作物胁迫无人机遥感监测研究评述

作物胁迫是全球农业发展的一个重要制约因素,实现快速、大范围、实时的作物胁迫监测对于农业生产具有重要意义。传统的作物胁迫监测方式,如田间调查、理化检测和卫星遥感监测总是受到各种田间条件或大气条件的制约。随着无人机和各种轻量化传感器的快速发展,其凭借高频、迅捷等优势为各种作物胁迫监测提供了一套全新的解决方案。本文在介绍了目前主流的多种无人机和传感器的基础上,首先对目前无人机遥感用于作物监测的主要胁迫类型进行了梳理,然后重点阐述了基于光谱成像和热红外传感器进行作物胁迫无人机遥感监测的应用和技术方法,最后提出了作物胁迫无人机遥感监测尚需解决的关键问题,并展望了未来无人机遥感用于作物胁迫监测的前景。     

中国面向遥感应用的垂直起降无人机现状和 应用前景分析

近年来,针对中国生态环境、洪涝灾害应急响应、国土安全监测等遥感观测任务,无人航空遥感手段需求越来越多。构建异构无人航空器遥感观测多任务集群系统是近几年的发展目标,为完成无人航空遥感生态建设,垂直起降无人机以其不受场地限制起降又可快速巡飞的特点,在多个领域发挥着越来越大的作用。本文主要研究内容包括国内垂直起降无人机发展现状调研、面向航空遥感应用市场的无人机分析及典型机型介绍、垂直起降无人机在遥感领域的应用场景及案例分析、垂直起降无人机在遥感领域的应用前景及发展趋势等。通过广泛调研及深入分析可知,目前垂直起降固定翼无人机正逐步取代多旋翼飞行器的主导地位;垂直起降无人机占据了遥感应用无人机80.47%的市场份额;动力多元化、系统智能化、布局多样化、尺寸小型化等是面向遥感应用的垂直起降无人机的发展方向。本文较为全面地阐述和剖析了面向遥感应用的垂直起降无人机的相关内容,为遥感航空无人机生态建设提供了参考与支撑。     

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。     

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。     

面向中国洪涝灾害应急监测的无人机空港布局

当前洪涝灾害对社会的经济发展和人民生命财产安全构成严重威胁。无人机机动、灵活,安全性高,可迅捷甚至实时获取灾区影像,对灾情的快速评估和应急救援决策意义重大。遥感无人机在洪涝灾害救援中能够发挥的重要作用已得到广泛共识,但是由于灾害的突发性,缺乏就近部署的资源制约了无人机遥感观测和救援作用的发挥。针对突发灾害,在区域和全国范围内建立起一定的无人机遥感应急体系成为国家面向未来正在考虑的选项。基于此,本研究提出了基于中国科学院的野外台站构建全国无人机遥感观测网的设想。本研究以中国防范洪涝灾害等级分布数据、行政区划数据、中国科学院野外台站分布数据和当前无人机性能数据库为数据源;以行政区划离散并提取的中心点作为需求点,台站作为设施点,不同洪涝等级区域内需要无人机进行应急观测的重要程度作为权重,利用最大覆盖选址模型进行空港选址布局;利用成本-效益曲线确定台站的最佳数量,最终从268个台站中选取出81个作为支撑全国洪涝灾害无人机遥感观测网络的无人机空港。无人机空港布局结果在理论上能够实现对中国绝大数突发洪涝灾害在2 h内初步完成洪涝观测,这对于构建中国空天地一体化的洪涝灾害监测体系具有重要意义。同时,本研究中的方法和成果对于进一步构建行业和综合性的全国无人机遥感观测网也具有一定借鉴和参照意义。     

无人机遥感众创时代

当代科技发展降低了无人机和遥感器的准入门槛。大众参与为无人机遥感领域注入了巨大的创造力,触发了无人机遥感创新发展的爆发式增长。当前,无人机已成为普适化和平民化的科学手段,无人机遥感数据在众多领域和部门呈现出取代通航遥感和卫星遥感数据的趋势。本文首先对无人机遥感所处的时代特征及其展现的科技特色进行了分析与归纳,然后列举了无人机遥感在抗震救灾、岛礁测绘、极地科考、精准农田管理等领域开展的典型应用,最后从无人机发展所致遥感数据供应结构性调整、无人机遥感地理学研究推动、遥感无人机试验场地布局等方面进行了展望。特别地,针对无人机遥感应用量大面广、数据分布多源异构等特点,本文提出了无人机遥感数据航母的概念。     

