方差进行同步实时估计;最后,采用SINS/GNSS/CNS/ADS组合导航系统进行仿真验证。仿真结果表明,本文算法能实时跟踪突变或缓变的量测噪声方差,较联邦滤波算法可有效降低量测噪声统计特性不准确给系统带来的不利影响,进而提高组合导航系统的滤波精度。     

机载航测实时处理系统设计及实现

近年来,无人机针对不同类型自然灾害应急救灾取得显著成效,但是快速获取灾情现场信息,满足第一张图应急测绘需求的机载航测系统尚未成型,无法保障应急救灾的时效性.因此,本文依据轻小型一体化多载荷集成设计,构建了基于中大型无人机飞行平台的航测相机、轻小型SAR、集成座架及定位定姿系统(POS)信号共享的一体化集成新型机载航测系...     

强度体元基元下的机载LiDAR 3D滤波

针对现有基于二值体元基元的机载LiDAR三维（3 Dimensional, 3D）滤波算法仅利用了数据的高程特征、无法区分相连的地面和非地面目标的问题,提出了一种基于强度体元基元的机载LiDAR 3D滤波算法。首先,基于计算几何理论,将机载LiDAR数据规则化为强度（体元内激光点的量化平均反射强度值）体元结构。然后,基于3D连通区域构建理论,选取局部高程最低的非0值体元为地面种子进而搜寻并标记与地面种子,空间连通、反射强度及坡度值均接近的连通区域内体元为地面体元。算法综合利用LiDAR数据的高程、反射强度及坡度特征,支持相连但强度不同的地面和非地面目标的区分,为相连的地面和非地面目标的精确区分提供更有效的信息。算法有助于提高滤波精度,并扩展基于体元基元的3D滤波算法适用于更复杂的场景。实验基于ISPRS提供的专门用于滤波算法测试的LiDAR点云数据测试了“空间邻域尺度”参数的敏感性及提出算法的精度。定量评价的结果表明：51邻域为最佳邻域尺度;提出算法的平均Kappa系数在相对平坦、陡坡及不连续地形分别为0.9380、0.7749和0.6866;从总误差测度来看,提出算法对比经典的Axelsson算法改进了15个样本中的7个样本精度,且其对比其他二值体元基元下的滤波算法平均总误差最低。     

滑坡监测的自适应约束抗差滤波算法研究

在滑坡的动态监测中通常存在先验几何信息和物理信息,现有的滤波算法并不能够充分利用这些信息,为控制几何观测异常对形变参数估计的影响,提出一种利用滑坡力学状态信息的约束滤波模型.同时,利用约束方程获得有益信息,精确地确定测量的等价权,给出相应的自适应约束抗差滤波算法,并通过实例说明了带有约束的滤波算法更能提高状态参数估计的...     

面向智能查违的北斗无人机低空感知与服务系统

针对如何解决对城建中违章建筑进行全面有效监管的问题,设计研发了一种应用北斗无人机低空感知与服务技术的智能查违系统。利用北斗无人机搭载航空摄影设备获取城市定点区域遥感数据,通过实时数据通信传输模块将信息上传至多功能遥感数据处理平台进行动态处理,实现违章建筑的持续变化监测和查询,为监管部门提供数据支撑和决策依据。     

基于局部空间信息KFCM的遥感图像聚类算法

针对模糊C均值(Fuzzy C-Means, FCM)算法,不能有效地对夹杂噪声的遥感图像聚类的问题,本文提出了一种基于局部空间信息核模糊C均值(Kernel Fuzzy C-Means, KFCM)的遥感图像聚类算法。首先,运用核函数将遥感图像的所有像元映射到高维特征空间,通过非线性映射优化遥感图像的有用特征;然后,根据相邻像元之间的相关性,利用一种空间函数重新定义像元的模糊隶属度,将像元的局部空间信息引入到FCM算法中,并在高维特征空间中使用这种基于局部空间信息的FCM算法对像元聚类。由于引入了像元的局部空间信息,算法可以直接应用于原始遥感图像,不需要滤波预处理。大量实验结果表明,本文提出的基于局部空间信息KFCM的遥感图像聚类算法具有较强的抗噪能力,可得到较好的同质区域,优于现有的FCM算法、模糊局部信息C均值(Fuzzy Local Information C-Means, FLICM)算法及KFCM算法。     

