一种无人机载荷航空遥感仿真实现方法以及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感测绘应用领域，尤其是涉及一种无人机载荷航空遥感仿真实现方 法以及系统。
【背景技术】
[0002] 随着无人机应用技术的逐步成熟，基于无人机搭建载荷，执行特定任务的需求越 来越多，如电力巡检、海域检测和林业防火等。在执行任务时，通常需要根据经验或者简单 的理论，来预计影响遥感图像质量的内外界因素和作用机制。为了应对某些费时费力的真 实实验，以节约资源成本、人力成本和时间成本等，可利用基于计算机的仿真系统来进行模 拟。大量的仿真试验结合适量的实物测试，是高效率、高可信度、低耗时、低成本地设计评估 系统的最佳途径。
[0003] 针对载荷的仿真技术在航天领域开展较早。目前，针对载荷的仿真技术首先在航 天相机领域开展，但目前尚无无人机遥感仿真的研宄分析。将载荷成像仿真应用于无人机 系统，对无人机低空遥感载荷的研宄具有重要的指导意义和实际应用价值。
[0004] 以进行电力巡检的应用场景为例，现有的仿真技术领域中，通常只以杆塔、线路等 电力设施作为目标建立目标模型。但是在实际应用中发现，背景经常对目标产生较大的干 扰，影响仿真结果的精准度。例如在电线与其背景相似度高的场景下，现有技术得到的仿真 结果，无法满足调试无人机执行电力巡检的需求。
【发明内容】
[0005] 为此，本发明的目的在于：提供一种无人机载荷航空遥感仿真实现方法以及系统， 以解决现有技术中，复杂背景对目标产生较大的干扰，仿真结果的精准度较低，无法满足仿 真需求的缺陷。
[0006] 本发明提供的技术方案如下：
[0007] -种无人机载荷航空遥感仿真实现方法，包括：
[0008] 建立入射光线模型，以计算地物反射；
[0009] 分别建立目标模型和背景模型，得到场景模型；
[0010] 根据入射光线模型以及场景模型，计算得到场景反射模型；
[0011] 建立无人机的载荷平台模型；
[0012] 建立传感器模型，并输入所述场景反射模型和所述载荷平台模型的数据，得到仿 真结果。
[0013] 较佳的，所述建立入射光线模型，包括：
[0014] 分别计算太阳高度角和大气光谱透明系数，得到太阳直接辐射通量密度。
[0015] 较佳的，所述无人机载荷航空遥感仿真实现方法，还包括：
[0016] 分别计算散射系数和遮挡系数；
[0017] 并根据所述散射系数和遮挡系数计算修正后的太阳直接辐射通量密度。
[0018] 较佳的，所述分别建立目标模型和背景模型，还包括：
[0019] 为每一个目标模型和背景模型分配对应的材质属性和纹理属性。
[0020] 较佳的，所述分别建立目标模型和背景模型之后，还包括：
[0021] 采用迭代法，更新所述目标模型和/或所述背景模型的精度。
[0022] 较佳的，所述得到场景反射模型之后，还包括：
[0023] 建立大气传输模型，根据光谱透过率，对仿真结果进行衰减处理。
[0024] 较佳的，所述的无人机载荷航空遥感仿真实现方法中：
[0025] 所述载荷平台模型至少包括无人机震动系数和气动振动系数。
[0026] 较佳的，在所述得到仿真结果之后，还包括：
[0027] 根据所述仿真结果，调整无人机的作业环境和/或载荷参数。
[0028] 相应于上述方法，本发明还提供了一种无人机载荷航空遥感仿真实现系统，包 括：
[0029] 入射光线仿真模块，用于以计算地物反射；
[0030] 场景仿真模块，至少包括目标仿真单元和背景仿真单元；
[0031] 场景反射仿真模块，用于根据入射光线仿真模块以及场景仿真模块，计算得到场 景反射数据；
[0032] 载荷平台仿真模块，用于计算并管理无人机的载荷参数；
[0033] 传感器仿真模块，用于根据场景反射仿真模块和载荷平台仿真模块的数据，结合 模拟的传感器信息得到仿真结果。
[0034] 较佳的，所述无人机载荷航空遥感仿真实现系统，还包括：
[0035] 大气传输仿真模块，用于根据光谱透过率，对仿真结果进行衰减处理。
[0036] 本发明提供的无人机载荷航空遥感仿真实现方法和系统，相比于现有技术，不但 建立了目标模型，而且针对性的建立了背景模型，通过对目标和背景的分别仿真识别，在背 景经常对目标产生较大干扰的作业环境下，仍能明显的区分出目标和背景，降低了复杂背 景对目标产生的干扰，能够明显提高仿真结果的精准度。
