基于无人机遥感平台图像采集处理系统的研究

摘要

精细农业要求掌握田间土壤肥力状态和农作物生长状态在时间上和空间上的差异性，生产人员针对这种差异性提出相应的田间管理手段。遥感是获取农田信息的一种重要手段，传统的农业遥感手段主要有卫星遥感和载人飞机遥感，这两种遥感方式成本高而且周期较长无法满足精细农业提出的要求，甚至阻碍了精细农业的发展和推广。近年来随着无人机技术在民用领域的扩展，无人机成为农业领域的一个新的研究热点，利用无人机作为遥感平台对农田进行低空遥感成为一种合理的设想。无人机具有机动灵活、操纵简单、成本低廉、安全可靠等优点，它能够在一定程度上摆脱天气这一不可控因素对农业遥感的限制。本论文基于无人机遥感平台开发了一套遥感定点控制系统、介绍了图像数据压缩算法并开发了图像数据的准实时传输软件，完善了无人机遥感平台的功能，论文主要研究内容和取得成果有：
　　 (1)开发了一套基于ARM处理器的单反相机控制板。单反相机控制板是本论文的硬件核心，采用基于ARM11内核的53C6410芯片，控制板使用5V2A的移动电源供电。控制板上设计有：1)有线网络模块。有线网络模块可以在软件调试阶段通过网线与主机传输数据。经实验该模块能够很好地工作，控制板与主机通过网线连接后网卡的驱动模块能够立即识别并建立连接。2)USB模块。控制板通过USB模块与相机相连，控制板上的程序可以通过USB连接线向相机发送命令，相机可以通过USB连接线向控制板发送采集到的图像数据。3)WiFi模块。控制板通过WiFi模块与地面接收机组成无线局域网，相机采集到的数据经过压缩后可以通过这个无线局域网传输到地面。实际使用效果表明该控制板稳定可靠，各模块能够协同工作。
　　 (2)向相机控制板移植了嵌入式Linux操作系统。通过分析比较几种常用嵌入式操作系统的优缺点后，确定嵌入式Linux操作系统是最合适的，将该系统交叉编译移植到控制板中。在PC机上安装了桌面版Linux系统--Ubuntu的虚拟机，下载Linux内核2.6.36，并在虚拟机里交叉编译后用SD卡烧入控制板，由于要编译和测试相机控制软件，所以先选用NFS作为临时根文件系统。移植结果表明Ubuntu系统与本论文使用的相机控制软件具有很好地兼容性，NFS根文件系统为嵌入式软件开发提供了很大的便利。
　　 (3)向控制板移植相机控制软件。Gphoto2是一款由Linux爱好者开发的数码相机控制软件，它遵循GPL协议，所有的源码都是公开的，从其官网上下载源码，针对ARM控制板配置移植信息，交叉编译后移植安装到控制板上。通过Gphoto2软件能够对单反相机的绝大多数参数进行设置，在本论文中使用了它的拍照指令和数据存储指令，其他参数在飞机起飞之前直接在相机上进行设置。当无人机起飞后遥感控制软件不断检测无人机上GPS装置传回的GPS信号，当它与预设值相同时调用Gphoto2的拍照命令进行图像数据采集，并将这些数据转存到开发板的内存中。实验表明Nikon D90单反相机支持控制板上的Gphoto2软件，控制板上发出的拍照命令被相机接收并执行，图像数据能够及时地传输到控制板的存储器上。
　　 (4)介绍了两种类型图像压缩算法。压缩算法分为有损压缩和无损压缩，由于本论文采用的Nikon D90相机拍摄的图片大小最大值不超过20MB，所以尝试采用经典的无损编码算法--哈夫曼编码法对相机获得的NEF格式文件进行压缩，但实验结果表明该压缩效果很不明显。论文还讨论了一种可能的高光谱图像压缩方法，为以后使用高光谱相机做一些准备工作。
　　 (5)实现无线局域网图像数据传输。本文分析讨论了几种无线数据传输技术，综合考虑传输速度、传输距离以及可用性，采用无线WiFi的方式来传输图像数据。无人机遥感平台上的控制板通过无线网卡和的地面上的接收机组成无线局域网，用套接字编程实现TCP协议来传输数据。