无人机的地面激光足印数据采集方法、系统、介质及设备与流程

1.本发明涉及卫星激光测高技术领域，特别是关于一种低空无人机的地面激光足印数据采集方法、系统、介质及设备。


背景技术：

2.卫星激光测高系统具备主动获取全球地表及目标高程息的能力，能为高精度全球地面高程控制数据采集、全球测图等提供重要支持，同时能够为极地冰盖测量、植被高度及生物量估测、云高测量、海面高度测量等应用领域发挥重要作用。卫星激光测高系统是以一定频率向地面发射激光脉冲，激光脉冲投射到地面形成激光足印，再经地面反射激光脉冲返回卫星，通过测量激光从卫星到地面再返回卫星的时间，结合精确测量的卫星轨道、姿态以及激光指向角，计算激光传输的精确距离，以获得激光足印点高程。
3.卫星激光测高系统的检校与验证是卫星激光测高数据处理应用的重要环节，直接影响着激光测高系统所获取的激光测高数据的精度。为了实现高精度地卫星激光测高系统检校与验证，地面激光足印数据的采集是首要技术问题。为了实现对卫星激光测高系统地面激光足印的数据高精度准确采集，目前主流是采用地面红外探测和角反射器对glas激光测髙仪的指向角和时间同步误差进行定标分析。
4.目前的卫星激光测高系统多采用发射的中心波长为1064nm的窄脉冲近红外激光器，可通过在地面布设一定范围的红外探测器捕捉到发射激光脉冲。如图1所示。实直线为预测的激光束射线方向，实线圆圈为预测激光射线在地面的激光足印范围。虚直线是实际激光束射线方向，虚线圆圈为实际激光射线在地面的激光足印范围。预测激光射线方向与实际激光射线方向夹角为激光测高系统的激光指向角偏差θ。在虚线圆圈内的地面红外激光探测器被激发，根据地面被激发的激光探测器分布范围，可以反演计算激光足印的中心点位置，进而精确计算激光测高系统的激光射线指向。
5.卫星激光测高系统发射的激光脉冲属于窄宽度脉冲，长度一般不超过10ns。在发射的激光脉冲经大气传输到达地面的过程中,会受到大气衰减、太阳背景噪声、远距离激光束的扩散等多方面的影响，因此为有效捕捉到卫星发射到地面的激光脉冲信号,地面的红外探测器需要具有抗噪能力强、探测灵敏度高、带宽窄等多方面的特性。在基于地面红外探测器的激光测高仪在轨几何检校过程中,一个重要的因素就是红外探测器能否被激光击中并产生反应。而地面探测器能被激光击中依赖于估算的激光足印点位置与最终实际位置的偏差要尽量小,激光足印点的实际位置与卫星轨道位置、姿态、激光指向角、测距精度等因素有关。
6.现有方法存在的问题如下：(1)所需要的地面激光探测器数量多、成本高，且布设时间周期长、人工布设工作量大、对地面地形的依赖程度大、机动性差。一般地，地面探测器布设数量需要达到几百个甚至上千个，才能够达到足印中心点高精度提取的需求，例如以500个探测器计算，按照0.3万元/个计算，探测器装备成本150万元。探测器数量越多、密度越大，足印采集的数据分辨率越高、足印中心点提取的精度越好。同时，地面探测器需要精
确的测量每个探测器的地理位置，布设过程需要耗费大量的人力物力和时间，因此，通常情况下，布设地面探测器需要提前2
‑
3天进行，需要几十人或上百人的投入。(2)地面布设激光足印探测器的数量和密度有限，足印中心点提取的精度受到极大的制约。地面激光探测器布设数量有限，采用离散的探测器点，还须剔除足印内的孤立点、缺失点和异常点，如按照激光足印内能量等级近似服从高斯分布提取激光足印中心点的坐标，就存在很大的误差和波动。


技术实现要素：

7.针对上述问题，本发明的目的是提供一种无人机的地面激光足印数据采集方法、系统、介质及设备，其采集的激光足印数据分辨率高、数据质量高，且成本低。
8.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种无人机的地面激光足印数据采集方法，其包括：概算卫星激光足印点过境时刻及激光足印点预定位置坐标；对激光足印点预定位置坐标区域进行区域及地形考察，确定是否具备采集条件；根据卫星轨道高度和激光测高系统的指向角偏差估计值，估算激光足印中心点地面偏差半径，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径；根据激光足印的可能地面范围的覆盖半径，设置无人机空中悬飞位置，以及红外激光成像范围；由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，完成激光足印影像数据采集。
9.进一步，所述计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径，包括：根据卫星轨道高度和激光测高系统的指向角偏差估计值，估算激光足印中心点地面偏差半径，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径。
10.进一步，所述计算方法，包括：
11.计算由激光测高系统的指向角偏差引起的足印中心点地面的理论偏移；
12.根据足印中心点地面的理论偏移获取实际激光足印中心点地面偏差；
