[發明專利]基于多無人機和機器視覺的云觀測系統及方法

有效

• 申請號: 202011261879.7
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112347956B
• 公開（公告）日: 2022-05-06
• 發明（設計）人: 馬建;曾錚;魏照宇;周磊;張寅丁
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06V20/17
• 分類號: G06V20/17;G06V10/74;G06V20/10;G06T7/11;G06T7/136;G06T7/20;G06T7/70;G06T17/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種基于多無人機和機器視覺的云觀測系統，包括觀測單元、定位航姿單元、視覺圖像匹配單元和云體三維風速場重建單元，觀測單元至少兩臺無人機協同注視云團拍攝視頻，定位航姿單元精確獲知和控制無人機搭載攝像頭的間距與姿態角度；視覺圖像匹配單元利用定位航姿單元獲得的無人機拍攝的云團形態與其他無人機拍攝的紅光圖像作多區域空間相關系數，尋找像素級別的最高相關點來匹配；云體三維風速場重建單元利用同一時刻同一云團在多無人機的像素位置，以及無人機在此時刻的定位航姿參數，運用三維多視圖射影幾何算法重建云微團的三維位置。本發明通過對云體進行立體觀測并重建其三維風速場系統及方法，解決了現有的各種云體觀測存在的問題。

技術領域

本發明涉及基于無人機和機器視覺觀測技術領域多，具體地，涉及一種基于多無人機和機器視覺的云觀測系統及方法。

背景技術

全球氣候變化已經成為當今最受科學界和公眾矚目的研究領域之一。目前對未來氣候的預估，尤其是云輻射反饋的貢獻仍然有巨大的不確定性。要充分理解云輻射反饋背后的基本物理機制，需要精細的三維云體時空數據以研究對流熱動力過程。

目前傳統云觀測有衛星光學觀察、衛星CT技術、飛機穿云、多普雷雷達和地面光學觀察等多種方法，但均無力解決目前的觀測瓶頸：

對于衛星光學觀察的觀測瓶頸在于，通過可見光和紅外線觀測可反演云量、云頂高度、溫度、氣壓和可降水量等，但無法獲得云體的三維風速場。

對于衛星CT技術的觀測瓶頸在于，雖然可以獲取氣溶膠或云在一定時空范圍內的三維切片結構，但衛星距離太遠分辨率很低(分辨率至多一公里)且CT技術無法實時重建云結構得到三維風速。

對于飛機穿云方法的觀測瓶頸在于，雖然可以觀測對流云熱動力性質，但即使采用多架飛機探測，得到的只是某一時刻，在某幾個空間點變量，無法得到高分辨率持續追蹤的三維風速場。

對于多普勒雷達的觀測瓶頸是在于，雖然可以觀測大尺度云風速，但其分辨率低，且只能探測云團的法向速度和測量雷達波發送的特定角度信號，也不能得到三維的風速場。

對于地面光學觀測有兩種方法：光流法和機器視覺，這兩種方法由于觀測設備都位于地面或建筑物頂，觀測瓶頸在于角度只能從下向上觀測，只能得到云底二維風速，無法監測三維對流風速；而且光流法只考慮平流作用，假定云微團沒有隨體變化，而忽略了重要物理過程如云滴生消、挾卷混合等，這會在求解風速時引入較大系統誤差。

綜上，現有的各種觀測方法均無法獲得研究對流熱動力過程所需要的高精度三維風速場數據。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于多無人機的云觀測系統，本發明對云體進行觀測并重建其三維風速場的方法及系統。解決了現有的各種云體觀測技術分辨率低、無法獲得三維結構、無法持續追蹤等問題。

根據本發明提供的一種基于多無人機的云觀測系統，包括：

觀測單元：至少兩臺無人機協同注視云團拍攝視頻，得到至少兩組從不同視角同時觀測的圖像，可以使用對比度最強的紅光通道進行圖像匹配；

定位航姿單元：觀測單元匹配圖像精準定位云微團的同時，定姿單元精確獲知和控制無人機搭載攝像頭的間距與姿態角度；

視覺圖像匹配單元：之后利用觀測單元獲得的無人機拍攝的云團形態與其他無人機拍攝的紅光圖像作多區域空間相關系數，尋找像素級別的最高相關點來匹配；

云體三維風速場重建單元：利用同一時刻同一云團在多無人機的像素位置，以及定位航姿單元獲得的無人機在此時刻的定位航姿參數，運用三維多視圖射影幾何算法重建云微團的三維位置。

優選地，觀測單元在觀測地點附近，多無人機在相近位置升空至指定高度和指定基線距離,對云團進行持續跟蹤觀測。