低空航测的系统工程问题分析

穆峰++张远波

摘 要：低空航测近年来在农业、林业、民用、军事等领域获得了极大的发展，该项技术正在极大地改变着社会的发展，促进着经济的增长。在低空航测的发展过程中，低空航测技术也遇到了一定的技术难题，需要对其进行大量的研究分析，对低空航测进行研究时，可以采用系统工程的观点和方法进行研究。一般的低空航测系统主要由飞行系统、信息传感器、软件等平台共同协调一起完成航测任务。航测技术的精准性主要取决于内部系统和外部约束条件，由于一般而言外部约束条件无法改变，因此如何优化系统，使得系统在不同外界条件下得到最好的航测效果是一个重要的研究方向。文章重点论述了低空航测的影响因素，对低空航测因素中的图像处理进行了重点介绍。

关键词：航测系统；研究；约束条件；图像处理

中图分类号：P231 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）29-0053-02

引言

虽然卫星以及一些高空航拍为我们带来了极大的方便，但是这些航拍技术也存在一定的技术瓶颈，高空中的云层，阴雨天气以及几年来较为严重的雾霾天气会对航拍中成像产生很大的影响。由于这些干扰噪声的影响使得系统无法对目标进行准确的轮廓识别等相关算法，因此在这种情况下，低空航测应用而生，低空航测具有成本低，机动性好，成像清晰等特点，但是在国内该项技术还没有展开充分完备的调查，本文将从系统的观点对该项技术进行相关阐述。

1 低空航测的要素分析

低空航测系统是一个完整的系统，包含软硬件。所谓系统就是各部分之间协调配合共同完成低空航测任务，系统间各部分不是孤立的。传感器采集数据完毕后，经过D/A转换器将模拟信息转化为数字信息传递给上位机或者单片机再对该数字信息进行分析最终输出结果，整个这个过程需要各部分的配合，缺一个不可，因此制约低空航测技术有很多因素。正是这种系统之间相互配合以及各部分独立使得低空航测也具有一定的优势。

1.1 低空光学优势

首先第一个优势是很明显的一个优势。由于低空航测最大的一个特点就是低，也正是由于低这一特点使得航测技术获得了一个质的飞跃。根据光学中平面感光定理，如地表有一待成像目标，设其所具有的光学能量为Q，则在传递过程中，该光学强度降符合以平方反比的规律进行衰减，也即任意时刻的光能量q遵循以下表达式：

q=K■

因此低空航拍中，目标物光能量衰减更小，相机能够对其进行更好的成像。

1.2 实际航拍飞行的速度位置因素

随着低空航拍这一优势的产生随之也产生了一个缺点，低空航拍大大解决了相机成像不清晰等缺點，但事实上想充分利用好这一点也是比较困难的。另外，在低空航拍中，一般都采用无人机，低空航测由于飞行距离较低，因此航测系统会经常出现在环境十分复杂的上方，例如崇山峻岭，都市高楼等，处于这样的环境中，无人机系统必须要具有灵敏的速度位置控制系统。例如在大都市之间飞行进行地图航拍时，由于都市建筑物高低不一，因此无人机在飞行过程中必须实时探测周围的环境，并将信息实时通过传感器传递给上位机进行判断处理以改变无人机当前飞行的速度或加速度进而避免产生碰撞。另外想实现无人机实时灵活的改变飞行的速度和位置还必须从动力学方面考虑，由于无人机体积较小发动机等各方面都收到极大的限制，因此必须对该系统进行合理的规划以期在满足最小质量的同时能够装载最好的发动机和控制系统。

1.3 相机曝光时间

第三个因素也正是由于低空因素造就的。上文已经论述过在低空条件下，被测目标光能量较大，也正是这一优点给成像带来了另外一个好处。由相继曝光方程可以知道，当镜头光圈和曝光常数为定值时，被测景物亮度越大时，相机获得的曝光时间就越短，就越能获得分辨率更高，更清晰的图像。另一反面，由于无人机体积、质量等约束，目前低空航测使用的相机均为小型相机，小型相机的感光面积以及视角都十分小，在低空飞行时，相机能够采集到的图像信息将特别少，这不利于低空航测的进行。另外，这些小型相机特别容易产生畸变，因此在进行低空航测前需要精准校正和畸变校正。