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。     

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。     

轻小型无人机遥感组网飞行的高程安全监测冗余 容错算法研究

针对轻小型无人机遥感组网飞行的高程安全要求,本文设计了基于INS/GPS/气压计的多源信息冗余容错测量方案。通过分析轻小型无人机遥感组网应用时复杂多变的工作环境对可靠性与容错能力的要求,采用了联邦滤波算法进行多传感器冗余信息融合。本文分析了联邦滤波结构及算法,通过计算得出了系统容错性好以及滤波精度高的信息分配系数取值原则,并在此基础上提出一种基于故障特征信息熵的Pignistic概率转换容错信息分配方法。该算法可得到清晰准确的故障概率分布,根据此概率分布运用信息熵来确定系统故障概率,进而结合信息分配系数的取值原则得出组合测量系统各个子系统的权重比。通过算例仿真验证了不同信息分配系数主要影响子系统的估计误差和容错性能,而对联邦主滤波器的融合估计误差影响较小,说明了本文的容错信息分配方法能够为各子系统分量提供可靠的分配系数。在旋翼无人机平台上的定高悬停实验证明了该方法能将无人机高程误差减小为传统联邦滤波算法的四分之一,进一步说明了该方法能提高无人机高程安全监测系统的精度及容错性。     

基于无人机遥感的滨海盐碱地土壤空间异质性分析与作物光谱指数响应胁迫诊断

在已集中连片改造为农田的盐碱地上,开展无人机遥感作物土壤空间异质性分析与光谱指数响应胁迫诊断对于提升盐碱地利用效率、创造更多经济效益与生态价值具有重要意义。本研究以山东省东营市黄河三角洲典型滨海盐碱地集中连片旱作农田的主要作物——高粱和玉米为研究对象,利用固定翼无人机获取400 hm²滨海盐碱地多光谱遥感数据,并结合地面195个采样点的3个土层（0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm）的土壤属性数据,对该研究区域内作物生长的土壤环境因子进行空间异质性分析与光谱指数响应胁迫诊断。基于土壤属性数据,利用反距离加权插值法,绘制该研究区域内土壤盐分、pH、有机质、全氮和速效氮共5个指标含量的水平与垂直空间分布图。插值结果显示,5种土壤属性指标存在显著水平和垂直空间异质性。基于随机森林模型,采用递归特征消除法,结合土壤指标对光谱指数的重要性值,探讨影响作物生长的主要土壤环境胁迫因子。结果表明,5种土壤属性因子均会对玉米和高粱生长造成影响,但主要胁迫因子分别为土壤速效氮含量（10~20 cm）和3个土层的盐分含量。本研究为大面积农情胁迫监测提供了一项有效的地面与航空协同监测方案,为盐碱地旱作农田管理与决策提供了理论依据和技术支持。     

塔基遥感视频监控有效性评估方法

以铁塔作为基础平台,利用其上搭载的相机或其他传感器进行近地面观测被称为塔基遥感。塔基遥感具有不易受到云层遮挡等自然因素影响、可以全天候实时获取视频信息的特点,可有效填补航空航天遥感与地面观测网络之间的尺度空缺,已在各个领域得到广泛应用。然而在面对大面积观测区域和复杂的任务目标时,塔基遥感的实际应用则受到复杂的地形及成像时空间分辨率的约束。如何评估其成像有效性成为未来塔基遥感平台优化建设的关键。为解决上述问题,本研究剖析了塔基遥感相机的成像特点和主要遮挡因素,构建起其实际覆盖范围分析方法。依托主要应用的空间分辨率需求建立分辨率分级体系,并结合实际覆盖范围和相机参数明确各项应用的可应用区域,据此评估塔基遥感视频数据有效性。以南京市江宁区“慧眼守土”塔基遥感视频监控系统为例进行实验分析,结果表明,现有塔基遥感相机受到了周边地形及塔基自身的严重遮挡,5 km内平均覆盖率仅3.20%,塔基自身造成了47.66%视角被遮挡。具有极高、高等级分辨率需求的应用实际覆盖情况较为理想,但中、低等级分辨率应用的实际覆盖情况需要进一步优化。增加相机高度、提升相机变焦能力以及增设环形轨道可以有效对塔基遥感相机的应用有效性进行优化。本研究的分析方法和结果可以为未来数据采集和各项实际应用提供支撑,成为系统评估及选址优化的参考依据。     

