張繼賢1，2，劉飛1，王堅3

1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院,徐州221116;2.國家測繪產(chǎn)品質(zhì)量檢驗測試中心,北京100830;3.北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院,北京100044

摘 要：地球空間信息是人工智能、大數(shù)據(jù)時代的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，輕小型無人機(jī)測繪遙感技術(shù)作為中國當(dāng)前和未來獲取厘米級分辨率、實時響應(yīng)遙感數(shù)據(jù)的主要手段，必將發(fā)揮更加重要的作用。本文首先介紹了固定翼、多旋翼、無人直升機(jī)以及飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和遙控遙測鏈路的發(fā)展現(xiàn)狀和潛在發(fā)展趨勢；其次重點研究了數(shù)碼相機(jī)、視頻攝像機(jī)、傾斜相機(jī)、激光雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)和定姿定位系統(tǒng)的利用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；然后總結(jié)分析了當(dāng)前無人機(jī)測繪遙感面臨的系統(tǒng)檢測、大范圍實時遙感和遙感大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)解譯方面的問題和挑戰(zhàn)；最后面向人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)背景給出了輕小型無人機(jī)測繪遙感技術(shù)在飛行控制智能化、測繪遙感作業(yè)智能化和實時、實景無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用模式創(chuàng)新等方面的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：輕小型無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)，測繪遙感載荷，人工智能，大數(shù)據(jù)

1 引 言

無人機(jī)UAV（Unmanned Aerial Vehicle）是一種機(jī)上無人駕駛的航空器，具有動力裝置和導(dǎo)航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設(shè)備或計算機(jī)預(yù)編程序自主控制飛行（李德仁和李明，2014）。自1917年第一架無線電控制的無人飛行器誕生，到了20世紀(jì)60年代無人機(jī)開始應(yīng)用在偵察領(lǐng)域（Gupta等，2013）。在1979年，Przybilla和Wester-Ebbinghaus開展了基于固定翼無人機(jī)的航空攝影測試，1980年該團(tuán)隊使用航模無人直升機(jī)開展了歷史上首次旋翼無人機(jī)航空攝影測試（Colomina 和Molina，2014）。2005年以后無人機(jī)測繪遙感技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段（Colomina 和Molina，2014），汶川地震等多次重大自然災(zāi)害應(yīng)急服務(wù)展示了輕小型無人機(jī)測繪遙感技術(shù)令人矚目的能力（廖小罕和周成虎，2016）。

近年來，輕小型無人機(jī)測繪遙感技術(shù)在國內(nèi)外得到極大的重視和發(fā)展。在國內(nèi)，“十一五”以來，科技部在“地球觀測與導(dǎo)航領(lǐng)域”支持的“863”計劃重點項目、重點研發(fā)計劃項目、科技支撐項目等與無人機(jī)直接相關(guān)項目7項，間接相關(guān)項目4項，占該領(lǐng)域總項目數(shù)的20%（晏磊等，2019）。2009年國家測繪地理信息局在全國31 省級測繪行政主管部門和重慶測繪院開展輕小型無人機(jī)航攝系統(tǒng)配備和推廣應(yīng)用工作（畢凱等，2015）。2010年民政部減災(zāi)中心聯(lián)合國內(nèi)無人機(jī)監(jiān)測的中堅力量，建立了無人機(jī)監(jiān)測隊伍的聯(lián)動機(jī)制，以便更快響應(yīng)重大災(zāi)害的應(yīng)急救災(zāi)工作。2011年國家海洋局開始在全國11個沿海省（區(qū)、市）各建設(shè)一個無人機(jī)基地，負(fù)責(zé)監(jiān)管轄海域無人機(jī)遙感監(jiān)測。2015 發(fā)布的年《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要（2015年—2030年）》要求重點推進(jìn)激光、雷達(dá)、傾斜攝影等新型傳感器數(shù)據(jù)獲取與應(yīng)用。2016年國家測繪地理信息局發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)應(yīng)急測繪保障服務(wù)能力建設(shè)的意見》，明確指出將無人機(jī)航空遙感平臺構(gòu)建、多類型傳感器集成以及地面指揮控制平臺配備等作為主要建設(shè)任務(wù)。2019年，教育部將航空攝影測量和無人機(jī)操控與維護(hù)專業(yè)納入了《中等職業(yè)學(xué)校專業(yè)目錄》，主要開設(shè)無人機(jī)測繪、地理信息采集、無人機(jī)裝配、無人機(jī)修理、無人機(jī)應(yīng)用、無人機(jī)操控等課程。2020年，人社部將“無人機(jī)裝調(diào)檢修工”納入國家職業(yè)分類目錄。國際方面，從2004年—2006年，美國國家航空航天局（NASA）就對民用無人駕駛飛行器的能力進(jìn)行評估。美國內(nèi)政部在2014年發(fā)布了“美國地質(zhì)調(diào)查無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)（UAS）路線圖2014”要求在廣闊的土地上獲取遙感數(shù)據(jù)，包括偏遠(yuǎn)和有潛在危險的地區(qū)（Cress等，2015）。歐盟在2007年對無人機(jī)的使用領(lǐng)域進(jìn)行了分析，并認(rèn)為對地觀測與遙感是一個重要的應(yīng)用方向（Sullivan 和Sullivan，2007；Yao 等，2019）。2018年發(fā)布的《歐洲地理空間產(chǎn)業(yè)展望報告》在GNSS與定位、GIS與空間分析、遙感3個類別的基礎(chǔ)上，增加了三維掃描，并預(yù)測該方向成為4個分類中增長最快的市場，將進(jìn)一步推動無人機(jī)實景三維的發(fā)展。2019年歐盟發(fā)布了無人機(jī)通用準(zhǔn)則，進(jìn)一步規(guī)范了無人機(jī)技術(shù)和操作要求。在俄羅斯、日本、加拿大等國家無人機(jī)測繪遙感技術(shù)也被廣泛應(yīng)用各行各業(yè)（Cherkasov 等，2018；Yamazaki 和Wen，2016；Whitehead 等，2014）。在國家政策、科技項目、重大工程項目、突發(fā)事件應(yīng)急救援和巨大的市場需求下，輕小型無人機(jī)測繪遙感技術(shù)與裝備取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，在測繪、應(yīng)急、減災(zāi)、農(nóng)林、國土、海洋等多個行業(yè)廣泛應(yīng)用（Gonzalo，2015），極大地提升了生產(chǎn)服務(wù)的質(zhì)量和效率。

隨著人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)快速發(fā)展，地球空間信息科學(xué)（李德仁，2016）逐漸邁入了智能化時代，輕小型無人機(jī)航攝遙感技術(shù)作為地球空間信息數(shù)據(jù)獲取的重要組成部分，迎來了高速發(fā)展階段。為此，本文研究了輕小型無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)與測繪遙感載荷的的發(fā)展現(xiàn)狀，并面向人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)背景對輕小型無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)的一些發(fā)展進(jìn)行展望。