13.根据实际激光足印中心点地面偏差及激光足印半径，计算得到激光足印的可能地面范围的覆盖半径。
14.进一步，所述设置红外激光成像范围，包括：根据低空无人机平台悬飞高度、光学系统的成像焦距、红外传感器像元尺度、像素数，计算红外激光成像系统的成像范围。
15.进一步，采用的红外激光成像系统的成像帧频间隔小于激光脉冲时间长度的一半。
16.进一步，所述设置无人机空中悬飞位置，包括：至少设置2架无人机，确定飞行高度，满足对激光足印可能范围覆盖半径的2倍区域进行2～3度重叠成像，此时无人机的空中悬飞位置为确定的无人机空中悬飞位置。
17.进一步，所述由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，包括：
18.无人机平台具备无线数据传输的能力时，红外成像数据实时传送回地面控制中心，获取到激光足印影像后，关闭红外激光成像系统，各无人机返回地面；
19.无人机平台不具备无线数据传输的能力时，成像数据在无人机平台机上存储，红外成像系统连续保持高速成像，覆盖激光足印到达地面时刻后，关闭红外激光成像系统，各无人机返回地面。
20.一种无人机的地面激光足印数据采集系统，其包括：概算模块、采集条件确定模块、覆盖半径估算模块、位置及范围设置模块和数据采集模块；
21.所述概算模块，用于概算卫星激光足印点过境时刻及激光足印点预定位置坐标；
22.所述采集条件确定模块，对激光足印点预定位置坐标区域进行区域及地形考察，确定是否具备采集条件；
23.所述覆盖半径估算模块,根据卫星轨道高度和激光测高系统的指向角偏差估计值，估算激光足印中心点地面偏差半径，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径；
24.所述位置及范围设置模块,根据激光足印的可能地面范围的覆盖半径，设置无人机空中悬飞位置，以及红外激光成像范围；
25.所述数据采集模块,由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，完成激光足印影像数据采集。
26.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。
27.一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。
28.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
29.1、本发明成本低。本发明可根据卫星激光足印大小与可能落地范围，以2架无低空无人机方案为例，组织2架低空无人机搭载红外激光成像系统进行激光足印影像采集，按照无人机20万/架、红外激光成像系统10万/个计算，装备成本约60万元。与布设地面探测器方案相比，按照地面探测器0.3万元/个、地面探测器数量需求500个计算，装备成本150万元。
30.2、本发明所需人员少，人力成本低。本发明只需要无人机测控人员、激光足印采集方案技术人员以及外协保障人员若干名，约10人左右。与布设地面探测器方案相比，探测器精密布设、外业gps测量、设备调试、安装全保障等，至少需要50人以上。
31.3、本发明机动灵活。本发明所需要投入的人员、装备少，设计灵活，可以在卫星过境前1天以内，完成系统准备，并开展数据采集工作。
32.4、本发明所采集的激光足印数据分辨率高、数据质量高。本发明利用红外激光成像系统采集激光足印影像数据，相对于空间离散、数量有限的几百个地面探测器而言，足印影像数据的空间分辨率可以达到2000
×
2000以上，足印影像数据的分辨率极高，足印中心点的提取与判断更加精确。
附图说明
33.图1是现有技术中的卫星激光测高示意图；
34.图2是本发明一实施例中的数据采集方法流程示意图；
35.图3是本发明一实施例中的激光足印的可能地面覆盖范围示意图；
36.图4是本发明一实施例中的红外激光成像范围示意图；
37.图5是本发明一实施例中的2架无人机激光足印影像采集组合示意图；
38.图6是本发明一实施例中的无人机的地面激光足印数据采集的综合示意图。
具体实施方式
39.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
41.本发明以搭载涵盖1064nm谱段红外成像系统的低空无人机为平台，通过在卫星激光测高系统激光足印过境前后预先设定的时间t内，对卫星激光足印投射范围进行连续高速成像，以捕捉并采集激光足印影像数据。
42.在本发明的一个实施例中，如图2所示，提供一种无人机的地面激光足印数据采集方法，该方法包括以下步骤：
43.步骤1、概算卫星激光足印点过境时刻及激光足印点预定位置坐标；
44.步骤2、对激光足印点预定位置坐标区域进行区域及地形考察，确定是否具备采集条件；
45.步骤3、根据卫星轨道高度和激光测高系统的指向角偏差估计值，估算激光足印中心点地面偏差半径，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径；
46.步骤4、根据激光足印的可能地面范围的覆盖半径，设置无人机空中悬飞位置，以及红外激光成像范围；