遥感建筑用地信息的快速提取

建筑用地的急剧增加和耕地资源的迅速减少,使得土地利用动态变化监测显得尤为重要。遥感作为监测土地利用动态变化的一种有效手段,已经得到日益广泛的应用。但是建筑用地由于其光谱的异质性,而难以用简单的方法将它们从遥感影像中准确提取出来,遥感建筑用地指数(Index-based Built-up Index,IBI)是针对这一问题提出的。它的构建采用的是三个专题指数波段(SAVI植被指数、MNDWI水体指数、NDBI建筑指数),而不是影像的原始波段。由于这三个指数互为负相关,因此,可以有效地增强和提取遥感影像中的建筑用地信息。通过将IBI指数提取建筑用地的影像处理过程编成可自动执行的模块,并集成于大型的遥感商业软件中,使得影像数据处理和建筑用地信息提取时间大大缩短,提高了建筑用地信息增强和提取的效率。     

关键生育期冬小麦和油菜遥感分类方法

农作物空间分布的遥感识别是地理学、生态学和农学等多学科研究的前沿和热点,多源遥感数据在其中发挥着重要的作用。本研究结合冬小麦和油菜的种植及生长特点,以安徽省合肥市为研究区域,利用ZY-3、Sentinel-2和GF-1等多源遥感影像数据,以高程、坡度等数据为辅助信息,结合以多尺度分割、最邻近法和阈值法等为主要步骤的面向对象的分类方法,提取研究区合肥市冬小麦和油菜种植的空间分布信息。结合来自于GVG农情采样系统和Google Earth高分辨率影像上获得的地面验证数据进行分类精度验证,计算得到分类结果的混淆矩阵,并根据混淆矩阵数据计算出分类的总体精度为94.43%,Kappa系数为0.914。结果表明,本研究提出的方法能够有效地区分在冬小麦和油菜的混种区域里两种作物种植区域的空间分布,且这种多种策略相结合的分类方法体系,能够适用于其它区域甚至是更加大尺度上的作物分类。     

高光谱影像的M-ICA地物识别算法与应用

高光谱遥感能以纳米量级宽度的窄波段及多达数百个的波段,对目标进行连续的光谱成像,但其海量数据及相邻波段高度相关造成的数据冗余却制约着它的应用.因此,对高光谱遥感影像分类须进行有效的处理、寻找最优特征,以增强地物的最大可分性.本文首先针对EO-4 Hyperion高光谱影像波段维数高,相关性强和数据量大等特点,利用独立成...     

面向对象和DEM的ZY-1 02C影像湿地提取研究

本文运用面向对象分类与DEM数据相结合的方法,对资源卫星一号02C卫星遥感影像进行湿地提取。探索了基于对象与DEM信息的提取技术,在02C影像湿地的提取应用,对研究我国国产卫星在湿地监测和保护方面有重要的意义。研究结果表明：（1）面向对象的遥感影像信息提取方法,可同时兼顾影像光谱信息及空间信息,适用于02C影像的湿地提取,精度得到明显提高;（2）基于对象与DEM信息的提取方法,使沼泽地与草地相混淆的现象明显减轻,湿地分类精度进一步提高,该方法适用于高分辨率遥感影像的湿地提取研究;（3）基于对象与DEM信息提取的水田、水体、沼泽地及河滩的精度,分别为88.46%、97.44%、86.96%和83.33%,满足资源卫星一号02C遥感影像对湿地进行监测和保护的需要。     