2 無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)研究進(jìn)展

輕小型無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)通常由飛行平臺、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、遙控遙測鏈路以及遙感載荷等組成。

詳細(xì)情況如圖1所示。本節(jié)重點說明無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)研究進(jìn)展。

   

圖1 輕小型無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)組成
Fig.1 The composition of light-weighted and small UAV photogrammetry and remote sensing system

2.1 無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)

無人機(jī)飛行平臺按照翼形結(jié)構(gòu)劃分包括固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)、傘翼無人機(jī)、撲翼無人機(jī)、無人飛船等（Gupta 等，2013）。受載荷、續(xù)航時間、操控復(fù)雜度等因素的影響，常用的輕小型無人機(jī)測繪遙感飛行平臺包括固定翼、旋翼和無人直升機(jī)等類型（Watts 等，2012）。本文重點針對常用機(jī)型進(jìn)行介紹說明。

（1）固定翼無人機(jī)。該機(jī)型是指比空氣重，有動力裝置驅(qū)動，機(jī)翼固定于機(jī)身且不會相對機(jī)身運動，靠空氣對機(jī)翼的作用力而產(chǎn)生升力的無人航空器。從翼形結(jié)構(gòu)來看，通常擁有機(jī)翼、尾翼等部件或三角翼等，常采用滑跑、彈射等方式起飛，以及滑跑、傘降等方式降落。搭載數(shù)碼相機(jī)的固定翼輕小型無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)是在中國測繪領(lǐng)域發(fā)展、產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用較早的機(jī)型（畢凱等，2015）。在中國西部1∶5 萬地形圖測圖工程中，中國測繪科學(xué)研究院利用固定翼無人機(jī)航攝遙感技術(shù)手段，獲取了噶爾、薩嘎等西部34個縣1375 km2優(yōu)于0.5 m 分辨率無人機(jī)影像，并制作1∶1 萬DOM數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了中國西部地區(qū)1∶5萬比例尺地形圖數(shù)據(jù)的空白（《西部測圖工程紀(jì)實》編委會，2012），技術(shù)路線和部分成果如圖2和圖3所示。2007年北京航空航天大學(xué)利用“雪雁”固定翼無人機(jī)系統(tǒng)，獲取了南極中山站附近10 km2的正射影像（廖小罕和周成虎，2016）。中測新圖公司采用續(xù)航時間長達(dá)30 h的ZC-5長航時固定翼無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)，先后開展過釣魚島及其附屬島嶼、西沙東島和七連嶼等遠(yuǎn)離大陸海島礁測繪工作，首次制作釣魚島及其附屬島嶼1∶2000 比例尺地形圖，填補(bǔ)了歷史空白。荷蘭瓦格寧根大學(xué)利用固定翼航攝系統(tǒng)開展了高分辨數(shù)字表面模型研究（Anders 等，2013）。2013年蘆山地震發(fā)生后8 h 內(nèi)獲得第一幅無人機(jī)遙感影像（廖小罕和周成虎，2016），并通過衛(wèi)星報送至國務(wù)院應(yīng)急辦、國家減災(zāi)委、國土資源部、中國地震局和四川省有關(guān)部門等，用于指揮決策和搶險救援。日本東京大學(xué)基于固定翼無人機(jī)圖像開展了針闊混交林樹冠的特征評估方法研究（Jayathunga 等，2018）。2018年—2019年北京市測繪設(shè)計研究院采用無人機(jī)系統(tǒng)對2022年冬奧會高山跳臺滑雪場地建設(shè)進(jìn)行了定期監(jiān)控。

   

圖2 輕小型無人機(jī)在西部測圖項目中應(yīng)用路線圖
Fig.2 Application roadmap of light-weighted and small UAV in western mapping project implementation

   

圖3 西藏噶爾縣無人機(jī)航空正射影像圖
Fig.3 DOM of Gar County，Tibet produced by images of UAV

固定翼無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)通常具有有效載荷大（平均5 kg）、續(xù)航時間長（2—30 h）、升限高（4000 m以上）等優(yōu)勢，是執(zhí)行100 km2以上作業(yè)面積或者海島礁測繪等需要長距離飛行的測繪遙感任務(wù)的首選機(jī)型。但是該類型無人機(jī)通常對起降場地有較高的要求，比如滑跑起降時需要寬闊平直的場地以及較好的凈空條件等，導(dǎo)致該類型無人機(jī)平臺在山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域使用受限。隨著飛行控制、材料技術(shù)的逐漸進(jìn)步，以及使用要求的不斷提高，現(xiàn)階段，該類型無人機(jī)飛行平臺的發(fā)展呈現(xiàn)出3種趨勢：1）傳統(tǒng)機(jī)型方面，技術(shù)成熟度更高、產(chǎn)品質(zhì)量更好、機(jī)型種類更豐富；2）隨著瑞士eBee無人機(jī)、拓普康天狼星無人機(jī)以及深圳飛馬公司生產(chǎn)F1000無人機(jī)等手拋型固定翼無人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，推動最大起飛重量不超過7 kg 的無人機(jī)平臺朝著更加智能化、方便靈活的方向發(fā)展；3）隨著成都縱橫CW系列垂直起降型固定翼無人機(jī)航攝遙感系統(tǒng)（楊夢琳等，2019）在測繪遙感領(lǐng)域的應(yīng)用，改變了固定翼無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)對起降場地的要求，在保障有效載荷和航時的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)米級范圍精準(zhǔn)起降，降低了對操控人員的依賴程度。然而為了更好的推廣應(yīng)用，具備一鍵起降等人工干預(yù)少的作業(yè)能力需要繼續(xù)提升。

（2）多旋翼無人機(jī)。該機(jī)型是靠螺旋槳轉(zhuǎn)速的變化，來調(diào)整力和力矩，從而實現(xiàn)多旋翼無人機(jī)的飛行運動控制。雖然第一架多旋翼無人機(jī)早在20世紀(jì)初就被研發(fā)出來，但是實際使用效果并不理想。進(jìn)入新世紀(jì)以后，隨著中國大疆、德國Microdrones、法國Parrot 等公司生產(chǎn)的多旋翼無人機(jī)逐漸推入市場（田宇等，2016），憑借垂直起降、定點懸停等特點，帶動了多旋翼無人機(jī)測繪遙感行業(yè)應(yīng)用的熱潮。中測瑞格公司以大疆公司的M600pro旋翼無人機(jī)飛行平臺為基礎(chǔ)，構(gòu)建了多類型旋翼無人機(jī)LiDAR 測繪系統(tǒng)。2018年天津中航通推出了一款續(xù)航時間超過7 h 的油電混合多旋翼無人機(jī)owling。斯圖加特大學(xué)的Niethammer 等（2012）利用旋翼機(jī)對法國Super-Sauze滑坡表面裂縫和位移進(jìn)行了分析。Remondino 等（2011）利用旋翼無人機(jī)在意大利Veio archaeological 區(qū)域等開展了考古活動。中科院利用旋翼機(jī)進(jìn)行冰川監(jiān)測，獲取了空間連續(xù)的高精度DEM 和DOM 數(shù)據(jù)，很大程度上提升了冰川監(jiān)測的效率，降低作業(yè)強(qiáng)度（劉宇碩等，2020）。

