一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法，涉及一种数据采集方法，包括辅助定位装置、数据采集单元和测控单元；辅助定位装置包括圆盘、测绳和地面标识布，数据采集单元包括无人机、云台及高光谱成像仪，测控单元包括图形判断模块、角度控制模块、观测位置控制模块和数据处理模块；采集方法包括：选择观测地物/场景，并布置地面标识布；确定观测地物/场景中心点坐标位置W；计算观测角度；确定无人机悬停位置并进行数据采集；形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。该系统通过地面角度测量装置，实现地面标识布摆放位置的精确控制，降低了每次操作时的测算工作量，提高了对无人机的飞行控制效率。

A BRDF Data Acquisition System Based on UAV-borne Hyperspectral Imaging

【技术实现步骤摘要】
一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法
本专利技术涉及一种数据采集方法，具体涉及一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法，可以应用于遥感、光学等领域的研究中。
技术介绍
随着无人机技术的不断成熟和操作的便捷性，应用领域的不断扩展，与很多领域开展集成创新，形成了大量全新的思维方式和应用场景。另一方面，高光谱成像仪的体积和重量不断减小，使其能够搭载在无人机系统上实现近地表数据采集。伴随着多角度遥感应用的不断发展，近地表开展基础理论研究的需求不断加大。将高光谱成像仪搭载在旋翼式无人机上，开展近地面(10-500m)高度的BRDF信息测量，将会为此类应用领域提供全新的技术手段和方法。现有地面BRDF观测系统，采用的是轨道式调节观测角度的方式，能够实现距地面5米以下的BRDF信息采集，且随着高度的增加其搬动过程非常不易，操作困难，且一般为非成像方式。针对现有地面双向反射分布函数(BidirectionalReflectanceDistributionFunction，BRDF)测量系统无法实现大场景和高大地物测量的现实问题，本申请提供了一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法，包括辅助定位装置、数据采集单元和测控单元；所述辅助定位装置用于对观测地物/场景进行位置标识，所述数据采集辅助定位装置包括沿周向刻有角度线的圆盘、多根测绳和多个与所述测绳配合的地面标识布，所述圆盘中心设置有定位柱，多根所述测绳一端沿周向均匀固定在所述定位柱上，所述测绳一端固定在所述圆盘中心，所述地面标识布放置在所述测绳上指定的位置；所述数据采集单元包括无人机、设置在所述无人机上的云台及安装在所述云台上的高光谱成像仪，所述高光谱成像仪的镜头朝下设置，所述云台和高光谱成像仪均与所述无人机内的飞控计算机连接；所述测控单元包括图形判断模块、角度控制模块、观测位置控制模块和数据处理模块；所述图形判断模块用于根据所述高光谱成像仪采集的图像判断高光谱成像仪中的图像是否覆盖图像采集范围；所述角度控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于在所述无人机不同悬停位置处根据所述无人机的飞行高度和所述无人机距离观测地物/场景中心点的水平距离，测算出观测角度，并根据观测角度控制所述云台的旋转角度，进而控制所述高光谱成像仪的镜头角度；所述观测位置控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于根据预先设定的采集角度控制所述无人机的悬停位置；所述数据处理模块，与所述高光谱成像仪连接，用于接收所述高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。优选地，所述观测地物/场景中心点的坐标采取手工输入。优选地，所述无人机搭载差分定位模块。优选地，所述测绳由非弹性材质制成，所述测绳上沿长度方向设置有刻度线。本申请还提供一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统进行数据采集的方法，包括以下步骤：步骤1：选择观测地物/场景，并预先计划观测的天顶角θi，将所述地面角度测量装置放置在观测地物/场景中间或将所述地面角度测量装置紧邻观测地物/场景放置，根据所述定位柱的阴影对应的圆盘刻度，确定地面水平观测角的起始位置，利用所述测绳测量出所述地面标识布摆放位置；步骤2：将所述地面标识布摆放在步骤1测量出的摆放位置，对观测地物/场景进行位置标识，以标识观测方向，即无人机飞行路线；步骤3：向所述无人机内的飞控计算机中输入观测地物/场景中心点坐标位置，或将无人机放置在观测地物/场景中心点位置，记录坐标W；步骤4：所述无人机垂直于观测地物/场景上方，不改变水平位置，直接起飞，随着高度的上升，观测视场逐渐加大至所述图形判断模块判断所有所述地面标识布显示在视场中，记录高度h0，即初试飞行高度，也是球面的半径R；步骤5：所述角度控制模块测算出观测角度，具体计算方法如下所述：根据计划观测角度θ，运用hi和Si或di的计算公式，得到计划观测的球面角度所处的位置Oi；hi计算公式为：hi＝R×cosθi；Si：为观测位置对应的地面坐标点；di：无人机悬停位置到中心点的水平距离，即Si到W的距离，其计算公式为：di＝T×sinθi；在实际飞行操作过程中，如无人机是在W点起飞，实际距离可以调取飞控数据回传到屏幕上；步骤6：所述观测位置控制模块根据预先设定的采集角度控制所述无人机的悬停位置，具体为操作所述无人机到对应的Oi位置，并调整高光谱成像仪的观测角度至对应的观测天顶角，依次完成所有Oi位置的光谱成像数据采集；步骤7：依次完成多个水平观测方向角度，水平观测方向角度的数量和间隔根据数据获取需要，进行调整；步骤8：所述数据处理模块接收所述高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。本专利技术提供的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统和方法具有以下有益效果：(1)借助旋翼式无人机飞行高度高出很多且可调节高度的特点，实现在近地面的不同空间高度对地面地物进行BRDF信息采集；(2)通过无人机机载高光谱成像系统的方式实现BRDF信息观测与采集记录；(3)通过地面标识布控制拍摄视场范围和确定或验证观测角度；(4)通过飞机高度和距离观测地物/场景中心点的距离，测算出观测角度；通过计划观测角度，计算出飞机高度和距离观测地物/场景中心点的距离，及数据观测位置；(5)通过预先设置的程序，根据观测角度的需要，完成飞行高度和悬停位置的测算，实现自动引导无人机到飞观测位置；(6)通过无人机机载的方式，实现观测高度的大幅度增加，以实现对大场景和高大地物的BRDF观测；(7)通过地面角度测量装置，实现地面标识布摆放位置的精确控制；(8)通过预先设置的程序，根据观测角度的需要，完成飞行高度和悬停位置的测算，降低了每次操作时的测算工作量，提高了对无人机的飞行控制效率。附图说明图1为本专利技术实施例1的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统地面标识布及摆放角度测量装置(以16向为例)的示意图；图2为本专利技术实施例1的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集方法进行某一地面水平观测方向角度上悬停位置和角度测算方法示意图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统，其特征在于，包括辅助定位装置、数据采集单元和测控单元；所述辅助定位装置用于对观测地物/场景进行位置标识，所述数据采集辅助定位装置包括沿周向刻有角度线的圆盘(1)、多根测绳(2)和多个与所述测绳(2)配合的地面标识布(3)，所述圆盘(1)中心设置有定位柱(4)，多根所述测绳(2)一端沿周向均匀固定在所述定位柱(4)上，所述地面标识布(3)放置在所述测绳(2)上指定的位置；所述数据采集单元包括无人机、设置在所述无人机上的云台及安装在所述云台上的高光谱成像仪，所述高光谱成像仪的镜头朝下设置，所述云台和高光谱成像仪均与所述无人机内的飞控计算机连接；所述测控单元包括图形判断模块、角度控制模块、观测位置控制模块和数据处理模块；所述图形判断模块用于根据所述高光谱成像仪采集的图像判断高光谱成像仪中的图像是否覆盖图像采集范围；所述角度控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于在所述无人机不同悬停位置处根据所述无人机的飞行高度和所述无人机距离观测地物/场景中心点的水平距离，测算出观测角度，并根据观测角度控制所述云台的旋转角度，进而控制所述高光谱成像仪的镜头角度；所述观测位置控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于根据预先设定的采集角度控制所述无人机的悬停位置；所述数据处理模块，与所述高光谱成像仪连接，用于接收所述高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。...

