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1、中学组二等奖优秀作品卫星导航系统与红外遥感技术结合在野生动物保护方面的应用2关于车辆自动驾驶的探究9基于GNSS定位的大熊猫保护动态监控系统12尾生抱“镜”19“外星”历险记24北斗刊报29大搬家33群体式球形组合机器人41第二届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛优秀作品（中学组） 科技小论文卫星导航系统与红外遥感技术结合在野生动物保护方面的应用作者：赵彦杰，王少靖，宋瑞媛，段磊指导教师：梁翠萍（榆次一中高0902班，山西 晋中030600）【摘要】 通过预想设计了一套卫星导航与红外遥感技术结合的系统，即利用红外线遥感技术，高空成像，对野生动物保护区及生活着野生动物的海洋进行全天候监测，一旦出现
2、异常情况，立即定位，再通过卫星导航系统帮助工作者前往目的地实施相应解决方案。该系统可实现保护区缩小化、工作目的化、分工明确化，以及保护科学化，能很大程度地提高保护工作的效率，提高野生动物保护的力度，将野生动物保护工作提升到一个新高度。【关键词】 卫星导航系统、红外线遥感技术、野生动物保护一、背景及意义中国是濒危动物分布大国。据不完全统计，仅列入濒危野生动植物种国际贸易公约附录的原产于中国的濒危动物有120多种（指原产地在中国的物种），列入国家重点保护野生动物名录的有257种，列入中国濒危动物红皮书的鸟类、两栖爬行类和鱼类有400种，列入各省、自治区、直辖市重点保护野生动物名录的还有成百上千种。
3、随着经济的持续快速发展和生态环境的日益恶化以及偷猎者的贪欲依然存在，中国的濒危动物种类还会增加。有一个良好的监测及导航系统，将分布有濒危野生动物的广阔地区通过屏幕影像尽收监测人员眼底，实现保护区缩小化、工作目的化、分工明确化、保护科学化，这样就能很大程度地提高保护工作的效率，加大对野生动物的保护力度，使濒危动物的种类增加的速率大幅度减小。二、卫星导航系统1、概念卫星导航系统，就是“全球卫星导航系统”。主要采用最新的GPS技术在导航通讯领域的应用的系统。是利用导航卫星发射的无线电信号，求出载体相对卫星的位置，再根据已知的卫星相对地面的位置，计算并确定载体在地球上的位置的技术。2、优点卫星导航系统
4、综合了传统导航系统的优点，真正实现了各种天气条件下全球高精度被动式导航定位。特别是时间测距卫星导航系统，不但能提供全球和近地空间连续立体覆盖、高精度三维定位和测速，而且抗干扰能力强。3、组成（1）导航卫星：卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。 （2）地面台站：跟踪、测量和预报卫星轨道并对卫星上设备工作进行控制管理，通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分。跟踪站用于跟踪和测量卫星的位置坐标。遥测站接收卫星发来的遥测数据，以供地面监视和分析卫星上设备的工作情况。计算中心根据这些信息计算卫星的轨道，预报下一段时间内的轨道参数，确定需要传输给卫星的导航信息，并由
5、注入站向卫星发送。 （3）用户定位设备：通常由接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组成。它接收卫星发来的微弱信号,从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等,同时测出导航参数（距离、距离差和距离变化率等），再由计算机算出用户的位置坐标（二维坐标或三维坐标）和速度矢量分量。用户定位设备分为船载、机载、车载和单人背负等多种型式。 4、几何定位原理卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等系统，其中测角法和组合法因精度较低等原因没有实际应用。 （1）多普勒测速定位“子午仪”卫星导航系统采取这种方法。用户定位设备根据从导航卫星上接收到的信号频率与卫星上发送的信号
