無(wú)人機(jī)平臺(tái)及測(cè)量技術(shù)綜述

高尚

摘 要：本文首先闡述無(wú)人機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)，并對(duì)國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行論述和對(duì)比。在應(yīng)用層面，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外基于無(wú)人機(jī)的遙感技術(shù)在救災(zāi)、工程測(cè)量、地面目標(biāo)的快速提取等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行評(píng)述，以期理清無(wú)人機(jī)應(yīng)用的發(fā)展脈絡(luò)和趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；攝影測(cè)量；地面目標(biāo)提取

中圖分類號(hào)：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2017）03-0055-02

Abstract： This paper described the characteristics and advantages of UAV technology， and foreign and domestic UAV platform technology were discussed and compared. At the application level， the research progress of remote sensing technology based on unmanned aerial vehicle （UAV） at home and abroad has been reviewed in order to clarify the development trend and development trend of UAV applications in disaster relief， engineering survey and rapid extraction of ground targets.

Keywords： UAV；photogrammetry；ground target extraction

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，數(shù)字化、信息化進(jìn)程不斷加快，傳統(tǒng)測(cè)繪方法及遙感技術(shù)已經(jīng)不能很好地適社會(huì)發(fā)展的需求。同時(shí)，對(duì)高分辨率遙感影像的需求以及其時(shí)效性和準(zhǔn)確性的要求在不斷增加。近年來(lái)，基于無(wú)人機(jī)的低空遙感技術(shù)在軍事、水利勘察、資源與環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋工程、電力工程、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)與自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)及交通等領(lǐng)域逐漸成為研究熱點(diǎn)，并且逐步進(jìn)入應(yīng)用層面。此外，無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)也成為提取流域三維地形的一種新方法。無(wú)人機(jī)低空遙感系統(tǒng)（UAVRS系統(tǒng)）具有諸多特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。首先，無(wú)人機(jī)設(shè)備的質(zhì)量輕、體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、運(yùn)輸方便以及無(wú)需專用跑道，能快速在相關(guān)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)影像的獲?。黄浯?，無(wú)人機(jī)的操作簡(jiǎn)單，基于無(wú)人機(jī)的遙感系統(tǒng)具有高度的自動(dòng)化和智能化，可通過(guò)設(shè)置無(wú)人機(jī)參數(shù)來(lái)避免飛行中的系統(tǒng)故障并實(shí)現(xiàn)智能返航；無(wú)人機(jī)受天氣和地形條件影響較小，可在目標(biāo)區(qū)域按需求設(shè)置航攝高度，有效地避開云層及地面障礙物的干擾，從而獲取高分辨率影像；此外，無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的維護(hù)成本與使用成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于衛(wèi)星遙感及載人飛機(jī)遙感。正是由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，基于無(wú)人機(jī)的遙感系統(tǒng)在不久的未來(lái)將成為部分專業(yè)測(cè)量及民用測(cè)量領(lǐng)域的主流測(cè)量手段和工具。

1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展

無(wú)人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UVA），也稱為無(wú)人機(jī)，實(shí)際上是一大類無(wú)人駕駛飛行器的總稱，包括無(wú)人駕駛飛艇、熱氣球、無(wú)人駕駛固定翼飛機(jī)、無(wú)人駕駛旋翼飛機(jī)等。由于其低空飛行特性及配備了較為先進(jìn)的拍攝設(shè)備，無(wú)人機(jī)逐漸成為新型的高分辨率的攝影測(cè)量應(yīng)用平臺(tái)。

1.1 國(guó)外無(wú)人機(jī)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展

英國(guó)于1917年成功研制了世界上第一架無(wú)人機(jī)，但其當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代后，隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，無(wú)人機(jī)的體型逐漸小型化，使其更加便于攜帶、便于使用。同時(shí)，各種新型材料也逐漸應(yīng)用到無(wú)人機(jī)的構(gòu)造方面，使其在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅提高的同時(shí)機(jī)身重量大幅減小，進(jìn)一步延長(zhǎng)了飛行時(shí)間。90年代后，美國(guó)利用無(wú)人機(jī)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮出的巨大作用，促使世界上許多國(guó)家開始大力研發(fā)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。這些無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括了著名的美國(guó)全球鷹（GlobalHawk）系統(tǒng)、捕食者（Predator）以及以色列的赫爾姆斯（Hermes）等。近十年來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在強(qiáng)化無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的同時(shí)，也開始快速擴(kuò)展小型無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，將無(wú)人機(jī)大量用于國(guó)土測(cè)繪、農(nóng)藥噴灑甚至延伸至一定距離內(nèi)的快遞物品等。此外，歐美無(wú)人機(jī)在特殊領(lǐng)域還出現(xiàn)了微型化的趨勢(shì)。例如，澳大利亞CyberTechnology公司利用3D技術(shù)制造出尺寸為420mm×420mm×[×]420mm微型無(wú)人機(jī)；美國(guó)哈佛大學(xué)研制的微型無(wú)人機(jī)，其機(jī)身由碳釬維制成，重量?jī)H106mg；瑞士聯(lián)邦洛桑理工學(xué)院則設(shè)計(jì)出首款球狀耐碰撞無(wú)人機(jī)（Gimball），具有體積小、質(zhì)量輕，碰到障礙物不會(huì)失去穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