多旋翼無人機(jī)具有定點懸停、垂直起降、超低空飛行以及貼近建（構(gòu)）筑物等地表物體繞飛的飛行能力，平均可以搭載3—8 kg 的有效載荷，在測繪行業(yè)該類型無人機(jī)平臺常搭載數(shù)碼相機(jī)、傾斜攝影相機(jī)和LIDAR 等傳感器，制作高精度、高分辨的測繪產(chǎn)品，尤其是在高樓傾斜攝影、電塔巡檢等高度快速變化的復(fù)雜應(yīng)用場景遙感測繪方面發(fā)揮了重要作用。但現(xiàn)階段純電動多旋翼無人機(jī)通常續(xù)航時間一般不超過1 h，尤其是在超過500 m 相對高度作業(yè)時，快速的爬升階段對電力的消耗較大，成為影響旋翼機(jī)發(fā)揮更大作用的主要因素。另外在城市樓宇、山區(qū)等復(fù)雜地形貼近目標(biāo)物體或地表飛行時，面臨著障礙物檢測與規(guī)避的技術(shù)難題，也在一定程度下限制了多旋翼無人機(jī)在狹小空間的測繪能力。

（3）無人直升機(jī)。無人直升機(jī)是指由無線電地面遙控飛行或/和自主控制飛行的可垂直起降（VTOL）不載人飛行器，在構(gòu)造形式上屬于旋翼飛行器，在功能上屬于垂直起降飛行器。該類型無人機(jī)的研制始于20世紀(jì)50年代初，美國、英國、德國等國家率先對無人直升機(jī)進(jìn)行研究，中國早在“七五”和“八五”期間開始無人直升機(jī)研制和應(yīng)用（王海和徐國華，2003）。在遙感測繪方面，武漢大學(xué)在2010年成功試飛國內(nèi)首臺遙感無人直升機(jī)。2017年中航工業(yè)直升機(jī)所研制的AV500 無人直升機(jī)在河北省高碑店市完成了為期7 d 的“無人直升機(jī)航空應(yīng)急測繪系統(tǒng)”演示飛行的所有科目（Hk，2017）。另外，隨著“國家應(yīng)急測繪保障能力建設(shè)項目”的開展，河北、黑龍江、陜西、海南、江西、新疆、江蘇等地理信息部門均在裝備Z-5等無人直升機(jī)測繪遙感系統(tǒng)。Arnold等（2012）利用奧地利Schiebel 公司的S-100 無人直升機(jī)開展了多光譜環(huán)境監(jiān)測。在澳大利亞Merz和Chapman（2011）提出一種基于CSIRO 無人直升機(jī)遙感系統(tǒng)設(shè)計方法。陳天恩等（2012）基于日本富士重工研制的RPH2無人直升機(jī)，開展帶有差分GPS 的多傳感器無人直升機(jī)航測遙感系統(tǒng)研制。信息工程大學(xué)薛武等（2019）開展了無人直升機(jī)面陣影像高精度對地定位研究，結(jié)果表明無人直升機(jī)直接地理定位的精度可滿足應(yīng)急條件下測繪保障要求；少量地面控制點的輔助下定位精度遠(yuǎn)優(yōu)于1∶500比例尺地形圖測圖的要求。

無人直升機(jī)測繪遙感系統(tǒng)兼具垂直起降、定點懸停，以及有效載荷大，通常可達(dá)30 kg以上、續(xù)航時間長，一般超過2 h、可以同步搭載實現(xiàn)多種測繪遙感傳感器等特點，具有廣闊的應(yīng)用潛力。但是，受成本、操控復(fù)雜度等因素影響，相比固定翼、旋翼無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)，無人直升機(jī)測繪遙感系統(tǒng)裝備和市場占有率相對較低（賁亮亮和王鵬，2018）。因此急需提高智能控制技術(shù)水平，降低操控復(fù)雜度，提升成熟度與普及程度。

2.2 飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)的“大腦”，是無人機(jī)完成起飛、空中飛行、執(zhí)行任務(wù)和返場回收等整個飛行過程的核心系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著姿態(tài)控制、航跡控制、載荷設(shè)備控制、故障檢測等重要任務(wù)，常采用人工遙控、程序控制和指令控制（人機(jī)混控）3種方式（Pastor等，2007）。從導(dǎo)航方式來前，多數(shù)無人機(jī)的導(dǎo)航方式主要依靠衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、地磁傳感器、氣壓計等組合導(dǎo)航。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)多為GPS、GLONASS、Galileo 和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（Yang 等，2014，2018）組合導(dǎo)航，少量無人機(jī)集成有視覺和超聲波雷達(dá)，用于起降階段的高度判斷和障礙物監(jiān)測，如南京航空航天大學(xué)單一開展了基于視覺導(dǎo)航的四旋翼無人機(jī)自主著降控制研究（單一，2018）。北京零度智控公司研制了polaris 三余度自動駕駛儀。成都縱橫公司研制了MP、NP、AP系列無人機(jī)飛控系統(tǒng)，基于差分GNSS技術(shù)，可以實現(xiàn)無人機(jī)亞米級精度降落位置控制。西班牙LóPEZ 等（2015）開展了基于H ∝魯棒算法的無人機(jī)飛控控制算法研究。納米比亞Zulu 和John（2014）研究了旋翼機(jī)常用的PID 等11種控制算法的優(yōu)缺點，并提出了混合定位算法。基于APM和Pixhawk等開源技術(shù)自制的飛控系統(tǒng)也成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點（萬宇樓等，2018；李松煒等，2019）。為了保障飛行的安全性和降低對操作人員的要求，多余度飛控設(shè)計技術(shù)（楊蕊姣，2015；薛亮，2016）和“一鍵起降”控制技術(shù)。雖然現(xiàn)階段無人機(jī)的飛控系統(tǒng)的智能化水平在不斷提升，但是在“傻瓜式”操控、超低空飛行障礙物檢測與規(guī)避、應(yīng)急救援多飛行器協(xié)同飛行、大陣風(fēng)/強(qiáng)側(cè)風(fēng)等條件下的航線精準(zhǔn)保持等方面仍然需要進(jìn)一步的提升與完善，以便更好的減輕操控人員壓力，提升原始測繪數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.3 地面監(jiān)控系統(tǒng)

