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一種大尺度植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種大尺度植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)，它由無人機平臺、GPS接收機、自動導航儀、航攝固定裝置、數(shù)碼航攝儀、無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)、導航控制器、筆記本電腦硬件和航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)、植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)兩個軟件組成，數(shù)碼航攝儀安裝于無人機平臺的航攝固定裝置上，航攝固定裝置、GPS接收機、自動導航儀和無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)安裝于無人機平臺上，兩個軟件安裝于筆記本電腦，無人機通過自動導航儀實現(xiàn)飛行，通過導航控制器引導、調(diào)整無人機飛行和降落，通過無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)和植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件觀測數(shù)碼航攝儀拍攝的影像并抓拍照片，整體直接計算植被覆蓋度信息。
【專利說明】一種大尺度植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是水利及水土保持監(jiān)測業(yè)務中使用的一種大尺度植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)(LSVC-ADAD)，它被用于野外對大范圍、特別是工作人員難以到達區(qū)域地表覆蓋進行動態(tài)觀測、拍照，結(jié)合植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)(VC-DAS)實時、動態(tài)、批量整體直接測算大尺度植被覆蓋度信息，屬于水利行業(yè)技術應用領域。
【背景技術】
[0002]植被覆蓋度指包括喬、灌、草和農(nóng)作物在內(nèi)的所有植被的冠層、枝葉在生長區(qū)域地面的垂直投影面積占研究統(tǒng)計區(qū)域面積的比例。作為表征植被覆蓋狀況的重要指標，植被覆蓋度是水利和水保行業(yè)比較關注和亟需獲取的基礎數(shù)據(jù)，在降雨-徑流、土壤侵蝕、非點源污染、蒸散發(fā)等模型模擬和干旱監(jiān)測等業(yè)務中具有廣泛應用。提取植被覆蓋度信息涉及到的關鍵問題，一是要求獲取植被垂直投影，二是植被在不同研究區(qū)面積范圍內(nèi)的覆蓋度值不同，即具有尺度效應，對相關模型尺度效應具有一定影響。考慮到模型應用對較大尺度植被覆蓋度信息要求和野外作業(yè)時工作人員的可達性，研制獲取較大面積范圍地面植被影像照片的硬件裝置平臺和覆蓋度信息提取軟件系統(tǒng)，成為獲取大尺度植被覆蓋度信息的迫切需求。
[0003]目前獲取較大研究區(qū)面積植被覆蓋度信息可通過樣本統(tǒng)計測算和整體直接測量兩種途徑。樣本統(tǒng)計測算，是按照統(tǒng)計學要求，在研究區(qū)內(nèi)抽取一定數(shù)量的樣方區(qū)域，通過測算樣方區(qū)域植被覆蓋度來估算整個研究區(qū)域的植被覆蓋度，地面調(diào)查工作量較大。整體直接測算，是通過將研究區(qū)植被生長環(huán)境要素、時空要素與植被覆蓋度地面測量數(shù)據(jù)進行耦合，在一定尺度內(nèi)建立植被覆蓋度的統(tǒng)計模型，或利用遙感影像波譜提取植被信息，再與植被覆蓋度建立相關關系，或用對影像像元進行分解的方法計算植被覆蓋度。其中，經(jīng)驗模型主要適用于植被生長情況較為一致的研究區(qū)域，如較大面積的農(nóng)作物植被蓋度監(jiān)測，要求在獲取地面植被覆蓋度數(shù)據(jù)的基礎上，獲得大量植被生長環(huán)境要素和時空要素，所建立模型可移植性差；遙感技術則為地表植被生長情況不一致的大范圍蓋度測量提供了可能，利用光譜信息與地面植被覆蓋度建立模型關系，獲取大面積地面植被覆蓋度，該方法可大致分為統(tǒng)計模型法和物理模型法，前者具有簡單易于計算的有點，但需要大量實測數(shù)據(jù)，時空移植性差，后者利用植被光譜信息特征，選取與植被蓋度有較好相關性的植被指數(shù)估算植被蓋度，普適性好，但消除背景信息影響能力差，精度相對較低；像元分解模型法，對遙感數(shù)據(jù)空間分辨率要求較高，限制了方法推廣。由此可見，以上三種方法各有利弊，都可以用于較大面積宏觀植被覆蓋度信息提取，工作效率較高，但都需要大量實測數(shù)據(jù)，算法移植性和精度的矛盾較為突出，且遙感數(shù)據(jù)的可獲得性和實效性無法保障。綜合以上分析，如何避免大量地面實測工作，獲取較大面積的實效性地面植被信息，通過可靠算法實時整體直接測算地面宏觀植被覆蓋度信息，成為水利和水保行業(yè)的迫切業(yè)務需求。