无人机遥感数据处理与滑坡信息提取

高分辨率的DEM和DOM数据是对地形地貌信息的准确描述,也是滑坡信息提取的重要数据源。首先,针对滑坡信息提取的要求,本文采用无人搭载微型单反相机的影像获取平台,结合野外测量的GPS数据,弥补了无人机POS信息精度低的劣势;针对无人机影像的特点,运用摄影测量基本原理与计算机视觉算法,获取高精度、高分辨率的DEM与DOM影像,保留了丰富的光谱与纹理信息。其次,借助ESP辅助工具获取了DOM影像的最佳分割尺度,并结合研究区地物特征构建了基于模糊分类与SVM算法相结合的决策树,运用面向对象的分类方法实现了对研究区内植被、道路、疑似滑坡区域的信息提取。最后,依照研究区地物分布的空间特征确定了高风险等级区域,并对该区域进行滑坡的形态与纹理分析以及精度评价,其中提取的疑似滑坡区域用户精度为91.44%、生产者精度为84.65%,结果表明无人机遥感在滑坡信息提取领域具有较高的应用价值。     

高精度无人机影像园林绿化遥感测试应用研究

以无人机在湖南省江华县航拍数据资料为基础,开展了无人机航测遥感图像的处理、解译、实地调查等工作,建立了无人机航测遥感数据获取—处理一应用的完整作业流程,为无人机遥感园林绿化调查新方法的应用提供了技术支持。研究摸索出了一套切实可行的方法,通过无人机遥感影像识别与解译,查明了各类绿地的分布状况,并对调查成果进行了评价,为申报园林城市提供了准确的基础资料。     

Object-oriented crop classification based on UAV remote sensing imagery

UAV remote sensing images have the advantages of high spatial resolution,fast speed,strong real-time performance,and convenient operation,etc.,and have become a recently developed,vital means of acquiring surface information.It is an important research task for precision agriculture to make full use of the spectrum,texture,color and other characteristic information of crops,especially the spatial arrangement and structure information of features,to explore effective methods for the classification of multiple varieties of crops.In order to explore the applicability of the object-oriented method to achieve accurate classification of UAV high-resolution images,the paper used the object-oriented classification method in ENVI to classify the UAV high-resolution remote sensing image obtained from the orderly structured 28 species of crops in the test field,which mainly includes image segmentation and object classification.The results showed that the plots obtained after classification were continuous and complete,basically in line with the actual situation,and the overall accuracy of crop classification was 91.73%,with Kappa coefficient of 0.87.Compared with the crop planting area based on remote sensing interpretation and field survey,the area error of 17 species of crops in this study was controlled within 15%,which provides a basis for object-oriented crop classification of UAV remote sensing images.     

中国浮空器遥感遥测应用现状与展望

浮空器是一种新型的航空遥感遥测平台,适合于中小面积高分辨率的遥感遥测,尤其是中低空小型遥控飞艇,可依靠动力推进与操纵系统实现可操作飞行,具有飞行时间长、覆盖面积大、载重能力强、效费比高等特点,与其他几种航空平台相比,飞艇平台具有综合优势,在基础地理数据采集、国土资源勘查、环境监测、农业植被监测等各个领域具有广泛的应用前景。本文分析了中国有人飞机、无人机和中低空飞艇、平流层飞艇平台在遥感遥测中应用案例,以及各个航空平台的性能特点、工作方式、技术难点等,对比了各种平台的技术特点;探讨了中小型遥控飞艇平台在遥感遥测中应用的优势,研究了平流层飞艇的发展现状与关键技术;并结合国际相关领域的研究进展,对未来浮空器遥感应用的前景进行了展望。     

甘肃省席芨水地区遥感蚀变信息提取及找矿远景分析

在地质工作程度较低、基岩出露较好的地区,充分重视遥感数据的使用,可有效地缩小工作靶区,提高找矿效率。该文以甘肃省席芨水地区为研究区,基于ETM+遥感数据,利用多元数据分析、准归一化、掩膜分析、主成分分析、密度分割等方法,从Landsat7ETM+数据中提取金矿化蚀变信息。在遥感地质解译的基础上,充分分析提取的羟基异常和铁染异常,结合区域地质特征、区域成控矿条件及区域物化探异常特征等,尽可能去掉假、弱异常。结果表明:该方法能有效消除植被、水系、阴影等干扰信息的影响,从遥感数据载体中提取微弱的金矿化蚀变信息。提取的矿化蚀变信息与断裂构造具有较好的相关性,主要分布于断裂构造交会处、断裂与岩体交会处等成矿优势部位,对今后的找矿工作具有一定的指导意义。