地面監(jiān)控系統(tǒng)通常由地面監(jiān)控計算機(jī)、地面通訊鏈路設(shè)備、航線規(guī)劃軟件以及飛行監(jiān)管軟件等組成。本文重點介紹航線規(guī)劃軟件的發(fā)展情況。航線規(guī)劃軟件主要作用是規(guī)劃無人機(jī)的飛行路徑、傳感器工作位置等功能。通常需要顧及地形、影像重疊度、無人機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑、影像分辨率、傳感器參數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃。中測新圖公司開發(fā)的TOPPLAN軟件，具備支持相機(jī)、傾斜相機(jī)、視頻、LIDAR、SAR等多種傳感器作業(yè)的功能，尤其是具備定點曝光的功能。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）安江航（2018）開展了單鏡頭無人機(jī)傾斜影像采集航線規(guī)劃APP 研發(fā)。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)李遠(yuǎn)（2011）開展了多UAV 協(xié)同任務(wù)資源分配與編隊軌跡優(yōu)化方法研究。葡萄牙波爾圖大學(xué)Sujit 等（2013）開展了無人機(jī)角度約束地形測繪的無人機(jī)航線規(guī)劃路徑規(guī)劃研究，提出了一種多邊形分解算法來生成精確的飛行路線。土耳其Sanc?（2011）提出另一種GPU 并行加速算法，提高了航線規(guī)劃效率。南昌大學(xué)羅旋（2019）基于魚群算法提出了無人機(jī)電力巡檢航線規(guī)劃方法。南京大學(xué)陳星（2018）開展了無人機(jī)多目標(biāo)航線規(guī)劃方法，研究表明改進(jìn)的蟻群算法能縮短多無人機(jī)之間路徑規(guī)劃的距離。現(xiàn)階段，航線規(guī)劃技術(shù)已經(jīng)能夠解決大多數(shù)場景下的測繪需求，但是針對復(fù)雜情況仍然存在以下3個方面的不足：（1）多傳感器融合的無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)或者一機(jī)多傳感器切換使用時，兼顧多傳感器特點的航線規(guī)劃軟件發(fā)展滯后；（2）在應(yīng)急等情況下同空域多架次無人機(jī)組網(wǎng)飛行的應(yīng)用場景，協(xié)同規(guī)劃技術(shù)存在較大的不足；（3）針對地表起伏較大的地形，能夠顧及地表起伏、自動分區(qū)、同步規(guī)劃航線的軟件需要開發(fā)。

2.4 遙控遙測鏈路

遙控遙測鏈路是無人機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，是飛行器與地面系統(tǒng)聯(lián)系的紐帶。輕小型無人機(jī)常用的遙控遙測設(shè)備包括遙控器（桿）電臺、數(shù)傳電臺、圖傳電臺等。其中遙控器電臺，主要用于遙控指令上傳；數(shù)傳電臺通常用于無人機(jī)程控指令和飛行參數(shù)的傳輸；而圖傳電臺主要用來將機(jī)載傳感器獲取的視頻、圖像等數(shù)據(jù)回傳，如圖4所示。本文重點針對圖傳電臺進(jìn)行說明。中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所、天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司等單位在研制50—200 km距離的無人機(jī)圖傳設(shè)備方面具有較強(qiáng)的技術(shù)實力。正唐科技、藍(lán)波視訊等公司研制的通訊距離在50 km以內(nèi)的數(shù)傳設(shè)備具有較好的市場應(yīng)用。另外3G/4G 等技術(shù)也是無人機(jī)圖像傳輸?shù)闹髁骷夹g(shù)方法，但是受到基站位置和天線朝向等因素影響，只有在基站密集以及300 m以下的飛行高度能夠獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸性能。3G/4G通訊技術(shù)常與短波通訊技術(shù)搭配使用，遙測數(shù)據(jù)通過短波電臺傳輸至地面，然后通過3G/4G通訊技術(shù)轉(zhuǎn)接至指揮中心等。基于衛(wèi)星的通訊技術(shù)也在彩虹4、鷂鷹系列等中大型無人機(jī)平臺使用。受到輕小型無人機(jī)遙感載荷的限制，目前常用的設(shè)備重量通常在0.25—1 kg，然而對體積、重量和功耗較大的遙控遙測設(shè)備與輕小型無人機(jī)平臺的集成與使用仍然存在一定難度。從傳輸能力來看，市場常見的用于視頻、圖像等數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄓ崕捦ǔ? Mbps、4 Mbps、8 Mbps，少量的L、S 和C波段的鏈路做到10 Mbps以上，現(xiàn)階段可以實現(xiàn)1080 P全高清視頻流、壓縮影像等數(shù)據(jù)的實時傳輸，大帶寬設(shè)備可以實現(xiàn)SAR 數(shù)據(jù)實時傳輸（彭湛博，2018；劉榮科和張曉林，2000）。隨著5G（5th generation mobile networks）以及衛(wèi)星通訊技術(shù)的快速發(fā)展，將會在無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)遠(yuǎn)距離遙控以及大帶寬數(shù)據(jù)的實時回傳等方面發(fā)揮重要的作用。

   

圖4 遙控遙測鏈路在輕小型無人機(jī)測繪遙感中的應(yīng)用路線圖
Fig.4 Application roadmap of remote control and telemetry link in surveying and mapping remote

3 無人機(jī)測繪遙感載荷研究進(jìn)展

現(xiàn)階段常用的遙感載荷主要有數(shù)碼相機(jī)、視頻攝相機(jī)、激光雷達(dá)（LiDAR）、合成孔徑雷達(dá)（SAR）以及定姿定位（POS）系統(tǒng)等設(shè)備。詳細(xì)情況如圖1所示。

3.1 數(shù)碼相機(jī)

數(shù)碼相機(jī)是集光學(xué)、機(jī)械、電子一體化的產(chǎn)品。光線通過鏡頭或者鏡頭組進(jìn)入相機(jī)，通過數(shù)碼相機(jī)成像元件轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，數(shù)字信號通過影像運算芯片儲存在存儲設(shè)備中（李海啟，2009）。20世紀(jì)90年代初，輕小型無人機(jī)平臺常將35 mm 或者70 mm 的膠片相機(jī)作為傳感器（宣家斌 等，1994；姜躍祖 等，1992）。從1969年第一臺“CCD”器件（電荷耦合器件）在美國貝爾研究所面世（陳述，2006），1975年，柯達(dá)生產(chǎn)了第一臺數(shù)碼相機(jī)。到了2000年前后，數(shù)碼相機(jī)在幅面和參數(shù)調(diào)整等方面發(fā)生了較大改善，中國空間技術(shù)研究院、中國測繪科學(xué)研究院、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、武漢大學(xué)等單位開始將數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用在無人機(jī)測繪遙感技術(shù)研究等方面（崔紅霞等，2005）。常用的光學(xué)相機(jī)多為經(jīng)過精確標(biāo)定（李英成等，2015；崔紅霞等，2005；Zhang，2000）的佳能、尼康、索尼、賓得等135 型非量測型數(shù)碼相機(jī)以及飛思、哈蘇等量測型數(shù)碼相機(jī)。近年來，佳能、尼康、索尼等品牌的135 數(shù)碼相機(jī)最高像素均超過4000 萬像素。量測相機(jī)方面，繼哈蘇在2008年推出超過5000 萬像素的H3D II-50量測相機(jī)后，飛思推出了超過1.5億像素的XF IQ4 相機(jī)。雖然量測型數(shù)碼相機(jī)具有優(yōu)異的影像質(zhì)量、作業(yè)效率、測繪精度等特點，但是受重量、體積、價格因素影響，市場占有率比較低。數(shù)碼相機(jī)常用來生產(chǎn)1∶500—1∶2000比例尺的正射影像圖（DOM）、數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字線劃圖（DLG）以及影像快速鑲嵌圖等產(chǎn)品（國家測繪局，2010a，2010b），已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在測繪、應(yīng)急、減災(zāi)、農(nóng)林、國土、海洋等多個行業(yè)。未來，隨著數(shù)碼相機(jī)的幅面不斷提升，會進(jìn)一步促進(jìn)無人機(jī)測繪精度和效率的提升。