[0004]針對水利和水保行業(yè)的業(yè)務需求，水利部遙感中心基于無人機平臺和植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)工作基礎上，充分發(fā)揮無人機平臺在大面積宏觀植被信息獲取上的獨特優(yōu)勢及植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)(VC-DAS)在實時影像顯示、抓拍、數(shù)據(jù)處理和蓋度信息實時性計算上的特點，自主研發(fā)了大尺度植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)，為水利行業(yè)相關領域野外作業(yè)人員快速、批量獲取較大范圍宏觀植被覆蓋度信息提供技術支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種大尺度植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)，它適用于野外較大范圍地面植被信息航空采集和植被覆蓋度信息整體直接動態(tài)測算的一種裝置平臺和軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)野外作業(yè)時較大面積地面照片采集和植被覆蓋度信息實時動態(tài)測算，提高了野外工作效率，克服了工作人員對不可達區(qū)域的植被信息采集難題，拓展了大尺度植被覆蓋度整體直接測算途徑。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:一種大尺度植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)，它利用無人機平臺搭載數(shù)碼航攝儀，耦合鏈接植被覆蓋度信息專業(yè)處理軟件，實現(xiàn)大尺度植被覆蓋度信息整體直接測算。它由無人機平臺、GPS接收機、自動導航儀、航攝固定裝置、數(shù)碼航攝儀、無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)、導航控制器、筆記本電腦等硬件和航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)、植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)等軟件組成(圖1)。它們之間的位置連接關系是:數(shù)碼航攝儀安裝于無人機平臺的航攝固定裝置上，航攝固定裝置、GPS接收機、自動導航儀和無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)安裝于無人機平臺上，航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)、植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件安裝于筆記本電腦，航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)可設置無人機飛行路線并實時顯示無人機飛行狀態(tài)，無人機平臺通過自動導航儀實現(xiàn)飛行，通過導航控制器引導、調(diào)整無人機飛行和降落，通過無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)和植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件觀測數(shù)碼航攝儀拍攝的影像并抓拍照片，整體直接計算植被覆蓋度信息。
[0007]所述無人機平臺，機身材料為玻璃鋼，機身長1.0m,翼展1.58m,最大起飛重量5kg,最大任務載荷Ikg,起飛和降落速度60km/h,爬升率3.5m/s,最大平飛速度100km/h，飛行高度150-350m，續(xù)航時間40min，動力為電動發(fā)動機，測控及圖傳半徑20km，起降要求為橡皮筋彈射和傘降，自主飛行模式為GPS導航自動駕駛和遙控起飛降落。該無人機平臺重量輕，機動靈活，適于各種復雜的起降條件，為市場購買產(chǎn)品。
[0008]所述GPS接收機，安裝在無人機平臺上，實現(xiàn)無人機定位，并接收導航控制器發(fā)出的指令，修正飛行路線，為無人機平臺附屬組件。
[0009]所述自動導航儀，根據(jù)航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)事先設定的飛行路線，通過GPS接收機定位信號，實現(xiàn)無人機線路飛行，為無人機平臺附屬組件。
[0010]所述航攝固定裝置，用于數(shù)碼航攝儀的固定，為無人機平臺附屬組件。
[0011]所述數(shù)碼航攝儀，焦距35mm，CXD幅面為15500X 10400，像素大小0.1cm,數(shù)據(jù)類型為RGB天然彩色，感光度ISO為400，實現(xiàn)對地面的航空拍攝，為市場購買產(chǎn)品。
[0012]所述無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)碼航攝儀拍攝圖片的無線數(shù)字傳輸?shù)街脖桓采w度動態(tài)獲取系統(tǒng)的攝像頭影像展示和控制界面窗口，實現(xiàn)地面工作人員對數(shù)碼航攝儀拍攝影像的動態(tài)監(jiān)測，為無人機平臺附屬組件。
[0013]所述導航控制器，實現(xiàn)地面工作人員對無人機飛行姿態(tài)和線路的調(diào)整，并控制無人機降落過程，為無人機平臺配套組件。
[0014]所述筆記本電腦，要求內(nèi)存4G，硬盤320G，采用Win XP操作系統(tǒng)，用于航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)和植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)的安裝。
[0015]所述航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)，可根據(jù)需要自定義地圖，具備實時顯示無人機坐標、方向、速度等參數(shù)功能，為無人機平臺配套軟件。
[0016]所述植被覆蓋度動態(tài)獲取軟件，可實現(xiàn)對攝像頭拍攝畫面的實時顯示和抓拍照片，快速處理照片，計算輸出植被覆蓋度結(jié)果，并具備對照片的裁剪、放大、縮小、移動、濾波處理等功能，已申請軟件著作權(quán)(簡稱VC-DAS 1.0，登記號2012SR031945)。