基于滑模和ESO的四旋翼飞行器遥感机动观测姿态控制

随着无人机(UAV)在民用各个行业应用领域的推广,对精准遥感的需求越来越强烈。旋翼飞行器作为无人机的一种,近年来发展迅速,已成为小范围精准遥感测绘的首选,然而其本身飞行的稳定性与遥感成像效果有着直接联系,因此姿态控制器也成为无人机稳定性能研究的基础问题。针对四旋翼飞行器运动的欠驱动、强耦合和非线性特性,本文提出一种基于滑模和扩张状态观测器（ESO）的姿态控制器,设计了可一系列实验方法来获取模型参数（转动惯量、升力系数、扭矩系数和电机时间常数）,并建立四旋翼各个模块的数学模型。在此模型基础上,采用滑模控制器实现四旋翼飞行器姿态解耦鲁棒控制,通过sat函数替换符号函数改进滑模控制器结构,减缓颤振现象。同时,结合ESO实现对四旋翼姿态回路的系统干扰总和进行实时估计,其中干扰总和包括建模状态间耦合项、未建模动态以及外部干扰,从而对滑模控制器的输出进行实时干扰补偿,实现高品质的四旋翼姿态控制。本文设计2组实验：实际操纵指令跟踪实验;外界实际挂载重物干扰实验。通过实验对这2种四旋翼无人机姿态控制器（基于滑模和ESO的控制器、单独滑模控制器）进行仿真和实际试飞对比。实验结果表明,同等情况下,基于滑模和ESO的控制器能够实现姿态稳定且跟踪误差减少约20%,同时该控制方法增强了四旋翼的抗干扰能力,悬停时姿态角度波动幅度减少约50%,具有实际应用的价值。     

Assessment of total suspended sediment concentrations in Poyang Lake using HJ-1A/1B CCD imagery

We explored the potential of the environment and disaster monitoring and forecasting small satellite constellations (HJ-1A/1B satellites) charge-coupled device (CCD) imagery (spatial resolution of 30 m, revisit time of 2 days) in the monitoring of total suspended sediment (TSS) concentrations in dynamic water bodies using Poyang Lake, the largest freshwater lake in China, as an example. Field surveys conducted during October 17-26, 2009 showed a wide range of TSS concentration (3-524 mg/L). Atmospheric correction was implemented using the Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes (FLAASH) module in ENVI with the aid of aerosol information retrieved from concurrent Terra/Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) surveys, which worked well at the CCD bands with relatively high reflectance. A practical exponential retrieval algorithm was created between satellite remote sensing reflectance and in-situ measured TSS concentration. The retrieved results for the whole water area matched the in-situ data well at most stations. The retrieval errors may be related to the problem of scale matching and mixed pixel. In three selected subregions of Poyang Lake, the distribution trend of retrieved TSS was consistent with that of the field investigation. It was shown that HJ-1A/1B CCD imagery can be used to estimate TSS concentrations in Poyang Lake over synoptic scales after applying an appropriate atmospheric correction method and retrieval algorithm.     

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。     

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。     

无人机在沉积学中的应用现状及展望

无人机是获取地表数字图像和进行样品采集的重要手段,近年来在沉积学领域正逐渐成为一种新兴的研究手段,改变着沉积学的研究范式。然而,目前国内基于无人机的沉积学研究尚处在起步阶段,本研究拟回顾近年来无人机在沉积学领域研究中的重要应用,对所涉及的关键技术背景和存在的问题进行了讨论,总结并展望了未来的发展前景,以期对后续相关研究提供参考。主要从沉积露头的三维数字重建、高分辨率沉积结构和构造特征的提取以及无人机协助样品采集3个方面综述了无人机在沉积学应用中的软硬件要求及典型研究案例。利用无人机摄影测量技术构建数字露头模型,有利于从多个空间尺度和视角观察沉积露头的几何形态、沉积相与岩相组合情况,结合数字露头模型信息提取软件,可对粒度、交错层理和生物遗迹等沉积结构和构造特征进行大范围的远程而高效的提取,未来还可进一步应用于沉积学野外实践教学工作中。此外,对无人机本身进行改造,还能够协助进行冰心等沉积物样品的采集。应用无人机技术进行沉积学研究,具有低成本和高效率的优势,保证了数据的时效性和连续性,也提高了野外工作的安全性。但是,无人机技术在数据可重复性、点云处理以及图像与模型质量方面也存在着不足。未来可借助人工智能方法,以及通过制定无人机图像采集与处理流程的标准规范来进一步改善。