1.2 國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展

我國(guó)無(wú)人機(jī)的研制工作起步較晚。中國(guó)第一款無(wú)人機(jī)長(zhǎng)空一號(hào)于1966年研制成功。之后又研制出長(zhǎng)虹高空高速無(wú)人偵察機(jī)、T-6無(wú)人機(jī)、Z-5無(wú)人偵察機(jī)等。上述無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在軍事、航測(cè)、地球物理勘探、災(zāi)情監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。民用方面，我國(guó)在20世紀(jì)90年代末成立了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研究小組，負(fù)責(zé)自主研制無(wú)人機(jī)低空航測(cè)技術(shù)，并在之后的十年在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，如華光公司和北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院研制的“華鷹”無(wú)人機(jī)，北京國(guó)遙萬(wàn)維科技有限公司的“QuickEye”，中國(guó)測(cè)繪科學(xué)院研制的ZC-1、-2固定翼輕型無(wú)人飛機(jī)航攝系統(tǒng)以及UAVRS-II型無(wú)人機(jī)低空遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。大疆創(chuàng)新科技有限公司也研發(fā)出ACE系列直升機(jī)飛控系統(tǒng)、多旋翼飛控系統(tǒng)、多旋翼一體機(jī)Phantom等系列產(chǎn)品。

2 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 基于無(wú)人機(jī)的遙感系統(tǒng)應(yīng)用

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)操作靈活，能夠快速獲取目標(biāo)區(qū)域的高分辨率數(shù)字影像，并快速完成遙感影像的后處理，實(shí)現(xiàn)三維可視化立體建模及應(yīng)用分析。因此，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)已逐漸滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的諸多領(lǐng)域。

在國(guó)外，日本利用搭載雷達(dá)掃描儀的無(wú)人機(jī)，對(duì)活火山的噴發(fā)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測(cè)和評(píng)估；美國(guó)利用無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)獲取了黃石國(guó)家公園的高分辨率遙感影像并繪制成圖；Nicolas Lewycky等[1]利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)所獲取的正射影像，對(duì)災(zāi)區(qū)的房屋及農(nóng)莊的受損狀況等自然災(zāi)害進(jìn)行了調(diào)查評(píng)估；Lena Halounova等[2]利用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)研究了流域下墊面的變化對(duì)洪水消退的影響。

國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)最早的應(yīng)用也主要在軍事方面，而在民用方面起步較晚。自1999年UAVRS-I型遙感監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)研制成功到2008年汶川地震的大面積實(shí)際應(yīng)用，中國(guó)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用也經(jīng)歷了較為漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。柴子為[3]用無(wú)人機(jī)影像構(gòu)建出山地人工林景觀DEM，并對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，指出利用無(wú)人機(jī)構(gòu)建DEM精度比ASTER GDEM和SRTM精度更高；張浩[4]利用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)完成了北京某高速公路選線設(shè)計(jì)，對(duì)獲取影像進(jìn)行了三維可視化，真實(shí)地反映出土地利用和地表覆蓋狀況，提高了道路選線的效率；胡健波等[5]利用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)完成了天津東疆人造防波堤巡檢，并借助軟件獲取了防波堤的正攝影像和三維遙感數(shù)據(jù)，可清晰地查看防波堤的破損位置，通過(guò)不同影像對(duì)比檢測(cè)防波堤的變形和沉降情況，其精度和效率已可以取代傳統(tǒng)檢測(cè)方法。

2.2 無(wú)人機(jī)在提取地面目標(biāo)方面的應(yīng)用

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)在地面目標(biāo)提取方面也開始發(fā)揮越來(lái)越大的作用。Stassopoulou等通過(guò)Canny算子的多尺度分割與邊緣分割相結(jié)合的方法對(duì)影像進(jìn)行分割和區(qū)域特征提取；S Levitt等提出了一種基于紋理度量驅(qū)動(dòng)提取方法，利用紋理衡量算法把不同景物從影像中進(jìn)行區(qū)分并提取目標(biāo)區(qū)域，在提取中低等分辨率影像信息時(shí)取得了良好的效果；李培君對(duì)無(wú)人機(jī)獲取的高分辨率影像進(jìn)行影像分割，再通過(guò)分類的方法把具有綠地參數(shù)特性的樣本從影像中識(shí)別出來(lái)，提取了某校園綠地面積。劉正軍等提出了一種基于分類和形態(tài)綜合的特征提取方法，通過(guò)面向?qū)ο蠓诸惙椒ò延跋裰械匚镄畔⑦M(jìn)行分類，并提取目標(biāo)物，此方法對(duì)建筑物輪廓的提取效果顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)及其在遙感領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。無(wú)人機(jī)技術(shù)雖然出現(xiàn)時(shí)間較晚，但其發(fā)展速度十分迅猛。在無(wú)人機(jī)自身平臺(tái)方面，出現(xiàn)了小型化、長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航、高精度影像拍攝的趨勢(shì)，而對(duì)無(wú)人機(jī)遙感影像的研究也開始向多光譜遙感、地形地貌提取、影像地物的自動(dòng)分類等方面發(fā)展?？梢灶A(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)必將在更多的應(yīng)用領(lǐng)域擔(dān)當(dāng)越來(lái)越重要的角色。

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