47.步骤5、由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，完成激光足印影像数据采集。
48.在一个优选的实施例中，步骤1中的概算卫星激光足印点过境时刻及激光足印点预定位置坐标，具体为：在激光足印采集工作前1
‑
2天，根据卫星轨道高度h、激光器设定的指向参数a及轨道运行模型，由卫星地面控制系统概算计算卫星激光足印点过境时刻t及激光足印点预定位置坐标(x，y)。
49.在一个优选的实施例中，步骤2中的确定是否具备采集条件，具体为：安排作业人员及低空无人机、红外激光成像系统载荷前往激光足印点预定位置坐标(x,y)区域，进行区域、地形考察与系统调试。在预定位置区域、地形可以实施激光足印采集作业时，安排后续工作；否则，重新计算其他卫星激光足印过境时刻t和激光足印点预定位置坐标(x,y)。
50.在一个优选的实施例中，步骤3中的计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径，具体为：在激光足印采集工作前5
‑
10小时，由卫星地面控制系统精确计算卫星激光足印点过境时刻t及激光足印点预定位置坐标(x,y)；以(x,y)为中心设计无人机平台激光足印相机采集的区域范围。根据卫星轨道高度h和激光测高系统的指向角偏差估计值θ，估算激光足印中心点地面偏差半径d，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径r。
51.优选的，计算方法包括以下步骤：
52.步骤31、计算由激光测高系统的指向角偏差引起的足印中心点地面的理论偏移；
53.具体的，由激光测高系统的指向角偏差引起足印中心点地面的理论偏移d为：
54.d＝h
×
tan(θ)；
55.步骤32、根据足印中心点地面的理论偏移获取实际激光足印中心点地面偏差；
56.具体的，考虑到卫星轨道、姿态以及模型等各方面误差，实际激光足印中心点地面偏差d
′
较理论偏差d大，例如扩大100米，则实际激光足印中心点地面偏差d
′
为：
57.d
′
＝d+100；
58.步骤33、根据实际激光足印中心点地面偏差及激光足印半径，计算得到激光足印的可能地面范围的覆盖半径；
59.具体的，考虑到激光足印半径r，计算激光足印的可能地面范围的覆盖半径r，如图3所示。r在地面偏差d’的基础上再增加r，即：
60.r＝d
′
+r。
61.在一个优选的实施例中，步骤4中的设置红外激光成像范围，包括：根据低空无人机平台悬飞高度h、光学系统的成像焦距f、红外传感器像元尺度a
×
b、像素数m
×
n，计算红外激光成像系统的成像范围a
×
b(如图4所示)：
[0062][0063][0064]
其中，a为成像范围的长度，b为成像范围的宽度。
[0065]
优选的，本实施例中采用的红外激光成像系统具备高速成像能力，成像帧频间隔t
n
小于激光脉冲时间长度t
m
的一半，即：
[0066][0067]
在一个优选的实施例中，步骤4中的设置无人机空中悬飞位置，包括：至少设置2架无人机，确定飞行高度为h，满足对激光足印可能范围2
×
r区域进行2～3度重叠成像，此时无人机的空中悬飞位置即为确定的无人机空中悬飞位置。
[0068]
为了更加可靠地采集激光足印影像，低空无人机红外激光成像系统须实现对激光足印潜在范围的2
‑
3度重叠度覆盖。如图5和图6所示。2个低空无人机平台u_1和u_2，飞行高度h，实现对激光足印可能范围2
×
r区域进行2度重叠成像，由此确定无人机空中悬飞位置。
[0069]
在一个优选的实施例中，步骤5中的由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，包括：
[0070]
在无人机平台具备无线数据传输的能力时，红外成像数据实时传送回地面控制中心，由地面控制中心查看激光足印影像数据采集情况，在获取到激光足印影像后，关闭红外激光成像系统，各无人机返回地面。
[0071]
在无人机平台不具备无线数据传输的能力时，成像数据在无人机平台机上存储，红外成像系统连续保持高速成像，覆盖激光足印到达地面时刻后，关闭红外激光成像系统，各无人机返回地面。
[0072]
在卫星过境后，检查红外激光成像系统采集的激光足印影像数据，完成激光足印影像数据采集。
[0073]
具体为：在卫星过境及激光足印点到达地面时刻t前1小时，启动搭载红外激光成
像系统的低空无人机平台，并达到预定空中位置，并处于悬飞状态。
[0074]
在卫星过境及激光足印点到达地面时刻t前10分钟，启动低空无人机平台搭载的红外激光成像系统，对地面进行完整的高速连续成像。
[0075]
在无人机平台具备无线数据传输的能力时，红外成像数据实时传送回地面控制中心；在无人机平台不具备无线数据传输的能力时，成像数据在无人机平台机上存储，红外成像系统连续保持高速成像20分钟。
[0076]
在本发明的一个实施例中，提供一种无人机的地面激光足印数据采集系统，其包括：概算模块、采集条件确定模块、覆盖半径估算模块、位置及范围设置模块和数据采集模块；
