收藏本站
《浙江大学》 2016年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

农田信息低空遥感中图像采集与处理的关键技术研究

张艳超  
【摘要】:应用无人机进行农田信息采集相比于星地遥感和有人航空遥感有着明显优势,如重访周期短、分辨率高、价格低廉等优点,相对于近地面信息采集则有采集速度快、覆盖范围大、不受场地限制等优点,未来采用无人机搭载遥感传感器进行农田信息采集将成为精细农业遥感信息获取的主要方式。无人机农田遥感目前尚处于起步阶段,相关技术和设备仍然缺乏,随着无人机在实际应用中取得越来越多的注意,在实际应用中的一些问题需要解决以促进无人机低空遥感的应用。本论文针对无人机低空遥感中存在几个问题进行解决,并提出了自己的解决方案。(1)将农田遥感数据转换成可供田间作业的数据,需要将遥感数据进行地理标记,将所得的遥感数据(图像、波谱、Lidar、SAR等)及基于遥感数据所得结果精确定位到地面地理位置点。随着无人机更多的被应用在农田信息采集中,开发相应的能够提供遥感影像数据直接地理标记的辅助信息的仪器较为缺乏。本研究开发了结合载波相位RTK-GNSS和MEMS惯导传感器的POS数据记录仪,在机载端采集快速的(200Hz)惯导数据和低速的(10Hz)的卫星导航数据,该POS记录仪体积小、重量轻、价格低廉、易于与其他相机结合的POS记录仪。为方便数据处理与未来实际应用,开发了相应的地理标记上位机软件,功能包括原始POS记录仪设置、POS数据预处理、POS数据计算、地理标记与结果展示。(2)为对所开发的POS记录仪效果进行验证,分别设计了静态单点测试与无人机机载动态测试。静态单点定位采用POS记录仪静止固定在一点,连续采集40分钟的数据进行分析。机载动态测试采用无人机搭载POS记录仪按照指定航线飞行采集惯导元件数据与GNSS定位数据。对所得数据进行松耦合拓展Kalman滤波处理,实现组合导航数据输出,分别生成位置定位数据和姿态数据以供地理标记用。结果表明,静态单点定位精度时,单一GNSS接收机的CEP为0.187m,而组合导航定位输出的定位精度到了0.081m,提高较为明显,而姿态精度解算结果显示,俯仰、横滚、偏航三个方向上的置信区间大小分别为0.0031°、0.0032°、0.0136°,稳定性好,准确性高。在动态测试中,组合导航输出结果明显优于单一GNSS定位源定位结果。(3)为适应越来越多的无人机实验需求,降低无人机实验风险,为机载实验提供环境可控、运行参数可控的实验条件,开发了一套无人机仿真平台。该平台拥有X、Z、pitch、roll、yaw五个自由度,直线运动方向采用直线导轨加伺服电机的结构,旋转轴向采用三轴云台。采用STM32F103作为云台自稳控制器云台角度控制器,采用组合导航算法+经典PID算法进行云台姿态控制;采用CAN总线实现主控端与远端通讯,以控制云台角度并返回当前角度信息;采用STM32F103作为主控制器控制X向和Z向直线运动的伺服电机;采用C++开发上位机软件以实现对该系统的控制与状态显示。该系统水平X向最大运行速度2.5m/s,垂直Z向最大运行速度0.25m/s,最大承载重量150kg,能满足线扫描类遥感传感器、新类型遥感传感器等传感器低空遥感作业的需要。为对无人机仿真平台系统进行功能进行验证,设计了包括系统运行精度测试及震动测试在内的基础功能测试。测试结果显示,水平方向在0.05m/s,0.10m/s,0.15m/s和0.20m/s测试中系统水平精度2mm,垂直方向速度在0.05m/s,0.10m/s,0.15m/s和0.20 m/s进行测试垂直精度1mm,满足系统设计需求。在0.05m/s,0.1m/s和0.15 m/s水平运动速度下,其加速度2g,满足目前已知遥感传感器的震动需求。(4)针对目前三维重建方法重建出的三维点云多包含植物的形态、颜色等特征,无法反应植物营养状况(如叶绿素含量)、病虫害胁迫等原因造成有机质空间三维分布改变,同时以往手段都需要专门仪器,携带和作业都受到很大限制。多光谱图像能够反应有机质含量等化学值的分布,在近地面遥感、农产品质量无损检测等发面取得了广泛的应用。该文通过采集31张4叶龄油菜的多光谱图像,使用运动恢复结构算法(structure from motion)方法对其进行空间三维重建,得到油菜的三维点云,并对点云中噪声点进行滤除。以控制点和控制长度对所得模型进行评价,得到长度最大偏差在0.1023cm,RMSE=0.052599,证明该方法重建所得模型具有较好的空间均匀性与准确性,最后计算NDVI指数空间分布。证明所得模型对将来研究植物营养与病虫害胁迫空间分布有着重要意义。(5)将多源数据融合分析可以降低单一图像造成的误判读,利用多源数据之间的冗余部分进行配准,利用互补信息完成融合,能够提高数据的信息量和可靠性。利用无人机遥感模拟平台分别获取油菜的多光谱图像和深度图像,将2种图像进行配准和融合。该文分别针对多光谱图像和光程差深度图像的成像特点,进行相机内外参计算与图像矫正。采用SIFT(Scale Invariant Feature Transform)算法计算2源图像上的SIFT点,并依据关键点描述子进行匹配,之后通过关键点位置计算仿射变换矩阵对图像进行缩放、平移和旋转,从而实现变换后图像的配准。分别对harr,Db2,Db4,Sym2,Sym4,Bior2.2,Bior2.4,Coif2,Coif等9种小波基融合后的结果计算其相应的交叉熵(Cross Entropy)、峰值信噪比和互信息量等5个参量进行评价,得出小波基harr和sym4融合效果较好,各项指标均衡性较好。用haar小波基对配准后图像在3、4、5、6层分解融合,通过观察得出在多光谱与深度图像融合中第3层小波分解和第4层分解的融合效果较好。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:S127

