维普资讯 http://www.cqvip.com ２００３．１ 专■■一 适感信息 无人机低空遥感监测系统 孙杰，林宗坚，崔红霞 （中国测绘科学研究院，北京１０００３９） 摘要：介绍了中国测绘科学研究院研制开发的ＵＡＶＲＳ－－Ｉ型无人机低空遥感监测系统的组成、性能指标、技术特点，并 对无人机系统在遥感领域的应用前景进行展望。 关■调：无人机｝遥感｝遥测｝遥控 中途分类号：ＴＰ７，Ｖ２７ 文章标识码：Ａ 文章编号：１０００－－３１７７（２００３）６９－－０４９－－０３ １前言 目前Ｉ型无人机遥感监测系统选用高分辨率面阵ＣＣＤ 数码相机作为主要遥感设备。数码相机获取的遥感影像可以 由于无人机具有机动快速、使用成本低、维护操作简单 直接输入到计算机中进行处理，不需要经过冲洗、印相等程 等技术特点，因此被作为一种理想的飞行平台广泛应用于军 序，无人机回收后可以在现场直接查看影像质量和飞行质 事和民用各个领域。尤其是进入二十一世纪以后，许多国家 量，可以大大提高工作效率，符合无人机低空遥感监测系统 将无人机系统的研究、开发、应用置于优先发展的地位，体积 实时、快速的技术特点。同时，ＣＣＤ数码相机体积小、重量 小、重量轻、探测精度高的新型传感器的不断问世，也使无人 轻，在感光度、色彩深度、载片量（存储量）方面具有技术优 机系统的用途迅速拓展。 势，数码成像技术将成为摄影测量与未来遥感的主要技术手 为给国土资源调查和管理提供新的技术手段，在国土资 段。 源部的支持下，中国测绘科学研究院完成了ｕＡｖＲｓ—Ｉ型 机载稳定平台的主要功能是用于遥感设备的稳定和偏 无人机低空遥感监测系统的研制、开发。该系统将遥感技术 流角的修正，以确保获得高质量的遥感影像。稳定平台设计 和无人机技术紧密结合，广泛运用新技术、新材料、新工艺， 了三轴和单轴两种：三轴稳定平台可以使传感器保持水平稳 实现了数字化、模块化和智能化，自动化程度高。控制精度和 定并修正偏流角，由平台、电机、陀螺仪、水平传感器、舵机、 成像效率能够满足遥感监测的要求，具有对地快速实时调查 控制电路等组成｝单轴稳定平台只修正偏流角，由平台、电机 监测能力，是一种新型的低空高分辨率遥感影像数据快速获 和控制电路组成。两种稳定平台可以根据不同精度的遥感监 取系统。本刊的封面就是ＵＡＶＲＳ－－Ｉ型无人机获取的山东 测任务选用。任务设备控制计算机能根据无人机的位置、地 省威海市的城区图。 速、高度、航向、姿态角以及设定的航摄比例尺和重叠度等数 本文将以ＵＡＶＲＳ—Ｉ型无人机低空遥感监测系统为重 据，自动计算并控制相机的曝光间隔和稳定平台的偏流角修 点，介绍系统的组成、性能指标及其应用前景。 正，具有程控和遥控两种控制方式。 ２．２无人驾驶飞行平台 ２系统的组成 气动布局合理、性能稳定的无人驾驶飞行平台是系统的 无人机低空遥感监测系统由遥感设备及其控制系统、无 基本保障。无人机主要采用玻璃钢和碳纤维复合材料加工而 人驾驶飞行平台、飞行控制系统、无线电遥测遥控系统、遥感 成，重量轻、强度大。机身为车厢形式，有较大的容积范围，便 数据处理系统等几部份组成。 于设备的安装及使用维护，无人机的任务载荷和任务设备仓 ２．１遥感设备及其控制系统 的尺寸根据遥感设备及其控制系统的重量和尺寸设定。 机载遥感设备及其控制系统用于获取遥感影像，是无人 无人机的后端安装有性能稳定的航空发动机和推力螺 机低空遥感监测系统的重要组成部份，主要由机载遥感设 旋桨为动力装置。无人机的起降可以采用正常的滑行方式， 同时还开发了性能先进的车载起飞、伞降回收机构，以适应 备、稳定平台及任务设备控制计算机系统等组成，如图１所 示。 不同地区和不同遥感任务的使用。 ２．