6、频率之间的多普勒频移测得多普勒频移曲线，根据这个曲线和卫星轨道参数即可算出用户的位置 （2）时间测距导航定位“导航星”全球定位系统采用这种体制。用户接收设备精确测量由系统中 4颗卫星发来信号的传播时间，然后完成一组包括 4个方程式的模型数学运算，就可算出用户位置的三维坐标以及用户钟与系统时间的误差。 5、定位精度用户利用导航卫星所测得的自身地理位置坐标与其真实的地理位置坐标之差称定位误差，它是卫星导航系统最重要的性能指标。定位精度主要决定于轨道预报精度、导航参数测量精度及其几何放大系数和用户动态特性测量精度。轨道预报精度主要受地球引力场模型影响和其他轨道摄动力影响；导航参数测量精度主要受卫星和
7、用户设备性能、信号在电离层、对流层折射和多路径等误差因素影响，它的几何放大系数由定位期间卫星与用户位置之间的几何关系图形决定；用户的动态特性测量精度是指用户在定位期间的航向、航速和天线高度测量精度。 三、红外线系统1、定义自然界中,一切温度高于绝对零度摄氏-273.16的物体都不断地辐射着红外线,这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波，它是由物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射，是电磁频谱的一部分,其波段介于可见光和微波波段之间(0.761000微米)。通常按波长把红外光谱分成4个波段:近红外（0.763微米）、中红外（36微米）、中远红外（620微米）和远红外（201000微
8、米）。2、工作原理一切物体都有其自身的红外辐射特性。为研究各种不同物体的红外辐射，人们用理想辐射体绝对黑体（简称黑体）作基准。能吸收全部入射的辐射而没有反射的物体称为黑体。良好的吸收体必然也是良好的辐射体,因此黑体的辐射效率最高，其比辐射率定为1。任何实际物体的辐射发射量与同一温度下黑体的辐射发射量之比,称为该物体的比辐射率，其值总是小于1。物体的比辐射率，与物体的材料种类、表面特性、温度、波长等因素有关。黑体的辐射特性可用普朗克定律描述，该定律给出了黑体辐射作为温度函数的光谱分布。对某一温度，辐射量最大的波长与其温度的乘积为常数，这个关系称维恩定律（适用于在温度较低，波长较短的范围内）。对所
9、有波长积分所得到的总辐射量与温度的四次方成正比，这个关系称为斯蒂芬玻尔兹曼定律。物体发出的辐射，大都要通过大气才能到达红外光学系统。由于大气中二氧化碳、水汽等气体对红外辐射会产生选择性吸收和其他微粒的散射，使红外辐射发生不同程度的衰减。人们把某些衰减较小的波段，称为大气窗口。在0.7620微米波段内有3个大气窗口:12.7微米,35微米，814微米。目前红外系统所使用的波段，大都限于上述大气窗口之中（大气窗口还与大气成份、温度和相对湿度等因素有关）。由于红外系统所探测的目标处于各自的特定背景之中，从而使探测过程复杂化。因此，在设计红外系统时，不但要考虑红外辐射在大气中的传输效应，还要采用抑制背
10、景技术，以提高红外系统探测和识别目标的能力。3、分类红外系统按工作原理，可分为主动式和被动式两类。主动式系统需自带红外光源照射目标；被动式系统则直接探测目标的红外辐射。后者是占主导地位的目前是军用红外系统，如热成像系统、搜索跟踪系统、红外辐射计和警戒系统等。4、红外线热成像仪原理及特点红外热成像仪是根据凡是高于一切绝对零度（-273.15）以上的物体都有辐射红外线的基本原理、利用目标和背景自身辐射红外线的差异来发现和识别目标的仪器。由于各种物体红外线辐射强度不同、从而使人、动物、车辆、飞机等清晰地被观察到，而且不受烟、雾及树木等障碍物的影响，白天和夜晚都能工作。 图1：红外成像部分温度与颜色的