1.4 图像处理优化

由于在低空航拍过程中，相机随着无人机处于不停的动作当中，因此采集的照片极易产生抖动或光学噪声，另外在低空中，一些容易干扰目标的噪声也对成像产生着较大的影响。因此对于这些噪声必须滤除。滤除噪声一方面可以从硬件系统方面考虑，无人机在飞行过程中可以改善无人机的速度控制系统，减少无人机的抖动，还可以增大无人机图像采集视场，使得无人机能够有较长时间来判断当前与危险物的相对位置，避免出现紧急大范围改变速度的情况，减少大惯量输入，由于硬件等制约方面较多，因此在实际设计时，不能单从硬件方面考虑，还应从图像处理方面考虑，在相机采集图像完毕后，对图像进行相关的图像处理能够使得图像具有更好的图像效果。一般的，在完成图像采集时，首先应对图像进行滤澡处理，目前最常使用的有两种非线性滤波和三种线性滤波，使用这几种滤波方式可以在不同情况下取得不同的效果。滤波完成之后可进行图像增强技术，图像增强可使得图像的轮廓更加清晰，便于一些统计特征的提取，另外对于一些不是提取所有航拍特征的航拍过程还可以再加入图像的二值化，二值化后的图像将实际目标与背景明确的分别出来使得目标更加清晰。总之，由于低空航拍的特点使得图像可能存在较多噪声，对于这些噪声完全可以从软硬件两方面进行考虑进而改善图像质量以便于提高低空航测的技术。

2 低空航测系统制约因素

系统制约因素是指非系统内部但是影响系统工作的一些不利因素。研究这些系统的制约因素，对于突破当前的低空航测技术瓶颈至关重要。一般来说，对于低空航测主要有以下制约因素。

2.1 空管因素

首先是空管因素。无人飞行物在空中飞行时世界各国对飞行物根据质量对其飞行高度都有明确的规定。目前来说，世界各国普遍认为航测无人机不会对人类造成伤害的最大质量为15kg，最高的飞行高度为150m。因此，基于对低空航拍技术的无人机研制应当紧抓这一制约因素。基于这一条件对无人机各方面性能进行开发研制。endprint

2.2 有人驾驶相关空管约束

当飞机有人驾驶时，其空管约束与无人驾驶又有不同。根据规定，在城市进行航测时，飞机最低飞行高度不得低于300m，但事实上，目前城市建筑物建筑较高，有人驾驶飞机一般最低飞行高度为600m。

2.3 其他因素

其他一些如经济环保等因素对低空航测也有这较大影响。低空航测技术是不是在所有的航测领域中，属于低成本、高经济性的选择。而且，随着环保压力的提升，低空航测的环保性也逐渐成为一个关注因素。总之，这些因素在研发过程中也应当被列入重点研究中。

3 低空航测系统优化

目前，大部分航测任务均由卫星和高空航测来完成，低空航测是作为对这两种方式的补充，由于低空航测正是由于云层遮挡等因素使得高空航测获取图像像素较低导致，因此低空航测一个最重要的因素就是要实现图像高精度获取。在提高图像像素的方法中既要考虑图像质量问题也要考虑经济因素，因此不可以单纯从硬件方面来提高图像质量。随着图像处理技术的日益成熟以及opencv开源库的发展，图像后期处理日益成熟。在低空航测图像获取后，可先进行图像滤澡处理，滤澡处理可以将图像中噪点滤除掉进而获得预处理图像，由于低空航拍可能获取图像不够清晰，因此在图像滤澡完毕后，对图像进行增強处理，使得图像中目标图像轮廓更加清晰。在一些对轮廓要求较高的场合中，还需对图像进行轮廓识别。另外，对于图像进行二值化处理也是一个很重要的过程。二值化后的图像将更利于图像统计特征的提取，例如对于图像的质心、面积、方差、标准方差等的计算获取。总的来说，对于提高低空航测技术来说，可以从软硬件两方面出发，在考虑经济因素的前提下当硬件技术达到瓶颈时，应充分从图像处理算法角度来考虑提高航测技术。

4 结束语

低空航测技术近年来取得较大发展，完成了卫星和高空航拍不能完成的任务。低空航测中存在较多因素影响航测技术，如何提高低空航拍技术可从软硬件两方面同时考虑，尤其是对图像处理算法、控制系统控制策略，控制算法的改进将使整个航拍技术得到质的提升，同时整个航测系统也会得到优化。

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