一种基于航空遥感系统的飞行航线设计方法

1.本发明涉及一种遥感和导航领域，具体涉及一种飞行航线设计方法。


背景技术：

2.航空遥感系统，就是把各种对地观测载荷集成在一架飞机上，通过航空飞行，实现对地观测。遥感飞机技术指标先进，具有全天候飞行作业的能力，可装载航空照相机、成像光谱仪、成像雷达等多种遥感器。遥感飞机在遥感综合应用实验、重大自然灾害监测、遥感设备自主研发等方面发挥了重要作用。
3.航空遥感系统中装载的遥感设备分为被动遥感设备和主动遥感设备。被动遥感，又称无源遥感系统（passive remote sensing），即遥感系统本身不带有辐射源的探测系统；亦即在遥感探测时，探测仪器获取和记录目标物体自身发射或是反射来自自然辐射源（如太阳）的电磁波信息的遥感系统。例如：航空摄影系统，红外扫描系统等。采用被动遥感系统所进行的遥感探测称为被动遥感；主动遥感，又称有源遥感，有时也称遥测，指从遥感平台上的人工辐射源，向目标物发射一定形式的电磁波，再由传感器接收和记录其反射波的遥感系统。其主要优点是不依赖太阳辐射，可以昼夜工作，而且可以根据探测目的的不同，主动选择电磁波的波长和发射方式。主动遥感一般使用的电磁波是微波波段和激光，多用脉冲信号，也有的用连续波束。被动遥感设备包括可见光遥感设备、高光谱遥感设备、红外遥感设备、全极化微波辐射计、多角度偏振辐射计等；主动遥感设备包括三维激光雷达、合成孔径雷达、全极化微波散射计等。由于上述遥感设备的功能、原理各不相同，对应的技术参数也不相同，于是每一种遥感设备的指标要求都不相同，那么在相同的飞行条件下进行遥感作业时，难以确保每一种遥感设备均能满足各自的指标要求，从而导致遥感飞机需要通过多飞航线、不断改变飞行高度以弥补不同指标要求带来的差异，这样将会导致飞行架次、飞行航线及飞行时间的冗余及飞行效率的降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于航空遥感系统的飞行航线设计方法，根据航空遥感系统中不同遥感设备的已知参数进行计算，得出各种等效的新参数，然后生成统一的飞行航线计划，在同时满足不同遥感设备指标要求的情况下，实现对测区的一次性航空遥感作业，因此，能够提高作业效率，减少重复作业。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于航空遥感系统的飞行航线设计方法，包括以下步骤：步骤1）计算不同航空遥感设备的相对航高；步骤2）确认最终实际飞行时的相对航高；步骤3）计算航空遥感设备焦距与ccd像元大小的比值；步骤4）计算等效的旁向ccd个数；步骤5）计算影像在地面的旁向覆盖宽度；
步骤6）设计飞行航线，确定最终实际飞行时的航线。
6.本发明的优点在于：1、实现一机多用，通过一次飞行，就可以获取多种遥感数据，取代传统航空遥感一机一用的行业模式；2、实现时空一致性背景下的航空遥感作业，避免冗余飞行，减少飞行航线的同时，减少了飞机飞行时间、飞行架次、耗油量，减轻了空中作业强度、后期数据处理的难度，节省了成本，提高了作业效率；3、解决遥感设备参数不全或参数变化等问题，可以生成一系列等效参数，如相对航高、旁向ccd个数、焦距、ccd像元大小、视场角和飞行航线数等，为后续的作业规划提供了基本保障；4、飞行航线能够兼容不同的遥感设备，确保gsd指标、旁向重叠率指标、航线覆盖面积指标等同时满足要求。
附图说明
7.图1为本发明的飞行航线设计流程图；图2为本发明的遥感设备角分辨率示意图；图3为本发明的遥感设备视场角与相对航高、旁向覆盖宽度关系示意图；图4为本发明的遥感设备中心投影示意图。
具体实施方式
8.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
9.参见图1，根据本发明的一个实施例，提出一种基于航空遥感系统的飞行航线设计方法，根据航空遥感系统中不同遥感设备的已知参数进行计算，得出各种等效的新参数，然后生成统一的飞行航线计划，在同时满足不同遥感设备指标要求的情况下，实现对测区的一次性航空遥感作业。其步骤包括：步骤1）对于被动遥感设备，若只知道其角分辨率，根据航空遥感设备的角分辨率和该设备的gsd指标要求计算相对航高（h）；参见图2-4，角分辨率是指成像系统的分辨能力，即成像系统有差别地区分开两相邻物体最小间距的能力。它决定了在相对航高上瞬间观测的地表面积，这个面积就是传感器所能分辨的最小单元。角分辨率越小，最小可分辨单元越小，图像空间分辨率越高。角分辨率可用瞬时视场角（ifov）来表示，以毫弧度（mrad）计量，其对应的地面大小被称为地面采样间隔（ground sampling distance，gsd）（或称地面分辨率单元，ground resolution cell，gr），它们的关系为：
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（1）其中，r是地面采样间隔gsd，是瞬时视场角ifov，h是相对航高。
10.根据公式（1）可以计算得出相对航高：
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（2）对于被动遥感设备，若只知道其焦距和ccd像元大小，能根据该设备的gsd指标要求直接计算相对航高h；根据中心投影原理：
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（3）其中，f是航空遥感设备的焦距，a是遥感设备中的ccd像元大小，f,a均是常数；h是相对航高，r是gsd。
11.那么，相对航高：
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（4）步骤2）从步骤1）、步骤2）计算得到的不同遥感设备对应的相对航高h1,h2,h3…
，比较h1,h2,h3…
，选择最小的相对航高h
min
作为最终实际飞行时的相对航高；步骤3）根据中心投影原理计算焦距与ccd像元大小的比值；根据公式（3），可得：
