一种基于航空遥感系统的主动遥感航线设计方法

1.本发明涉及一种遥感和导航领域，具体涉及一种基于航空遥感系统的主动遥感航线设计方法。


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主动遥感航线设计方法，根据航空遥感系统中不同主动遥感设备的已知参数进行计算，然后生成统一的飞行航线计划，在同时满足不同主动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主动遥感航线设计方法，包括以下步骤：步骤1）计算不同主动遥感设备的相对航高；所述不同主动遥感设备为机载激光雷达类型的主动遥感设备、机载合成孔径雷达类型的主动遥感设备和机载微波散射计类型的主动遥感设备；步骤2）确认最终实际飞行时的相对航高；
步骤3）计算不同主动遥感设备的旁向覆盖宽度；步骤4）计算不同主动遥感设备的航线数量及位置；步骤5）确定用于扩展航线的基础航线组；步骤6）计算扩展航线；步骤7）确定最终实际飞行时的航线。
6.进一步地，所述步骤1中，对于机载激光雷达类型的主动遥感设备，根据公式（1）计算其相对航高：
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（1）其中，h
l
是机载激光雷达的相对航高，单位是m；f是机载激光雷达的脉冲频率，可经过设置而改变，单位是khz；ρ是机载激光雷达的点云密度，单位是pts/m
²
；v是遥感飞机的速度，对所有的遥感设备都是固定值，单位是m/s；α是机载激光雷达的视场角，可经过设置而改变，单位是度；其中，若航空遥感任务指标要求激光雷达的点云密度最小值是ρ
0a
，则ρ≥ρ0；其中，安装在同一遥感飞机上的不同机载激光雷达，其脉冲频率和视场角各不相同，根据公式（1），得到不同的相对高度值：；对于机载合成孔径雷达类型的主动遥感设备，由于其影像分辨率不受相对航高的影响，其相对航高采用遥感飞机的最高飞行相对航高hs；对于机载微波散射计类型的主动遥感设备，由于其数据不受相对航高的影响，其相对航高采用遥感飞机的最高飞行相对航高hs。
7.进一步地，所述步骤2中，在中选择最大的值，比较和hs的大小：若，则hs是最终实际飞行时的相对航高hf；若，则是最终实际飞行时的相对航高hf；根据确定的最终实际飞行时的相对航高hf和公式（2）计算满足ρ≥ρ0的不同机载激光雷达的脉冲频率和视场角：
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（2）其中，机载激光雷达的脉冲频率f和视场角α均在某一范围内取值，不同的机载激光雷达，其取值范围不同；进一步得到不同机载激光雷达的视场角：α1、α2···
αn。
8.进一步地，所述步骤3中，对于机载激光雷达类型的主动遥感设备，根据其视场角和相对航高计算激光点云在地面的旁向覆盖宽度：
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（3）其中，l
l
是机载激光雷达的激光点云在地面上的旁向覆盖宽度，hf是遥感飞机最终
实际飞行时的相对航高，α是机载激光雷达的视场角；不同机载激光雷达的视场角是α1、α2···
αn，则对应的地面旁向覆盖宽度是；对于机载合成孔径雷达类型的主动遥感设备，根据其波束宽度、擦地角及相对航高计算雷达影像在地面的旁向覆盖宽度：（4）其中，ls是机载合成孔径雷达的影像在地面上的旁向覆盖宽度，hf是遥感飞机最终实际飞行时的相对航高，β是机载合成孔径雷达的波束宽度，γ是机载合成孔径雷达的擦地角；不同的机载合成孔径雷达或者相同的机载合成孔径雷达均可以设置不同的波束宽度和擦地角，即(β1,γ1)、(β2,γ2)
···
(βn,γn)，则对应的地面旁向覆盖宽度是；对于机载微波散射计类型的主动遥感设备，根据其入射角和相对航高计算入射波束在地面的旁向覆盖宽度： l
sc
=2hftanθ
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（5）其中，l
sc
是机载微波散射计的入射波束在地面上的旁向覆盖宽度，hf是遥感飞机最终实际飞行时的相对航高，θ是机载微波散射计的入射角；不同机载微波散射计的入射角是θ1、θ2···
θn，则对应的地面旁向覆盖宽度是。