手机知网App
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前7条
1 朱建新;张秋阳;谢习华;;某型无人机地面站软件的设计与实现[J];中南林业科技大学学报;2011年04期
2 崔新宇;刘艳萍;;关于无人机在森林防火监测方面的探究[J];科技与创新;2014年07期
3 王春振;王兆印;李艳富;王旭昭;;黄河源区生态景观的无人机观测与无人机技术升级研究[J];安徽农业科学;2012年18期
4 胡承健;;加速宁夏农用无人机开发应用 促进精准农业发展[J];宁夏农林科技;2014年05期
5 李雅荣;;无人机:现代农业的“新宠”[J];江西农业;2014年01期
6 ;消防新技术新产品介绍——无人机森林(草原)防火预警信息化系统[J];消防技术与产品信息;2014年04期
7 ;[J];;年期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王林;张庆杰;朱华勇;沈林成;;远程异地多无人机系统控制权切换技术研究[A];2009中国控制与决策会议论文集(3)[C];2009年
2 谭健美;张琚;闫娟;;信息无人机系统——无人机发展史上新的里程碑[A];第二届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2006年
3 黄爱凤;邓克绪;;民用无人机发展现状及关键技术[A];第九届长三角科技论坛——航空航天科技创新与长三角经济转型发展分论坛论文集[C];2012年
4 刘长亮;;无人机发动机气道开度自适应机构的设计与实现[A];2009年中国智能自动化会议论文集(第三分册)[C];2009年
5 丁霖;;无人机系统人机交互界面浅析[A];探索 创新 交流(第4集)——第四届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2010年
6 刘泽坤;吕继淮;;舰载无人机系统的环境适应性[A];人—机—环境系统工程创立20周年纪念大会暨第五届全国人—机—环境系统工程学术会议论文集[C];2001年
7 叶烽;宋祖勋;;无人机系统电磁兼容性测试研究[A];第十四届全国电磁兼容学术会议论文集[C];2004年
8 易当祥;吕国志;沈玲玲;;多级路况下车载无人机疲劳载荷仿真[A];第十二届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2004年
9 钱正祥;金继才;杨鹭怡;;未来局部战争中反无人机作战对策研究[A];探索创新交流--中国航空学会青年科技论坛文集[C];2004年
10 高鹏骐;晏磊;赵红颖;何定洲;;无人机遥感控制平台的设计与实现[A];第十五届全国遥感技术学术交流会论文摘要集[C];2005年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 洪山;法国、德国和西班牙签约共同研发三国无人机系统[N];中国航空报;2007年
2 崔玺康;对抗无人机所面临的新挑战[N];中国航空报;2007年
3 林英;无人机将进入现代化农业领域[N];光明日报;2007年
4 本报记者 陈永杰 马佳;中国无人机亮相:战争“零伤亡”将实现[N];北京科技报;2008年
5 祖茜枫;“综合者”:携带小导弹的小无人机[N];中国国防报;2008年
6 王磊;印度期望打造强大无人机部队[N];学习时报;2009年
7 李荔;无人机“俯瞰”黄河灾情[N];北京科技报;2011年
8 本报记者 宋斌斌;我国无人机应用高端化趋势明显[N];中国工业报;2011年
9 吴飞;反恐十年无人机扶摇直上[N];中国航空报;2011年
10 司古;美无人机遭神秘病毒入侵[N];国防时报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘洋;动态环境中的无人机路径规划研究[D];西北工业大学;2015年
2 高九州;无人机自主着陆控制[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2016年
3 杨永明;无人机遥感系统数据获取与处理关键技术研究[D];昆明理工大学;2016年
4 孙小雷;基于多阶段航迹预测的无人机任务规划方法研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
5 张艳超;农田信息低空遥感中图像采集与处理的关键技术研究[D];浙江大学;2016年
6 陈岩;蚁群优化理论在无人机战术控制中的应用研究[D];国防科学技术大学;2007年
7 林林;基于协同机制的多无人机任务规划研究[D];北京邮电大学;2013年
8 刘春阳;无人机隐身技术若干问题研究[D];西安电子科技大学;2012年
9 王小刚;非线性滤波方法在无人机相对导航上的应用研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
10 黄国勇;变推力轴线无人机飞行控制技术研究[D];南京航空航天大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵敏;分布式多类型无人机协同任务分配研究及仿真[D];南京理工大学;2009年
2 刘志花;无人机故障预测与健康管理技术研究[D];北京化工大学;2010年
3 刘爱兵;可变形无人机设计[D];南京航空航天大学;2009年
4 易姝姝;无人机飞行场景及数据的可视化仿真与实现[D];电子科技大学;2010年
5 张佳璐;无人机项目综合评价研究[D];北京邮电大学;2011年
6 赵志鸿;某型无人机双发火箭助推发射动力学建模与仿真研究[D];南京理工大学;2007年
7 李建华;某无人机发射系统技术研究[D];南京理工大学;2008年
8 戴世通;无人机飞行可视化仿真系统设计[D];西安理工大学;2008年
9 曹攀峰;敌对与非敌对环境下无人机群的协同搜索路径与策略研究[D];复旦大学;2010年
10 张锡宪;无人机测控中数据传输系统设计与实现[D];电子科技大学;2009年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026