３行控制系统 Ｈ 嚣簧机 遥感设备 飞行控制系统用于无人机的飞行控制与任务设备管理， 稳定平台 包括传感器、执行机构和飞行控制计算机三个部份（如图２ 图１遥感设备及其控制系统框图—————一 所示）。由姿态陀螺、气压高度表、磁航向传感器、ＧＰＳ导航 根据不同遥感任务的需要，系统能够搭载的遥感设备包 定位装置、飞控计算机、执行机构、电源管理系统等组成，可 括面阵ＣＣＤ数码相机、光学胶片相机、成像光谱仪、磁测仪、 实现对飞机姿态、高度、速度、航向、航线的精确控制，具有遥 ＣＣＤ摄录机等。 控、程控和自主飞行三种飞行模态。 ４９ 维普资讯 http://www.cqvip.com 适成信息 专■曩● ２００３．１ 为了提高飞控系统的可靠性，系统采用网络和位总线结 构。各传感器、舵机、通讯系统、飞控计算机之间的通讯以数 字化方式实现。由于用数字通道代替模拟连接，提高了信号 传输的精度，增加了抗干扰能力。该结构具有可扩展性和灵 活配置的能力。系统可根据任务的需求增减一些典型的部 件，这种结构还具有容易实现冗余技术和故障隔离等优点。 统，以实现无人机遥感监测数据的快速处理，满足各种遥感 监测任务的需要。 ３系统的主要技术指标和参数 ３．１无人机系统 机长：２．８ｍｆ翼展：３．６ｍｆ起飞速度：７０ｋｍ／ｈｆ最大起飞 重量：５Ｏｋｇｆ任务仓尺寸：宽３００ｍｍ Ｘ长５００ｍｍ Ｘ高 ３００ｍｍ； 智能电源管理系统ｌ—＿＿＇ ＧＰｓ接收机 ｌ 飞 行 …ｒｌ … ０ 升 ｌ『吁月 Ｌ 田 Ｒｇ２￣ｔ 任务载荷：大于８ｋｇｆ飞行速度：７Ｏ～１６０ｋｍ／ｈｆ续航时 间：３～４ｈｆ控制半径：５０ｋｍｆ飞行高度：１００ｍ￣４ ０００ｍｆ 导航精度：≤８０ｍｆ控制方式：程控、遥控、自主三种方 ｌ垂直陀螺ｌ— ＇ｌ 油ｆｌｇ２￣ｔ 控 式ｆ环境温度：一１０℃～＋４Ｏ℃ｆ 气压高度表卜＿—＿’ 制 －ｌ 伞控制机构 １ ． 而榆涮 相对湿度：９５±３ ｆ风力风向：风力小于或等于４级，风 计 向不限。 肌ｌ口．Ｔｆｆ｛ ｌ 算 任务设备控 ３．２面阵ＣＣＤ数码相机 ｌ 遥控接收机 卜＿◆ 机 制计算机 像元素：大于３ ００８Ｘ２ ０００像元ｆ存储量：大于１Ｇｆ感光 度：５Ｏ～８００ｆ镜头焦距：２０￣３００ｍｍ，可选。 引擎转速传感器 任务传感器 稳定平台 ３．３稳定平台 水平稳定精度：２度ｆ调整范围：±２Ｏ度ｆ偏流修正精度： 图２飞行控制系统框图 ２度；偏流修正范围：±３Ｏ度。 ２．４无线电遥测遥控系统 无线电遥测系统是传送无人机和遥感设备的状态参数， ４系统的技术优势 可实现飞机姿态、高度、速度、航向、方位、距离及机上电源的 （１）机动快速的响应能力 测量和实时显示，具有数据和图形两种显示功能。供地面人 无人机系统运输便利、升空准备时间短、操作简单，可快 员掌握无人机和遥感设备的有关信息，并存贮所有传送信 速到达监测区域，机载高精度遥感设备可以在短时间内快速 息，以便随时调用复查。无线电遥控系统是用于传输地面操 获取遥感监测结果。 纵人员的指令，引导无人机按地面人员的旨意飞行。 （２）性能优异 为了使无线电遥测系统和遥控系统（简称无线电遥测遥 无人机可按预定飞行航线自主飞行、拍摄，航线控制精 控系统）设备轻便易携、架设方便，地面站的设备平台设计成 度高，飞行姿态平稳。飞行高度从５０ｍ至４ ０００ｍ，高度控制精 一体化，主要由指令编码器、调制器、发射机、接收机、天线、 度１０ｍｆ速度范围从７０ｋｍ／ｈ至１６０ｋｍ／ｈ，均可平稳飞行，适 微型计算机、显示器、电源等组成。无线电遥测遥控地面站的 应不同的遥感任务。 组成见图３。 （３）操作简单可靠 飞行操作自动化、智能化程度高，操作简单，并有故障自 动诊断及显示功能，便于掌握和培训ｆ一旦遥控失灵或其他 故障，飞机自动返航到起飞点上空，盘旋等待。若故障解除， 则按地面人员控制继续飞行，否则自动开伞回收。 （４）高分辨率遥感影像数据获取能力 无人机搭载的高精度数码成像设备，具备面积覆盖、垂 直或倾斜成像的技术能力，获取图像的空间分辨率达到分米 级，适于１ ｔ １万或更大比例尺遥感应用的需求。 （５）使用成本低 无人机系统的运营成本较低，飞行操作员的培训时间 短，系统的存放、维护简便，还可免去了调机和停机的费用。 图４遥测遥控地面站组成框图 ２．５遥感数据处理系统 ５无人机低空遥感监测系统的应用前景 为保证无人机遥感监测系统具有对地实时调查监测能 无人机低空遥感监测系统是一种高机动性、低成本的小 力，在目前现有的遥感数据处理软件的基础上，还根据无人 型化、专用化遥感监测系统。它以无人驾驶飞行器为飞行平 机机载遥感设备的技术特点研制、开发了专用的数据处理系 （下转第２７页） ５Ｏ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００３．１ 匝用技克 适感信息 土资源部组织开展了首次利用高分辨遥感资料，对全国６６ 用监测成果在复核变更调查数据准确度的同时，还可以有针 个５Ｏ万人口以上城市在１９９８年１Ｏ月￣１９９９年１Ｏ月期同各 对性的指导和辅助变更调查工作，节省了外业查找变化地块 类建设占用耕地情况进行了监测。此项工作已进行了四年， 的时同，提高了工作效率和保证了调查结果的可靠性；③卫 引起了各级土地管理部门的高度重视。使用遥感数据的分辨 星遥感监测技术为配合土地执法检查，强化国土资源执法监 率越来越高，分辨率ｌＯｍ的ｓＰ０Ｔ５卫星多光谱数据和２．５ｍ 察、贯彻“预防为主、防范和查处相结合”的国土资源执法监 全色数据已成为２００２年土地利用动态监测的主要数据源。 察新思路提供了强有力的科技支撑，为国土资源规划、管理、 现将１９９９年土地利用动态遥感监测做一简要介绍。 保护和合理利用提供了科学的基础依据。如对比插页３图４ （１）数据源选择 的两个时相卫星影像，就可以及时发现南方某个城市对房地 １９９８年（８～１１月）美国ＬａｎｄｓａｔＴＭ、ＥＴＭ＋３０ｍ多光 产项目改为高尔夫球场的违法用地案例；④随着遥感数据几 谱数据，法国ｓＰ０Ｔ全色数据｝１９９９年（８～１１月）美国Ｌａｎｄ— 何分辨率的提高，利用遥感技术更新土地利用现状图方法切 ｓａｔＴＭ、ＥＴＭ＋３０ｍ多光谱数据，法国ＳＰＯＴ全色数据；重点 实可行，精度可靠，经济实用。 地区使用了１；３．５万比例尺的航空像片。 （２）技术方法 ４结语 充分利用现有成熟的技术方法，选取两个时相的 （１）由于国土资源管理部门的重视，长期以来遥感技术 ＳＰＯＴ、ＴＭ为主要数据源，对其进行纠正、配准和数据融合， 的应用为土地资源管理的决策提供了重要的科学依据，发挥 以提高地物的光谱识别能力和空间分辨率。土地利用动态遥 了重要作用，其成果引起了党和国家领导人的高度重视，大 感监测技术流程见插页３彩图。利用计算机自动提取技术和 大提高了土地资源管理工作的地位。 人机交互的方式发现变化特征信息，经专业技术人员的外业 （２）进一步推进遥感技术在土地资源管理中应用的深度 核查，并辅以土地详查和变更调查等资料，对变化图斑进行 和广度。利用现有高分辨率卫星数据，对全国１：１万土地利 人机交互式后处理，以获得变化图斑的类型、位置、范围和面 用现状图，特别是西部地区１ ｔ ５万、１：１０万土地利用现状 积等信息。从而得到当年耕地和非耕地变更和占用信息。插 图进行更新，重新进行一次全国土地资源的调查。 页３的图３上就可以看到一条新修的公路占用了耕地。 （３）加强高精度、大比例尺土地利用动态监测和“３Ｓ”一 （３）成果应用 体化技术的研究，在时空一体化的基础上，把握土地利用变 ①通过土地利用动态遥感监测项目的开展，准确地监测 化趋势。 了主要城市及经济发达地区各类建设占用耕地的数据；②利 参考文献 １李伯衡．利用遥感技术清查全国土地资源［刀．遥感信息，１９８６（１）． Ｔｈｅ Ａａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｍｏｎｔ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｌａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｏｆ ＣＨＩＮＡ ＬＩ—Ｘｉａｎｇｙｉ①．ＺＨＡＯ—Ｊｉｃｈｅｎｇ＠ （①Ｆｕｊｉａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｌａｎｄ；Ｆｕｚｈｏｕ ３５０００３；￣Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｐｐｉｎｇ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ Ａｒｔｉｃｌｅ Ｒｅｔｒｏｓｐｅｃｔｓ ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｍｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｏｆｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｌａｎｄ Ｍａｎａｇｅ— ｍｅｎｔ，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｔｈａｔ ＲＳ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｌａｙｅｔ ｉｎ Ｌａｎｄ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｌａｎｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ｌａｎｄ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ；ｌａｎｄ－ｕｓｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ；ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｎｉｔｏｒ— ｉｎｇ． （上接第５Ｏ页） 台、以高分辨率遥感设备为机载传感器、以获取低空高分辨 等部门，尤其对车船无法到达地带的环境监测、有毒地区的 率遥感数据为应用目标，具有对地快速实时调查监测能力。 污染监测、灾情监测及救援指挥，无人机低空遥感监测系统 随着系统功能的不断完善，可广泛应用于土地利用动态 更具有其独特的优势。本系统的推广应用，可以增强我国对 监测、矿产资源勘探、地质环境与灾情监测、地形图更新与 地观测的综合技术能力，并将在国土资源信息获取与管理等 地籍测量、海洋资源与环境监测以及农业、林业、水利、交通 领域的技术服务中产生重大的社会和经济效益。 参考文献 １李紫薇，曹红杰，刘煜彤，等．无人机海监测绘遥感系统的应用前景［Ｊ３．遥感信息１９９８（４）． ２孙杰，等．ＵＡＶＲｓ—Ｉ型低空无人机遥感监测系统的研制［Ｒ］．技术报告． ２７