[0077]
概算模块，用于概算卫星激光足印点过境时刻及激光足印点预定位置坐标；
[0078]
采集条件确定模块，对激光足印点预定位置坐标区域进行区域及地形考察，确定是否具备采集条件；
[0079]
覆盖半径估算模块,根据卫星轨道高度和激光测高系统的指向角偏差估计值，估算激光足印中心点地面偏差半径，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径；
[0080]
位置及范围设置模块,根据激光足印的可能地面范围的覆盖半径，设置无人机空中悬飞位置，以及红外激光成像范围；
[0081]
数据采集模块,由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，完成激光足印影像数据采集。
[0082]
本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。
[0083]
本发明一实施例中提供的计算设备可以是终端，其可以包括：处理器(processor)、通信接口(communications interface)、存储器(memory)、显示屏和输入装置。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。该处理器用于提供计算和控制能力。该存储器包括非易失性存储介质、内存储器，该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现一种数据采集方法；该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过wifi、管理商网络、nfc(近场通信)或其他技术实现。该显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行如下方法：
[0084]
概算卫星激光足印点过境时刻及激光足印点预定位置坐标；对激光足印点预定位置坐标区域进行区域及地形考察，确定是否具备采集条件；根据卫星轨道高度和激光测高系统的指向角偏差估计值，估算激光足印中心点地面偏差半径，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径；根据激光足印的可能地面范围的覆盖半径，设置无人机空中悬飞位置，以及红外激光成像范围；由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，完成激光足印影像数据采集。
[0085]
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件
产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0086]
在本发明的一个实施例中，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：概算卫星激光足印点过境时刻及激光足印点预定位置坐标；对激光足印点预定位置坐标区域进行区域及地形考察，确定是否具备采集条件；根据卫星轨道高度和激光测高系统的指向角偏差估计值，估算激光足印中心点地面偏差半径，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径；根据激光足印的可能地面范围的覆盖半径，设置无人机空中悬飞位置，以及红外激光成像范围；由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，完成激光足印影像数据采集。
[0087]
在本发明的一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：概算卫星激光足印点过境时刻及激光足印点预定位置坐标；对激光足印点预定位置坐标区域进行区域及地形考察，确定是否具备采集条件；根据卫星轨道高度和激光测高系统的指向角偏差估计值，估算激光足印中心点地面偏差半径，进而计算地面激光足印的可能地面范围的覆盖半径；根据激光足印的可能地面范围的覆盖半径，设置无人机空中悬飞位置，以及红外激光成像范围；由无人机平台搭载设定好成像范围的红外激光成像系统，在悬飞位置对地面进行完整的高速连续成像，完成激光足印影像数据采集。
[0088]
上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。
[0089]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0090]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0091]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0092]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。