9.进一步地，所述步骤4中，根据主动遥感设备的数据在地面上的旁向覆盖宽度l、飞行测区范围、最终实际飞行时的相对航高hf、旁向重叠率和dem设计飞行航线，计算不同主动遥感设备对应飞行航线的数量n和位置；其中，l包括机载合成孔径雷达的影像在地面上的旁向覆盖宽度ls、机载微波散射计的入射波束在地面上的旁向覆盖宽度l
sc
；飞行测区范围和dem是固定值；相邻航线之间具有重叠，以保证覆盖整个飞行测区；地形起伏影响旁向重叠率，引起航线间隔的变化；
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（6）式中h为地面起伏点相对于平均高程基准面的高差，hf是最终实际飞行时相对航高，q为实际旁向重叠率，q'为计划的旁向重叠率；地面起伏点相对于平均高程基准面的高差h从dem中获取，根据式（6），计算出实际旁向重叠率，然后计算相邻航线的间隔：d=l
×qꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）按照上面的公式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。
10.进一步地，所述步骤5中，当敷设的航线覆盖整个飞行测区范围以后，不同的主动遥感设备敷设出来的飞行航线数量不同：对于机载激光雷达类型的主动遥感设备，选择航线最多的一组航线，其航线数量
是；对于机载合成孔径雷达类型的主动遥感设备，选择航线最多的一组航线，其航线数量是；对于机载微波散射计类型的主动遥感设备，选择航线最多的一组航线，其航线数量是；比较三者的大小，选择最大的数值对应的航线组为基础航线组。
11.进一步地，所述步骤6中，当基础航线组是对应的一组航线fp
l
时，根据航线数量是的机载合成孔径雷达的参数：雷达影像在地面上的旁向覆盖宽度、飞行测区范围、最终相对航高hf、旁向重叠率和dem，按照公式（6）和公式（7）计算扩展航线组fp
exp
，直到完全覆盖和对应的那两组航线为止；当基础航线组是对应的一组航线fps时，根据航线数量是的机载合成孔径雷达的参数：雷达影像在地面上的旁向覆盖宽度、飞行测区范围、最终实际飞行时的相对航高hf、旁向重叠率和dem，按照公式（6）和公式（7）计算扩展航线组fp
exp
，直到完全覆盖和对应的那两组航线为止；当基础航线组是对应的一组航线fp
sc
时，根据航线数量是的机载合成孔径雷达的参数：雷达影像在地面上的旁向覆盖宽度、飞行测区范围、最终相对航高hf、旁向重叠率和dem，按照公式（6）和公式（7）计算扩展航线组fp
exp
，直到完全覆盖和对应的那两组航线为止；基础航线组加上扩展航线组即为最终实际飞行时的航线组，此时，基于航空遥感系统的主动遥感航线设计完成。
12.本发明的优点在于：1、实现一机多用，通过一次飞行，就可以获取多种主动遥感数据，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、性能不同等问题，可以生成一系列等效参数，如相对航高、点云密度、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
13.图1为本发明的基于航空遥感系统的主动遥感航线设计方法流程图；图2为本发明的不同主动遥感设备数据采集方式示意图；图3a，图3b，图3c为本发明的不同主动遥感设备视场角、波束宽度、擦地角、入射角等与相对航高、旁向覆盖宽度关系示意图；其中，图3a为激光雷达视场角α与相对航高hf、旁向覆盖宽度l
l
关系示意图，图3b为微波散射计入射角θ与相对航高hf、旁向覆盖宽度l
sc
关系示意图，图3c为合成孔径雷达波束宽度β、擦地角γ与相对航高hf、旁向覆盖宽度ls关系示意图；图4a，图4b，图4c，图4d为本发明的不同主动遥感设备航线敷设示意图；其中，图4a为激光雷达航线敷设示意图，图4b为微波散射计航线敷设示意图，图4c为合成孔径雷达航线敷设示意图，图4d为最终实际飞行时的航线敷设示意图。
具体实施方式
14.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。
15.参见图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主动遥感航线设计方法，根据航空遥感系统中不同主动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。所述不同主动遥感设备为机载激光雷达类型的主动遥感设备、机载合成孔径雷达类型的主动遥感设备和机载微波散射计类型的主动遥感设备。