11、关系四、应用1、制裁偷猎（1）对藏羚羊的残忍猎杀任何的美丽都需要或多或少的代价甚至牺牲来成就，这是个规律。“沙图什”也不例外，外表的绚美和华丽下隐匿了盗猎者对藏羚羊的罪恶，而触觉的温暖和柔软则使藏羚羊种群的危险处境变得日渐模糊。昂贵的价格包含了诱人的暴利，而暴利则使偷猎者对藏羚羊的捕猎和屠杀变得有恃无恐、明火执仗。偷猎分子也由过去的偷偷摸摸的单兵作战发展到现在的装备精良、分工明确、集体行动。 图1：被猎杀的藏羚羊（2）对猎杀行为的制裁传统的制裁方法是公安人员或保护者驱车在保护区巡逻，发现可疑人物或偷猎行为再进行制裁。由于保护区面积比较大，巡逻的方法很难及时知道何地在进行偷猎，往往是保护者发现时
12、，面前已经是一片残骸。而且保护工作还有一个难题，就是保护者的安全问题，为了逃避法律的制裁，盗猎分子形成了一个不成文的规矩，遇到公安巡逻人员，一律杀人灭口。虽然有关部门加强管理，严惩偷猎，严格执行国家颁布的野生动物保护法和各项保护野生动物法规，采取有力措施制止偷猎行为，坚决查处和打击各种偷猎、走私和贩运国家保护动物的犯罪分子，实行对濒危动物的重点保护，但是由于野生动物分布广阔，对于偷猎行为的及时发现与制裁就显得有些困难了。这就需要一套合理的系统将保护区缩小化、方便化，即卫星导航系统与红外遥感技术的结合。该系统利用红外遥感对野生动物保护区进行主动式探测，将所成影像传回保护区终端控制室，全天候了解保
13、护区各地野生动物的生活情况，若发现有异常情况（如图2图4），如偷猎者进行猎杀行为，放大影像确认后将偷猎者位置传给保护工作者，由卫星导航系统指引工作者前往目的地进行制裁。利用该系统，能够更快发现，更快制裁，使保护者目的盲目性降到了最低，大大提高了对野生动物的保护力度。而且保护者及公安人员能够了解偷猎人员的情况（如规模等），能够提前做好准备（如人员配备，枪支弹药的配备等），这样就能最大程度减小保护者的伤亡，为制裁猎杀做最好的准备。 图2：模拟红外成像中藏羚羊被猎杀一 图3：模拟红外成像中藏羚羊被猎杀二 图4：模拟红外成像中藏羚羊被猎杀三 2、生活环境监测保护濒危动物的生存环境、取食区域、繁殖条件、
14、求偶或迁徙通道，是恢复濒危动物种群的重点工作。例如对水污染的监测是保护海洋生物及开展相关工作的一大重要途径：（1）利用红外扫描仪监视石油污染 全球每年排入海洋的石油及其制品高达1000万吨，利用多光谱航片可对海面石油污染进行半定量分析，将彩色航片同步拍照与近红外片做的彩色密度分割图相比较，更精密地判断和解译信息，参照图片画出不同油膜厚度的大致分级图。通过彩色密度分割图像，特别是数字密度分割图，可以更准确地判断油量的分布情况。通过彩色密度分割可把相差零点零几厚度的海面油膜区分出层次来，这有利于用航空遥感对海面油的扩散分布和半定量研究。浓度大的地方是黄色，往外扩散的油膜变薄，呈黄紫混在一起的颜色，
15、再往外扩散的油膜就更薄些呈紫色。通过对污染发生后各天的气象卫星图像的对比分析，确定油膜的漂移方向，计算出其扩散速度和扩散面积。 图5：模拟红外扫描仪对海洋石油污染的监测（2）应用红外扫描仪监测水体热污染 应用红外扫描仪记录水体的热辐射能量，真实反映其温度差异。在热红外图像上，热水温度高，辐射能量多，呈浅色调。冷水和冰辐射能量少，呈深色调。热排水口处通常呈白色羽流，利用光学技术和计算机对热图像作密度分割，根据少量的同步实测水温，画出水体等温线。当监测到部分水体污染已经威胁到海洋生物的生存时，工作人员可利用卫星导航系统到该地进行治理，以保障海洋生物的正常生存环境。五、展望随着经济水平及人民生活水平的提高，人们不再是单纯地考虑物质生活方面的东西，而更多考虑的是精神方面的宝贵财富。野生动物作为地球家族的一员，承载着地球演变的历史，我们人类作为高等动物，理应在发展自己的同时，保护这些数量减少甚至濒危的野生动物。随着国家以