3.2 視頻攝像機(jī)

視頻攝像機(jī)作為一種流媒體傳感器，能夠?qū)崟r獲取目標(biāo)區(qū)域的動態(tài)視頻，監(jiān)測信息更為直觀，在應(yīng)急測繪等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值（李德仁，2013）。目前常用的傳感器多為索尼、尼康等數(shù)碼相機(jī)的攝像模式，索尼、海康威視和浙江大華等公司生產(chǎn)的視頻攝像機(jī)機(jī)芯集成的光電吊艙，以及Gpro 運動相機(jī)等。在測繪應(yīng)用方面，2007年瑞士西北科技大學(xué)Eugster 和Nebiker（2008）提出一種將微小型無人機(jī)系統(tǒng)捕獲的視頻圖像實時和離線集成到虛擬地球中的解決方案。2009年，Zhou（2009）基于無人機(jī)視頻開展了準(zhǔn)實時的影像糾偏和拼接技術(shù)研究。在2014年武漢大學(xué)任超鋒（2014）開展了基于航空視頻影像的正射影像制作關(guān)鍵技術(shù)研究，實現(xiàn)了無定姿定位系統(tǒng)POS（Position and Orientation System）條件下的視頻關(guān)鍵幀影像空間結(jié)構(gòu)自動重建以及基于關(guān)鍵幀的正射影像制作方法。解放軍信息工程大學(xué)薛武（2014）開展了無人機(jī)視頻地理信息定標(biāo)與直播處理技術(shù)的研究，實現(xiàn)了基于視頻數(shù)據(jù)的應(yīng)急條件下直接地理定位以及基于視頻數(shù)據(jù)的精細(xì)三維建模等工作。2016年，中測新圖公司開展了無人機(jī)視頻流與時空信息融合、地理編碼以及與三維場景融合等技術(shù)研究，實現(xiàn)了視頻流實時與GIS系統(tǒng)關(guān)聯(lián)、分析等功能（李英成等，2018；孫新博等，2018），該技術(shù)在“國家應(yīng)急測繪保障能力建設(shè)項目”中應(yīng)用。德國Saur 和Krüger（2016）利用無人機(jī)視頻開展了基于圖像特征的地表變化監(jiān)測方法研究。福建農(nóng)林大學(xué)、中科院遙感所與神華地質(zhì)勘查公司聯(lián)合開展的無人機(jī)視頻影像林地單株李牧信息提取研究，實現(xiàn)了油松林區(qū)和樟子松林區(qū)單株立木識別總體精度分別為89.52%和95.65%、單木樹冠提取精度分別為81.90% 和95.65%，均具有較好地適用性（董新宇等，2019）。隨著圖像數(shù)傳技術(shù)、高分辨視頻攝像技術(shù)的快速發(fā)展，以及無人機(jī)視頻數(shù)據(jù)與GIS 數(shù)據(jù)融合，將會進(jìn)一步發(fā)揮視頻數(shù)據(jù)實時性的特點，促進(jìn)在應(yīng)急測繪等對時間敏感的應(yīng)用場景中發(fā)揮更加重要的作用。

3.3 傾斜相機(jī)

傾斜攝影技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，該技術(shù)通過從1個垂直、4個傾斜視角采集影像，獲取到豐富的建/構(gòu)筑物頂面及側(cè)視的高分辨率紋理。常用來真實地反映地物情況，高精度地獲取物方紋理信息，以及構(gòu)建真實的三維模型，同時可以生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)測繪產(chǎn)品。無人機(jī)傾斜相機(jī)是在有人機(jī)傾斜攝影技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，目前常用的無人機(jī)傾斜相機(jī)多為索尼、佳能、尼康、賓得等工業(yè)數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行二次開發(fā)集成的傾斜相機(jī)（畢凱等，2017；李英成等，2017）。除了五鏡頭的傾斜相機(jī)，另有以武漢大勢智慧公司的雙魚兩鏡頭、紅鵬公司的小金牛三鏡頭組合的傾斜相機(jī)，通過擺動或者飛行垂直航線的工作方式，來獲取建/構(gòu)筑物的傾斜影像（趙家樂和王森，2017）；以及德國羅斯托克大學(xué)開發(fā)了四鏡頭無人機(jī)傾斜相機(jī)（Grenzd?rffer 等，2012）；2016年美國Lead′Air 公司宣布計劃利用索尼單反生產(chǎn)了9 鏡頭傾斜相機(jī)，相比五鏡頭或者更少鏡頭的傾斜相機(jī)，在作業(yè)時有效降低了旁向重疊度，且提升了三維模型的精細(xì)化程度。但是受重量、體積等因素影響，在輕小型無人機(jī)平臺應(yīng)用，仍然需要進(jìn)行小型化和輕量化改造工作。2016年—2019年，重慶市利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)等，構(gòu)建了全市范圍0.4 m 分辨率的實景三維模型，有力的支撐了精準(zhǔn)扶貧、自然資源生態(tài)保護(hù)、城市品質(zhì)提升、歷史文化資源保護(hù)、城市精細(xì)化智慧化管理等工作。2017年—2019年，北京市立項了“北京市泥石流溝精細(xì)調(diào)查與評價”項目，利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對北京市密云區(qū)、房山區(qū)等10個區(qū)縣的泥石流溝開展了分辨率優(yōu)于0.05 m 傾斜航拍和三維建模工作，全方位掌握泥石流溝谷發(fā)育特征，科學(xué)評價其危險性和風(fēng)險性，建立北京市泥石流溝預(yù)警模型，為科學(xué)精準(zhǔn)防治地災(zāi)災(zāi)害，優(yōu)化預(yù)警系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。隨著無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的快速發(fā)展，將會成為實景三維技術(shù)的重要數(shù)據(jù)采集手段。