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统，其特征在于，包括辅助定位装置、数据采集单元和测控单元；所述辅助定位装置用于对观测地物/场景进行位置标识，所述数据采集辅助定位装置包括沿周向刻有角度线的圆盘(1)、多根测绳(2)和多个与所述测绳(2)配合的地面标识布(3)，所述圆盘(1)中心设置有定位柱(4)，多根所述测绳(2)一端沿周向均匀固定在所述定位柱(4)上，所述地面标识布(3)放置在所述测绳(2)上指定的位置；所述数据采集单元包括无人机、设置在所述无人机上的云台及安装在所述云台上的高光谱成像仪，所述高光谱成像仪的镜头朝下设置，所述云台和高光谱成像仪均与所述无人机内的飞控计算机连接；所述测控单元包括图形判断模块、角度控制模块、观测位置控制模块和数据处理模块；所述图形判断模块用于根据所述高光谱成像仪采集的图像判断高光谱成像仪中的图像是否覆盖图像采集范围；所述角度控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于在所述无人机不同悬停位置处根据所述无人机的飞行高度和所述无人机距离观测地物/场景中心点的水平距离，测算出观测角度，并根据观测角度控制所述云台的旋转角度，进而控制所述高光谱成像仪的镜头角度；所述观测位置控制模块，与所述无人机内的飞控计算机连接，用于根据预先设定的采集角度控制所述无人机的悬停位置；所述数据处理模块，与所述高光谱成像仪连接，用于接收所述高光谱成像仪采集的图像信息，并对图像信息进行处理形成基于无人机高光谱成像的BRDF数据集。2.根据权利要求1所述的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统，其特征在于，所述观测地物/场景中心点的坐标采取手工输入。3.根据权利要求1所述的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统，其特征在于，所述无人机搭载差分定位模块。4.根据权利要求1所述的基于无人机载高光谱成像的BRDF数据采集系统，其特征在于，所述测绳(2)由非弹性材质制成，所述测绳(2)上沿长度方向设置有刻度线。5.利用权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，
申请(专利权)人：宁夏大学，
类型：发明
国别省市：宁夏,64