16.本发明的基于航空遥感系统的主动遥感航线设计方法的步骤包括：步骤1）如图2所示，对于机载激光雷达类型的主动遥感设备，根据公式（1）计算其相对航高：
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（1）其中，h
l
是机载激光雷达的相对航高，单位是m；f是机载激光雷达的脉冲频率，可经过设置而改变，单位是khz；ρ是机载激光雷达的点云密度，单位是pts/m
²
；v是遥感飞机的速度，对所有的遥感设备都是固定值，单位是m/s；α是机载激光雷达的视场角，可经过设置而改变，单位是度；其中，若航空遥感任务指标要求激光雷达的点云密度最小值是ρ0，则ρ≥ρ0；其中，安装在同一遥感飞机上的不同机载激光雷达，其脉冲频率和视场角各不相同，根据公式（1），可以得到不同的相对高度值：。
17.对于机载合成孔径雷达类型的主动遥感设备，由于其影像分辨率不受相对航高的影响，其相对航高采用遥感飞机的最高飞行相对航高hs。
18.对于机载微波散射计类型的主动遥感设备，由于其影像分辨率不受相对航高的影响，其相对航高采用遥感飞机的最高飞行相对航高hs。
19.步骤2）在中选择最大的值，比较和hs的大小：若，则hs是最终实际飞行时的相对航高hf；若，则是最终实际飞行时的相对航高hf。
20.根据确定的相对航高hf和公式（2）计算满足ρ≥ρ0的不同机载激光雷达的脉冲频率f和视场角α：
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（2）其中，机载激光雷达的脉冲频率f和视场角α均在某一范围内取值，不同的机载激光雷达，其取值范围不同。
21.进一步得到不同机载激光雷达的视场角：α1、α2···
αn。
22.步骤3）如图3a，图3b，图3c所示，对于机载激光雷达类型的主动遥感设备，根据其视场角αn和相对航高hf计算激光点云在地面的旁向覆盖宽度：
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（3）其中，l
l
是机载激光雷达的激光点云在地面上的旁向覆盖宽度，hf是遥感飞机实际飞行时最终的相对航高，α是机载激光雷达的视场角。不同机载激光雷达的视场角是α1、α2···
αn，则对应的地面旁向覆盖宽度是。
23.对于机载合成孔径雷达类型的主动遥感设备，根据其波束宽度、擦地角及相对航高计算雷达影像在地面的旁向覆盖宽度：（4）其中，ls是机载合成孔径雷达的影像在地面上的旁向覆盖宽度，hf是遥感飞机实际飞行时最终的相对航高，β是机载合成孔径雷达的波束宽度，γ是机载合成孔径雷达的擦地角。不同的机载合成孔径雷达或者相同的机载合成孔径雷达均可以设置不同的波束宽度和擦地角，即(β1,γ1)、(β2,γ2)
···
(βn,γn)，则对应的地面旁向覆盖宽度是。
24.对于机载微波散射计类型的主动遥感设备，根据其入射角θ和相对航高hf计算入射波束在地面的旁向覆盖宽度： l
sc
=2hftanθ
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（5）其中，l
sc
是机载微波散射计的入射波束在地面上的旁向覆盖宽度，hf是遥感飞机最终实际飞行时的相对航高，θ是机载微波散射计的入射角。不同机载微波散射计的入射角是θ1、θ2···
θn，则对应的地面旁向覆盖宽度是。
25.步骤4）根据主动遥感设备的数据在地面上的旁向覆盖宽度l、飞行测区范围、最终实际飞行时的相对航高hf、旁向重叠率和dem设计飞行航线，计算不同主动遥感设备对应飞行航线的数量n和位置。其中，l包括机载合成孔径雷达的影像在地面上的旁向覆盖宽度ls、机载微波散射计的入射波束在地面上的旁向覆盖宽度l
sc
。
26.其中，飞行测区范围和dem是固定值。
27.相邻航线之间需要有重叠，以保证覆盖整个飞行测区；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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（6）式中h为地面起伏点相对于平均高程基准面的高差，hf是最终实际飞行时的相对航高，q为实际旁向重叠率， q'为计划的旁向重叠率；地面起伏点相对于平均高程基准面的高差h从dem中获取，根据式（5），能够计算出实际旁向重叠率，然后计算相邻航线的间隔：d=l
×qꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）按照上面的公式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。
28.步骤5）如图4a，图4b，图4c，图4d所示，当敷设的航线覆盖整个飞行测区范围以后，不同的主动遥感设备敷设出来的飞行航线数量不同：对于机载激光雷达类型的主动遥感设备，选择航线最多的一组航线，其航线数量是；对于机载合成孔径雷达类型的主动遥感设备，选择航线最多的一组航线，其航线数量是；对于机载微波散射计类型的主动遥感设备，选择航线最多的一组航线，其航线数量是；比较三者的大小，选择最大的数值对应的航线组为基础航线组；步骤6）当基础航线组是对应的一组航线fp
l
时，根据航线数量是的机载合成孔径雷达的参数：雷达影像在地面上的旁向覆盖宽度、飞行测区范围、最终的相对航高hf、旁向重叠率和dem，按照公式（6）和公式（7）计算扩展航线组fp
exp
，直到完全覆盖和对应的那两组航线为止；当基础航线组是对应的一组航线fps时，根据航线数量是的机载合成孔径雷达的参数：雷达影像在地面上的旁向覆盖宽度、飞行测区范围、最终实际飞行时的相对航高hf、旁向重叠率和dem，按照公式（6）和公式（7）计算扩展航线组fp
exp
，直到完全覆盖和对应的那两组航线为止；当基础航线组是对应的一组航线fp
sc
时，根据航线数量是的机载合成孔径雷达的参数：雷达影像在地面上的旁向覆盖宽度、飞行测区范围、最终实际飞行时的相对航高hf、旁向重叠率和dem，按照公式（6）和公式（7）计算扩展航线组fp
exp
，直到完全覆盖和对应的那两组航线为止；基础航线组加上扩展航线组即为最终实际飞行时的航线组，此时，基于航空遥感系统的主动遥感航线设计完成。根据本发明的一个实施例，所述步骤1）中的主动遥感设备
包括不同型号的机载激光雷达、机载合成孔径雷达、机载微波散射计等；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）中的机载合成孔径雷达的工作模式是侧视扫描，即向左侧发射微波波束扫描或向右侧发射微波波束扫描；机载激光雷达是下视扫描，即垂直向下发射激光束扫描；机载微波散射计是下视圆锥扫描，即垂直向下发射圆锥状的微波波束扫描。三者采集的遥感数据所对应的地面覆盖范围不同。
29.根据本发明的一个实施例，所述步骤2）中选择最大的相对航高作为机载激光雷达最终实际飞行的相对航高，一是为了减少机载激光雷达的飞行航线，提高其工作效率；二是为了尽可能接近机载合成孔径雷达和机载微波散射计的相对航高，确保机载合成孔径雷达和机载微波散射计不用增加冗余的飞行航线，避免其工作效率降低。因为相对航高越高，飞行航线就越少，任务就能越快完成。由于有的机载激光雷达的相对航高增加了，对应的点密度可能会小于ρ0，即不能满足航空遥感任务的指标要求，这时就需要在脉冲频率f和视场角α的取值范围内选择合适的数值，以满足计算出来的点密度≥ρ0，同时，需要在对应机载激光雷达遥感设备上进行参数更改。另一种保证点密度达标的方法是：由于机载合成孔径雷达的工作模式是侧视扫描，即向左侧发射微波波束扫描或向右侧发射微波波束扫描，遥感飞机只能从航线组一侧进入才能保证机载合成孔径雷达采集到侧视扫描的遥感数据，而机载激光雷达是下视扫描，遥感飞机从航线组两侧进入均可以保证机载激光雷达采集到遥感数据，为了确保遥感飞机飞完机载合成孔径雷达的所有航线，遥感飞机需要从航线组另一侧进入并飞完相同数量的航线，这些航线中势必存在相同的航线，即重复飞行的航线，此时机载激光雷达同时采集两遍这些重复飞行的航线，即可增加其点密度，同样可以弥补因遥感飞机相对航高的增加导致点密度减小的缺陷。
30.根据本发明的一个实施例，所述步骤6）中最终实际飞行时的航线数量要多于所有主动遥感载荷的有效飞行航线数量，即各主动遥感设备的有效飞行航线要少于最终实际飞行时的航线，这是为了确保所有主动遥感设备采集的遥感数据均能够覆盖测区范围。各主动遥感设备存在不同的冗余飞行航线，各主动遥感设备可以采集这些航线对应的遥感数据，也可以不采集，取决于遥感任务的安排。
31.根据本发明的一个实施例，所述步骤4）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。
32.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。