3.4 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)系統(tǒng)LiDAR （Light Detection and Ranging）是一種采用激光作為輻射源的雷達(dá)系統(tǒng)，集激光、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS （Global Navigation Satellite System） 和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS（Inertial Navigation System）3種技術(shù)于一體，能夠真實準(zhǔn)確地反映地形地貌，獲得1∶500—1∶2000等大比例尺DEM、DSM、三維模型等數(shù)字產(chǎn)品（廖小罕和周成虎，2016），以及進(jìn)行地表分類研究（張繼賢等，2017）等，如圖5所示。因此相關(guān)測繪產(chǎn)品對LiDAR 的測距范圍和精度、點密度以及穿透能力提出了較高的要求。目前常用的無人機(jī)激光雷達(dá)有奧地利Regel、美國Faro、Velodyne、中國北科天匯等公司推出的激光雷達(dá)產(chǎn)品。另外美國ASTRALiTe 公司研發(fā)了適用于無人機(jī)平臺的世界上第一個小型地形和水深掃描激光雷達(dá)edge，可以探測小型水下物體，測量淺水深度（武漢大學(xué)測繪學(xué)院，2019；Astralite，2019）。法國YellowScan公司推出總重量1.5 kg，相對精度3 cm，絕對精度5 cm 三維數(shù)據(jù)采集LiDAR系統(tǒng)Suveyor。英國Routescense 公司基于Velodyne HDL-32e 激光器研發(fā)了適用旋翼無人機(jī)平臺的LidarPod 產(chǎn)品（Routescene，2019）。武漢大學(xué)楊必勝和李健平（楊必勝和李健平，2018）基于Velodyne 16線激光掃描儀研制了珞珈麒麟云輕小型無人機(jī)激光掃描系統(tǒng)，可在無地面控制下獲取精度20cm以內(nèi)的激光點云。澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)Wallace（2012）等利用搭載Ibeo LUX 激光器的無人機(jī)激光測量系統(tǒng)開展森林資源調(diào)查。武漢大學(xué)楊必勝、中國測繪科學(xué)研究院劉正軍以及廣東電力科學(xué)研究院聯(lián)合研制的無人機(jī)LiDAR 巡檢系統(tǒng)在南方電網(wǎng)得到應(yīng)用和推廣。中測瑞格公司基于regel VUX-1 UAV等激光器集成了多款無人機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)，在國內(nèi)廣泛推廣。數(shù)字綠圖研發(fā)的LiHawk、LiAir V 無人機(jī)激光掃描系統(tǒng)，在測繪領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著無人機(jī)LiDAR 測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，將會成為三維建模、高精度地圖獲取、電力巡檢、森林資源調(diào)查和土方量評估等方面的主要技術(shù)手段。

   

圖5 基于無人機(jī)激光雷達(dá)的測繪成果（結(jié)果由“點云催化劑軟件”處理完成）
Fig.5 Surveying and mapping products based on UAV LiDAR

3.5 合成孔徑雷達(dá)

合成孔徑雷達(dá)SAR（Synthetic Aperture Radar）是一種利用微波進(jìn)行成像感知的傳感器，不受云、雨、霧、雪等天氣影響，能夠全天時、全天候地獲取地表的高分辨圖像（梁福來，2013），是進(jìn)行地形測圖的重要手段之一（郭華東，2000；張繼賢等，2013）。成像方式主要有條帶式和聚束式兩種。美國諾斯諾普·格魯曼公司、通用原子能公司、歐洲EADS Astrium 公司、中科院電子所、西安電子科技大學(xué)、北京理工大學(xué)等多家企業(yè)、科研院所、高校等開展了微小型SAR的技術(shù)研究工作（劉亮和吉波，2014）。歐洲EADS 公司在2003年推出了重量4 kg 的Ka波段無人機(jī)SAR系統(tǒng)，可獲得0.5 m×0.5 m 分 辨率 的圖像（Edrich 和Weiss，2008）。巴西Remy 等（2012）2008年開始研制首個適用于無人機(jī)平臺的P波段和X波段干涉SAR系統(tǒng)，重量30 kg，X波段和P波段的影像分辨率分別為0.5 m×0.11 m和1.5 m×0.3 m。中國科學(xué)院電子學(xué)研究所在2011年研制出了重量1.8 kg 的國內(nèi)首套Ku波段和Ka波段SAR系統(tǒng)，分辨率可達(dá)0.15 m。2019年推出的W波段MiniSAR 樣機(jī)重量0.14 kg，功率15 W，最大成像距離500 m，成像分辨率0.086 m（Ding 等，2019）。德國Maxonic 公司研制的W波段SAR，成像分辨率為0.15 m，并在無人直升機(jī)上進(jìn)行了技術(shù)驗證，取得了較好的成圖效果（Essen 等，2012）。中國測繪科學(xué)研究院2016年利用無人機(jī)SAR 測圖系統(tǒng)獲得了海陵島的全極化SAR 圖像，以及在2017年在山西省吉山縣開展了SAR 1∶2000 三維測繪試驗，結(jié)果表明能夠滿足測繪分辨率和精度要求，如圖6和圖7所示。另外美國噴氣實驗室2018年研制了一個無人機(jī)上實時SAR 處理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)25 MB/s 原始L波段的實時處理，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)條帶圖圖像，且功耗不超過8W （Hawkins 和Tung，2019）。2018年中航工業(yè)雷達(dá)所展示了Falcon-Z19、Falcon-Z9和Falcon-200等重量從4 kg到45 kg的無人機(jī)SAR系統(tǒng)，具備條帶式或者聚束式的成像模式，分辨率最高可達(dá)0.1 m×0.1 m。瑞士Fery（2019） 等研究了基于無人直升機(jī)的L波段重復(fù)軌道SAR 測圖系統(tǒng)，結(jié)果表明能夠取得較好的干涉效果。因此，無人機(jī)SAR 測圖系統(tǒng)能夠解決受云霧等氣候條件影響地區(qū)的高精度測繪問題。

   

圖6 海陵島全極化SAR圖像和沿海農(nóng)場的提取結(jié)果
Fig.6 Full polarimetric SAR image of Hailing island and the extraction result of coastal farms of Hailing island

   

圖7 輕小型無人機(jī)MiniSAR影像制作的1∶2000測繪產(chǎn)品
Fig.7 1∶2000 surveying and mapping products based on UAV MiniSAR image

3.6 定姿定位系統(tǒng)