[0017]本發(fā)明的工作原理和技術特點是應用無人機平臺的飛行高度和對工作人員難以到達區(qū)域的可達性優(yōu)勢，采用數(shù)碼航攝儀和無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)，將無人機平臺上搭載的數(shù)碼航攝儀拍攝的地面畫面實時傳輸?shù)降孛妫ㄟ^植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件顯示畫面并抓拍地面照片，實時快速整體直接測算較大面積地面宏觀植被覆蓋度信息。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點及功效是實現(xiàn)了植被覆蓋度信息的航空平臺獲取，拓展了較大尺度實時植被覆蓋度信息整體測算途徑，為較大范圍宏觀植被覆蓋度信息獲取提供了新方法；無人機平臺的利用，為水利行業(yè)野外調(diào)查特別是工作人員難以到達區(qū)域的較大面積植被覆蓋度信息獲取提供了新選擇。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明一種大尺度植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)示意圖
[0020]圖中符號說明如下
[0021]I無人機平臺，2自動導航儀，3GPS接收機，4航攝固定裝置，5數(shù)碼航攝儀，6無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)，7導航控制器，8筆記本電腦
【具體實施方式】
[0022]見圖1，本發(fā)明是一種植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)(VC-ADAD)，它由硬件和軟件兩大主體部分構(gòu)成。硬件主要包括:無人機平臺1、自動導航儀2、GPS接收機3、航攝固定裝置4、數(shù)碼航攝儀5、無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)6、導航控制器7和筆記本電腦8組成。它們之間的位置連接關系是:自動導航儀2、GPS接收機3、航攝固定裝置4、無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)6裝置在無人機平臺I上，數(shù)碼航攝儀5安裝在航攝固定裝置4上；導航控制器7放置在地面，由無人機操控人員操作；筆記本電腦8放置在地面，安裝航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)、植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件。軟件主要包括航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)、植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件，安裝于筆記本電腦上。
[0023]所述無人機平臺，機身材料為玻璃鋼，機身長1.0m，翼展1.58m，最大起飛重量5kg,最大任務載荷Ikg,起飛和降落速度60km/h,爬升率3.5m/s,最大平飛速度100km/h，飛行高度150-350m，續(xù)航時間40min，動力為電動發(fā)動機，測控及圖傳半徑20km，起降要求為橡皮筋彈射和傘降，自主飛行模式為GPS導航自動駕駛和遙控起飛降落。該無人機平臺重量輕，機動靈活，適于各種復雜的起降條件，為市場購買產(chǎn)品。
[0024]所述GPS接收機，安裝在無人機平臺上，實現(xiàn)無人機定位，并接收導航控制器發(fā)出的指令，修正飛行路線，為無人機平臺附屬組件。
[0025]所述自動導航儀，根據(jù)航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)事先設定的飛行路線，通過GPS接收機定位信號，實現(xiàn)無人機線路飛行，為無人機平臺附屬組件。[0026]所述航攝固定裝置，用于數(shù)碼航攝儀的固定，為無人機平臺附屬組件。
[0027]所述數(shù)碼航攝儀，焦距35mm，CCD幅面為15500 X 10400，像素大小0.1cm,數(shù)據(jù)類型為RGB天然彩色，感光度ISO為400，實現(xiàn)對地面的航空拍攝，為市場購買產(chǎn)品。
[0028]所述無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)碼攝像儀拍攝圖片的無線數(shù)字傳輸?shù)街脖桓采w度動態(tài)獲取系統(tǒng)的攝像頭影像展示和控制界面窗口，實現(xiàn)地面工作人員對數(shù)碼航攝儀拍攝影像的動態(tài)監(jiān)測，為無人機平臺附屬組件。
[0029]所述導航控制器，實現(xiàn)地面工作人員對無人機飛行姿態(tài)和線路的調(diào)整，并控制無人機降落過程，為無人機平臺配套組件。
[0030]所述筆記本電腦，要求內(nèi)存4G，硬盤320G，采用Win XP操作系統(tǒng)，用于航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)和植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)的安裝。
[0031]所述航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)，可根據(jù)需要自定義地圖，具備實時顯示無人機坐標、方向、速度等參數(shù)功能，為無人機平臺配套軟件。
[0032]所述植被覆蓋度動態(tài)獲取軟件，可實現(xiàn)對攝像頭拍攝畫面的實時顯示和抓拍照片，快速處理照片，計算輸出植被覆蓋度結(jié)果，并具備對照片的裁剪、放大、縮小、移動、濾波處理等功能，已申請軟件著作權(quán)(簡稱VC-DAS 1.0，登記號2012SR031945)。