[0037] 同时，本方案中引入的载荷平台模型，针对无人机的特性进行了仿真改进，相对比 于现有技术，能够降低无人机震动和/或气动振动对载荷成像质量的影响，减少仿真结果 的外界干扰。
【附图说明】
[0038] 图1为实施例一提供的无人机载荷航空遥感仿真实现方法流程示意图；
[0039] 图2为实施例二提供的无人机载荷航空遥感仿真实现系统图。
【具体实施方式】
[0040] 实施例一：
[0041] 为解决现有技术中，复杂背景对目标产生较大的干扰，仿真结果的精准度较低，无 法满足仿真需求的缺陷，本实施例提供了一种无人机载荷航空遥感仿真实现方法。
[0042] 如图1所示的无人机载荷航空遥感仿真实现方法流程示意图，该方法至少包括以 下步骤：
[0043] 步骤S101 :建立入射光线模型，以计算地物反射；
[0044] 本步骤中针对连续的太阳谱线。由于太阳光能量在可见光和近红外为主要集中区 域，且为稳定辐射，受太阳活动影响小且能量相对集中。因此研宄分析该区域的被动遥感仿 真是合理的选择。
[0045] 入射光线模型的主要目标是计算入射到地物的光强，便于计算地物反射。到达地 表的总辐射是太阳直接辐射与散射辐射的和。
[0046] 本步骤中，所述建立入射光线模型，可以包括以下子步骤：
[0047] SlOla:计算太阳高度角h;
[0048] 本方案基于大气上界日地平均距离处的太阳常数1372W/m2 (1)，研宄地表 无大气时所接收到的太阳辐射能：
[0049] 上述公式⑵中，r为日地距离；S为日地距离r处接受的太阳辐射能；h是太阳高 度角。上式表明，某时刻到达某地的太阳辐射通量密度与当时的日地平均距离平方呈反比， 与太阳高度角正弦成正比。公式（2)中的太阳高度角，可以通过式如下述公式（3)来确定。
[0050]
[0051] 上述公式（3)中，识为地理炜度；S为赤炜角；《为时角。
[0052] 赤炜角为赤道平面与太阳与地心确定的平面的夹角。一天内赤炜角S变化很小， 一年内任何一天的赤炜角S可以通过如下述公式（4)计算：
[0053] sin 8 = 0. 39795 ? cos [0. 98563 (N-173) ] (4)
[0054] N的计算从每年1月1日起。
[0055] 时角《的计算公式为
，t为当地时，执行24小时制。考虑特殊情 况，正午12时的太阳高度角h为：
[0056]
[0057] SlOlb:计算大气光谱透明系数；
[0058] 由于大气对太阳辐射能的消光作用，到达地表的太阳直接辐射有所减弱。辐射能 的衰减效应可用大气光谱透明系数P x = emX来表征。P x是波长的函数，透明系数随波长 的增大而增大，对长波辐射接近透明。
[0059] 地表接受的太阳直接辐射的大小不仅与炜度有关外，还与大气质量数有关。因此， 在有大气作用时候，到达地面的太阳辐射通量表达式如下：
[0061] 上述公式（6)中，S'为到达地面的太阳直接辐射通量密度。由公式（6)可以看出， 由于太阳常数变化很小以及日地平均距离的变化影响不大，所以地表接受的太阳直接辐射 的大小主要是由太阳高度角和大气光谱透明系数决定的。
[0062] 此外，由于大气中的水汽，杂质，云量，雨雪以及地形起伏都会对地表某处的太阳 直接辐射能量有直接影响。因此还可以对公式（6)进一步改进，把遮挡因素考虑进去。此 外，其还受到天空各方面的散射辐射，故还需增加一项散射系数。于是公式（6)演变为下述 公式（7):
[0064] 上述公式（7)中t，k分别表示遮挡系数和散射系数。所述遮挡系数和散射系数 系数的大小需要根据实际测量来计算。以上，通过所述散射系数和遮挡系数可以计算修正 后的太阳直接辐射通量密度。
[0065] 通过本步骤，可以计算入射到地物的光强，以便于后续步骤S103计算地面物体的 反射。
[0066] 步骤S102 :分别建立目标模型和背景模型，得到场景模型；
[0067] 针对现有技术中，复杂背景对目标产生较大的干扰，仿真结果的精准度较低，无法 满足仿真需求的缺陷。本方案中，场景模型不仅包括现有的目标模型，还包括必要的背景模 型。
[0068] 此外，为使目标模型和背景模型近真实情况，还可以为每一个目标模型和背景模 型分配对应的材质属性和纹理属性。具体的，对每个模型分配材质类型和使用纹理数据。从 视觉属性的角度出发，包括颜色构成、高光控制、自发光和不透明性等。从真实材质属性角 度，则包括传热计算所需要的材料属性，如密度、比热、导热系数、发射率、材料等属性。