定姿定位系統(tǒng)（POS）是集成DGNSS（Differential GNSS）和INS 于一體，獲取攝影曝光時刻航攝儀的空間位置和姿態(tài)（袁修孝，2008；袁修孝等，2006）。POS 輔助航空攝影測量可以減少甚至免去空三加密及繁重的野外控制工作，極大地縮短成圖周期，降低了費用，更可解決無法布設(shè)地面控制點地區(qū)的成圖問題（國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2011；郭大海，2009；張欣欣 等，2019）。POS系統(tǒng)用于航空遙感對地目標(biāo)定位有兩種方式：集成傳感器定向（ISO）和直接傳感器定向（DG）兩種方法（郭大海等，2004；李學(xué)友，2005）。武漢大學(xué)朱曉康（2018）研究了估計相機(jī)曝光延遲的無人機(jī)POS 輔助空中三角測量技術(shù)，實現(xiàn)了輕小型無人機(jī)1∶500 免像控大比例尺測圖。目前常用的POS 設(shè)備主要為加拿大Applanix 公司和Novatel 公司的相關(guān)產(chǎn)品，以及國內(nèi)立得空間、北斗星通公司、際上導(dǎo)航等公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。北京建筑大學(xué)王堅等（Han 等，2015，2017）研究的GPS/BDS/INS 緊耦合算法，算法原理如圖8所示，采用MEMS慣性器件可以實現(xiàn)厘米級絕對定位精度，以0.025°姿態(tài)和0.08°的航向精度，價格比國外同類型產(chǎn)品降低60%以上。臺灣Chiang 等（2012）開展了基于MEMS 器件POS系統(tǒng)的無人機(jī)直接地理定向技術(shù)研究，在300 m 飛行高度實現(xiàn)了平面5 m定位精度。加拿大MIAN 等基于MEMS POS 開展了無人旋翼機(jī)條帶測圖精度分析，在僅有1個控制點的情況下單條航帶采用ISO模式實現(xiàn)0.079 m量級水平定位精度，0.255 m 高程定位精度，采用DG模式實現(xiàn)了0.116 m水平定位精度，0.391 m高程定位精度（Mian 等，2016）。除了POS系統(tǒng)外目前常用雙頻GNSS 測量傳感器曝光時刻的位置信息，作為外方位元素的初始線元素進(jìn)行輔助空中三角測量（袁修孝，2001；李英成等，2012）。常用的雙頻GNSS設(shè)備包括美國天寶公司、加拿大Novatel公司、中國北斗星通、比遜電子等公司的產(chǎn)品。POS系統(tǒng)是用LiDAR 和SAR 傳感器測繪時不可或缺的輔助設(shè)備。未來定姿定位系統(tǒng)小型化、輕量化以及與其他遙感設(shè)備的深度集成將會成為在無人機(jī)測繪遙感方面的主要方向。

表1總結(jié)概括了上述無人機(jī)測繪遙感載荷的主要技術(shù)特點和測繪應(yīng)用能力，詳細(xì)情況如表1所示。

   

圖8 基于載波相位的GPS/BDS/INS緊耦合原理
Fig.8 Theory of the carrier phase-based tightly coupled GPS/BDS/INS

表1 無人機(jī)測繪遙感載荷性能特點
Table1 Performance of the photogrammetry and RS sensors of UAV

     

雖然上述測繪遙感載荷在測繪工作中發(fā)揮了重要作用，但是除了數(shù)碼相機(jī)檢定和無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取與生產(chǎn)規(guī)范已有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，然而針對LiDAR、SAR 新型傳感器與無人機(jī)系統(tǒng)的檢測檢校與標(biāo)定尚屬空白，傳感器與無人機(jī)平臺的檢測檢驗與標(biāo)定參數(shù)完全依賴廠家提供，存在檢測標(biāo)定項不一致、指標(biāo)表述不統(tǒng)一等問題，導(dǎo)致測繪成果質(zhì)量存在問題時無法溯源，一定程度地限制了新型技術(shù)裝備的發(fā)展。

4 展 望

4.1 問題與挑戰(zhàn)

目前，中國輕小型無人機(jī)測繪遙感技術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)化裝備、市場應(yīng)用等方面均已取得顯著進(jìn)展，但是也存在許多不足之處，主要問題如下：

（1）無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)檢測業(yè)務(wù)完善。無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，但是無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)性能指標(biāo)檢測方法、手段和標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，急需開展影響測繪應(yīng)用場景與成果質(zhì)量的無人機(jī)環(huán)境適應(yīng)性、飛行性能、導(dǎo)航控制精度以及電磁兼容等性能的檢測技術(shù)與方法研究，構(gòu)建適用于測繪遙感無人機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)檢測流程。

針對傾斜相機(jī)、視頻、LIDAR 和SAR 等新型測繪傳感器的推廣應(yīng)用，需要研究傾斜相機(jī)同步曝光控制、影像存儲成功率檢測技術(shù)，視頻流時空編碼同步性檢測技術(shù)，機(jī)載LiDAR 測距、測角和加工誤差標(biāo)定方法，機(jī)載微型SAR 的輻射、極化、幾何等參數(shù)定標(biāo)方法等，構(gòu)建無人機(jī)傳感器的檢測檢定技術(shù)工藝，規(guī)范無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)準(zhǔn)入行為，促進(jìn)輕小型無人機(jī)測繪遙感精度不斷提高。

（2）大范圍實時無人機(jī)測繪遙感技術(shù)提升。基于5G、北斗短報文通訊功能、天通衛(wèi)星、天鏈衛(wèi)星等通訊技術(shù)，探究覆蓋全球、全空域、全地域的無人機(jī)業(yè)務(wù)實時監(jiān)管技術(shù)體系。研究構(gòu)建面向應(yīng)急救援視頻、影像等測繪數(shù)據(jù)的實時多級傳輸以及海洋、戈壁環(huán)境監(jiān)測信息實時回傳技術(shù)方法，推動無人機(jī)測繪遙感技術(shù)朝著實時化方向發(fā)展。

（3）無人機(jī)測繪遙感大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)解譯。現(xiàn)階段每年通過無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)多大PB級以上，多數(shù)被用于生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的測繪產(chǎn)品，但是在數(shù)據(jù)挖掘分析方面仍顯不足。因此，需要基于機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)理論方法，探索無人機(jī)高分辨遙感大數(shù)據(jù)挖掘、分析技術(shù)方法，研究建立多樣化、深層次、精確遙感數(shù)據(jù)解譯模式，讓“休眠”的數(shù)據(jù)流動起來，變成“會說話”的載體，發(fā)揮更加重要的作用。

4.2 發(fā)展趨勢

近年來，人工智能、5G、云計算、深度學(xué)習(xí)、邊緣計算、大數(shù)據(jù)等新理論、新技術(shù)的不斷突破與進(jìn)展，以及自然資源、應(yīng)急管理和公共安全等領(lǐng)域的需求不斷提升，有力推動中國輕小型無人機(jī)測繪遙感技術(shù)從現(xiàn)階段的飛行到智能化時代的飛行、感知、交互并行方向發(fā)展，促進(jìn)傳統(tǒng)的測繪遙感產(chǎn)品專業(yè)化應(yīng)用向大眾化應(yīng)用方向的拓展。

（1）無人機(jī)飛行控制智能化。隨著衛(wèi)星、慣導(dǎo)、視覺、超聲波等多傳感器融合導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，將逐漸改變現(xiàn)階段衛(wèi)星、慣導(dǎo)組合的導(dǎo)航定位模式，主動增加無人機(jī)飛行環(huán)境感知和實景導(dǎo)航的能力，如穿梭在高樓大廈之間的傾斜攝影無人機(jī)可以發(fā)現(xiàn)樓宇間的建筑物等障礙物；翻越山嶺飛行的固定翼無人機(jī)能夠自動檢測山體與飛行高度之間的相對高度，遠(yuǎn)海島礁作業(yè)的無人機(jī)系統(tǒng)能夠檢測出攝影區(qū)域與實際地面范圍的不符合情況等。