[0033]植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)(VC-ADAD)航空硬件裝置與植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件(VC-DAS)實現(xiàn)了有效銜接，可通過植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件(VC-DAS)實現(xiàn)對數(shù)碼航攝儀拍攝影像的實時觀測，支持野外樣方照片拍攝和植被覆蓋度信息實時動態(tài)提取。首先將數(shù)碼航攝儀5安裝在航攝固定裝置4上，根據(jù)拍攝需求利用航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)設置無人機飛行路線，發(fā)射無人機平臺1，利用導航控制器7將無人機平臺I引航至預定空域；然后，打開筆記本電腦8，運行植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件(VC-DAS)，觀察搭載在無人機平臺I上的數(shù)碼航攝儀5所拍攝影像，根據(jù)拍攝效果可通過導航控制器7調(diào)節(jié)無人機平臺I航線和姿態(tài)，拍攝高質(zhì)量照片，軟件將同步導入所拍攝照片并顯示在成像窗口，點擊計算按鈕，計算所拍攝照片的植被覆蓋度信息，結(jié)果顯示在元數(shù)據(jù)窗口并以二值圖顯示在計算窗口，完成了樣方拍照和植被覆蓋度信息計算過程(更詳細的軟件操作流程見植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件VC-DAS1.0說明);最后，完成拍攝任務后，利用導航控制器7將無人機平臺I引航至降落區(qū)域，實現(xiàn)安全降落。
【權(quán)利要求】
1.一種大尺度植被覆蓋度航空動態(tài)獲取系統(tǒng)，其特征在于:它由無人機平臺、GPS接收機、自動導航儀、航攝固定裝置、數(shù)碼航攝儀、無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)、導航控制器、筆記本電腦硬件和航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)、植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件組成，數(shù)碼航攝儀安裝于無人機平臺的航攝固定裝置上，航攝固定裝置、GPS接收機、自動導航儀和無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)安裝于無人機平臺上，航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)、植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件安裝于筆記本電腦，航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)設置無人機飛行路線并實時顯示無人機飛行狀態(tài)，無人機平臺通過自動導航儀實現(xiàn)飛行，通過導航控制器引導、調(diào)整無人機飛行和降落，通過無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)和植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)軟件觀測數(shù)碼航攝儀拍攝的影像并抓拍照片，整體直接計算植被覆蓋度信息； 所述無人機平臺，機身材料為玻璃鋼，機身長1.0m,翼展1.58m,最大起飛重量5kg,最大任務載荷1kg，起飛和降落速度60km/h，爬升率3.5m/s，最大平飛速度100km/h，飛行高度150-350m，續(xù)航時間40min，動力為電動發(fā)動機，測控及圖傳半徑20km，起降要求為橡皮筋彈射和傘降，自主飛行模式為GPS導航自動駕駛和遙控起飛降落； 所述GPS接收機，安裝在無人機平臺上，實現(xiàn)無人機定位，并接收導航控制器發(fā)出的指令，修正飛行路線，為無人機平臺附屬組件； 所述自動導航儀，根據(jù)航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)事先設定的飛行路線，通過GPS接收機定位信號，實現(xiàn)無人機線路飛行，為無人機平臺附屬組件； 所述航攝固定裝置，用于數(shù)碼航攝儀的固定，為無人機平臺附屬組件； 所述數(shù)碼航攝儀，焦距35mm，CXD幅面為15500 X 10400，像素大小0.1cm,數(shù)據(jù)類型為RGB天然彩色，感光度ISO為400，實現(xiàn)對地面的航空拍攝； 所述無線數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)碼航攝儀拍攝圖片的無線數(shù)字傳輸?shù)街脖桓采w度動態(tài)獲取系統(tǒng)的攝像頭影像展示和控制界面窗口，實現(xiàn)地面工作人員對數(shù)碼航攝儀拍攝影像的動態(tài)監(jiān)測，為無人機平臺附屬組件； 所述導航控制器，實現(xiàn)地面工作人員對無人機飛行姿態(tài)和線路的調(diào)整，并控制無人機降落過程，為無人機平臺配套組件； 所述筆記本電腦，要求內(nèi)存4G，硬盤320G，采用Win XP操作系統(tǒng)，用于航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)和植被覆蓋度動態(tài)獲取系統(tǒng)的安裝； 所述航攝任務飛行管理與控制系統(tǒng)，根據(jù)需要自定義地圖，具備實時顯示無人機坐標、方向、速度參數(shù)功能，為無人機平臺配套軟件； 所述植被覆蓋度動態(tài)獲取軟件，實現(xiàn)對攝像頭拍攝畫面的實時顯示和抓拍照片，快速處理照片，計算輸出植被覆蓋度結(jié)果，并具備對照片的裁剪、放大、縮小、移動、濾波處理功能，已享有軟件著作權(quán)。
【文檔編號】G01C11/02GK103438869SQ201310380546
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月28日
【發(fā)明者】路京選, 龐治國, 宋文龍, 付俊娥, 李青, 曹大嶺, 曲偉 申請人:中國水利水電科學研究院