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（5）步骤4）根据视场角计算等效的旁向ccd个数；根据公式（1）和（5），可得：
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（6）
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（7）其中，是被动遥感设备的视场角，是已知值，n是等效的旁向ccd个数。
12.步骤5）根据旁向ccd个数计算影像在地面的旁向覆盖宽度：
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（8）。
13.步骤6）对于主动遥感设备，直接根据视场角和最小相对航高h
min
，计算影像在地面的旁向覆盖宽度：
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（9）其中，是主动遥感设备的视场角，是已知值，h
min
是步骤2中计算出来的最小相对航高。
14.步骤7）根据影像在地面的旁向覆盖宽度l、飞行测区范围、最终相对航高h
min
、旁向重叠率和dem设计飞行航线，计算不同遥感设备对应飞行航线的数量和坐标，比较不同组航线的数量，选择最多的一组航线作为最终实际飞行时的航线。
15.根据航空摄影测量规范，相邻航线之间需要有一定的重叠，以覆盖整个飞行测区。地形起伏会影响旁向重叠率，还将引起航线间隔的变化；
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（10）式中h为相对于平均高程基准面的高差，h
min
是相对航高，q为实际旁向重叠率，q＇为计划的旁向重叠率；地面起伏点的高差h可以从dem中获取，根据式（10），能够计算出实际旁向重叠率，然后就可以计算相邻航线的间隔：
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（11）按照上面的算法依次计算每一对相邻航线的间隔，直到将敷设的航线覆盖整个飞行测区范围为止，此时即完成了航线设计。
16.根据本发明的一个实施例，所述步骤1）中的被动遥感设备包括可见光遥感设备、高光谱遥感设备、红外遥感设备等；这些遥感设备中的某些设备如全谱段光谱仪、红外扫描仪等只提供角分辨率这一参数，不提供焦距和ccd像元大小等参数；所述相对航高，是指遥感设备相对于地面的高度；根据本发明的一个实施例，所述步骤3）中的ccd（charge-coupled device）是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，并能做成集成度非常高的组合件。ccd由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当ccd表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就可以称为ccd图像传感器。
17.根据本发明的一个实施例，所述步骤2）中选择最小的相对航高作为最终实际飞行的相对航高，是基于最小相对航高可以满足所有遥感设备的gsd指标要求，因为飞得越低，地面分辨率越高，此时，除了相对航高h
min
对应遥感设备以外的遥感设备的gsd都会提高；根据本发明的一个实施例，所述步骤3）中计算出来的比值是已知的，虽然不知道遥感设备的焦距f和ccd像元大小a，但可以根据测量该遥感设备传感器头（或称镜头）的尺寸来估算其焦距f，然后就可以根据该比值计算出遥感设备的ccd像元大小a。这两个解算出来的等效参数，可以作为参考参数，有利于后续任务中针对该遥感设备进行项目规划及飞行计划制作。
18.根据本发明的一个实施例，所述步骤4）的视场角是指遥感设备的视野范围；遥感设备的视野范围若大于飞机下视舱门的开口，则飞机下视舱门会遮挡遥感设备的一部分视野，从而减小遥感设备初始的视场角，如红外扫描仪的总视场角是100
°
，实际安装后由于飞机下视舱门的遮挡变成了50
°
，所以需要根据新的视场角计算新的等效旁向ccd个数n；遥感设备的视野范围若小于飞机下视舱门的开口，则飞机下视舱门不会遮挡遥感设备的视野，
从而不会改变遥感设备初始的视场角，其旁向ccd个数不变；新的旁向ccd个数是一个等效参数，它跟遥感飞机的状态有关，不是遥感设备的固定参数。这个等效参数，是步骤5）中计算影像在地面的旁向覆盖宽度的关键参数；根据本发明的一个实施例，所述步骤6）中的主动遥感设备是指下视主动遥感设备，如三维激光雷达系列；根据本发明的一个实施例，所述步骤7）中的飞行测区范围是已知的，包括测区面积、测区角点坐标等；所述旁向重叠率也是已知的，是根据不同遥感设备的指标要求设定的；所述dem是指数字高程模型，也是已知数据；所述选择最多的一组航线作为最终实际飞行时的航线是基于某些遥感设备只需要少量航线就可以覆盖整个测区，那么用最多的一组航线更加可以覆盖整个测区，但反过来就不行了。这里提到的某些遥感设备是指可见光遥感设备，如大面阵数码相机、大视场三线阵相机等。所述数字高程模型（dem）：是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(digital terrain model，简称dtm)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。一般认为，dtm是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子 在内的线性和非线性组合的空间分布，其中dem是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在dem的基础上派生。
19.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。