（2）無人機(jī)測繪遙感作業(yè)智能化。隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)、邊緣計算、通訊技術(shù)和微型計算機(jī)能力的提升以及在無人機(jī)測繪作業(yè)過程中的深度應(yīng)用，將會極大提升無人機(jī)測繪遙感作業(yè)的智能化交互控制水平。如飛行過程中自動感知導(dǎo)航、控制等器件故障，啟用冗余器件或者自動選擇場地降落保障飛行安全；針對地震、大型火災(zāi)現(xiàn)場同一空域多架次同步飛行，能夠?qū)崿F(xiàn)多機(jī)之間的相互感知和信息交互，實現(xiàn)自動組網(wǎng)飛行，提高數(shù)據(jù)獲取效率；針對無人機(jī)在順風(fēng)、逆風(fēng)和側(cè)風(fēng)條件下造成的飛行速度與姿態(tài)變化，導(dǎo)致影像重疊度和影像姿態(tài)不滿足要求的問題，能都自動的根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)向調(diào)整飛行速度和姿態(tài)，獲取高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)。

（3）實時、實景無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用模式不斷發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、5G 等技術(shù)的快速發(fā)展，以及“實景三維中國”需求的不斷提升，用戶可以通過實時獲取的無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)通過5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實、增強(qiáng)現(xiàn)實結(jié)合起來，提供身臨其境的技術(shù)服務(wù)，如在山林防火著火點查找以及滅火隊員搜救、地震等突發(fā)自然災(zāi)害應(yīng)急救援現(xiàn)場情況監(jiān)視等領(lǐng)域提供第一視角實時的真實信息；另外，將獲取視頻流、影像、傾斜攝影數(shù)據(jù)以及實時拼接全景影像等與“天地圖”等數(shù)據(jù)平臺的融合，通過在線信息挖掘與技術(shù)服務(wù)滿足更多人的導(dǎo)航、信息查詢需求，提升對非地理信息專業(yè)人員的信息服務(wù)水平，滿足多層級地理信息服務(wù)需求。

5 結(jié) 語

中國輕小型無人機(jī)測繪遙感技術(shù)快速發(fā)展，技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模均處于國際先進(jìn)水平，形成了繼衛(wèi)星、通用航空之后的又一有效的對地觀測技術(shù)體系，且正在不斷發(fā)展壯大、完善。但是現(xiàn)階段針對LiDAR、SAR 等新型傳感器以及無人機(jī)系統(tǒng)的檢測、檢校與標(biāo)定技術(shù)尚屬空白，在一定程度上限制了新型技術(shù)裝備的發(fā)展。另外，面向人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)背景，無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)在系統(tǒng)檢測、實時測繪、大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)解譯等方面仍顯不足，在飛行控制智能化、測繪遙感作業(yè)智能化和實時/實景無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用模式創(chuàng)新等方面仍然有待突破。面向中國不斷發(fā)展的市場需求，輕小型無人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)在自然資源、應(yīng)急管理、公共安全等方面發(fā)揮更加前沿、更加重要的作用，進(jìn)一步推動對地觀測和大眾精準(zhǔn)感知的產(chǎn)業(yè)變革，推動中國遙感技術(shù)走向世界領(lǐng)先水平，形成價值超過千億美元的新興產(chǎn)業(yè)。

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Review of the light-weighted and small UAV system for aerial photography and remote sensing

ZHANG Jixian1，2，LIU Fei1，WANG Jian3

Abstract：Geospatial information is important in the era of artificial intelligence and big data.Small,lightweight unmanned aerial vehicles(UAVs) for aerial photogrammetry and Remote Sensing (RS) technology,as the main means of obtaining centimeter-scale resolution and real-time remote sensing data,may be expected to play an important role in these fields.

First,this paper focuses on the development status and trends of UAV aerial photogrammetry and RS systems.Fixed-wing,lightweight,and small UAVs are an early type of aircraft in the field of surveying and mapping.The hand-throwing and vertical take-off and landing characteristics of fixed-wing UAV systems have prompted the development of these technologies toward the intelligent direction.Multirotor UAVs are important instruments in remote sensing mapping,but their flight duration requires further improvement.Unmanned helicopters are widely used in the remote sensing mapping of heavy loads,but this technology is greatly affected by cost,control complexity,and other factors.Digital camera,video camera,tilt camera,lidar,SAR,POS,and other loads are highly useful in surveying and mapping;however,because the detection and calibration of new sensors and UAV systems has not been optimized,the development of new technologies and equipment is limited to a certain extent.

Next,the problems and challenges of system detection,large-scale real-time remote sensing,and accurate big data interpretation of UAV aerial photogrammetry and RS data are summarized and analyzed.UAV aerial photogrammetry and RS systems are widely used,but the detection methods and standards of UAV systems aimed at environmental adaptability,flight performance,navigation control accuracy,and electromagnetic compatibility have not been perfected.The real-time multi-level transmission technology of video,imagery,and other surveying and mapping data must be further developed for emergency rescue.The data obtained each year by UAV aerial photogrammetry and RS are more than PB and mostly used to produce standard surveying and mapping products.However,the data collected are insufficient for data mining and analysis.

Finally,facing the technical backgrounds of artificial intelligence,big data,Internet of things,and cloud computing,among others,future development directions of intelligent flight control,UAV operation,and real-time,real-scene UAV remote sensing technologies are provided.The continuous development and improvement of the industry and rapid promotion of market demands,aerial photogrammetry,and RS technology of lightweight and small UAVs may be expected to promote industrial changes in earth observation and accurate public perception,potentially forming a new industry worth over 100 billion US dollars.

Key words：light-weighted and small UAV for aerial photogrammetry and RS,aerial photogrammetry and RS sensors,artificial Intelligence,big data

引用格式：張繼賢，劉飛，王堅.2021.輕小型無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)研究進(jìn)展.遙感學(xué)報，25（3）：708-724

Zhang J X，Liu F and Wang J.2021.Review of the light-weighted and small UAV system for aerial photography and remote sensing.National Remote Sensing Bulletin，25（3）：708-724［DOI：10.11834/jrs.20210052］

收稿日期：2020-03-09；預(yù)印本：2020-10-13

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：41671440）；自然資源部項目（編號：121134000000180009）；國家重點研發(fā)計劃（編號：2018YFF0215300）

第一作者簡介：張繼賢，1965年生，男，研究員，研究方向為攝影測量與遙感、地理信息系統(tǒng)、資源與環(huán)境遙感監(jiān)測。E-mail：zhangjx@casm.ac.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.41671440); Ministry of Natural Resources of China Project(No.121134000000180009);National Key Research and Development Project of China(No.2018YFF0215300)