談無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用★

陳 瑞 周 頌 郝華東 王 珂

(1.安徽省城建設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230041； 2.舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院，浙江 舟山 316000；3.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590)

1 無(wú)人機(jī)遙感背景、意義

伴隨著當(dāng)前社會(huì)進(jìn)程的快速發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求增加，社會(huì)各行各業(yè)對(duì)于高精度遙感影像與高質(zhì)量地理信息的現(xiàn)勢(shì)性要求不斷提高。而傳統(tǒng)遙感信息的采集方式主要集中于遙感衛(wèi)星或載人航測(cè)飛機(jī)，此類遙感信息的獲取方式存在成本高、時(shí)效性差、靈活度低等不足，相比之下，新興的無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)屬于低空遙感范疇，其憑借著靈活性高、時(shí)間分辨率強(qiáng)、應(yīng)用周期短、成本低廉與操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感和載人航空遙感的不足。

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)主要以獲取低空高分辨率遙感數(shù)據(jù)為應(yīng)用目標(biāo)，具體通過(guò)將無(wú)人飛行器、GPS導(dǎo)航技術(shù)、高分辨率的傳感器等技術(shù)進(jìn)行集成來(lái)建立一種成本低、靈活度高、適用性廣的遙感數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)。當(dāng)前，無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)憑借實(shí)時(shí)快速高效地?cái)?shù)據(jù)獲取能力，廣泛地應(yīng)用于國(guó)土測(cè)繪、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害勘查、海洋資源與環(huán)境監(jiān)測(cè),以及農(nóng)業(yè)、水利等領(lǐng)域。

2 無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

無(wú)人機(jī)技術(shù)的早期發(fā)展主要是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域的靶機(jī)訓(xùn)練，后期逐漸發(fā)展至軍事偵查及民用領(lǐng)域。隨著電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類遙感影像傳感器也向著智能化、輕量化、高精度化發(fā)展，傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展為無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)提供了有力的支撐，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，市場(chǎng)上所存在的無(wú)人機(jī)種類繁多，各類型無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間從一小時(shí)至幾十小時(shí)不等，有效載荷分布從幾公斤至幾百公斤。無(wú)人機(jī)滯空及載荷能力的提升有效保障了大范圍、多種類遙感監(jiān)測(cè)任務(wù)的可行性。

隨著通信和信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步以及小型化、輕型化傳感器和遙感設(shè)備的發(fā)展，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)種類不斷增加，多時(shí)相、多光譜、多分辨率等類型遙感數(shù)據(jù)采集成為常態(tài)化，數(shù)據(jù)種類包括有多光譜影像、紅外影像、高光譜影像、微波遙感數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)(Lidar)遙感數(shù)據(jù)與高清視頻數(shù)據(jù)等。遙感數(shù)據(jù)類型的增加也為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。當(dāng)前無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理方法主要分為地面準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理和機(jī)上實(shí)時(shí)處理。傳統(tǒng)的無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理方式受限于機(jī)載處理器計(jì)算能力，只能通過(guò)在地面建立數(shù)據(jù)接收站進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)獲取，之后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的解析、存儲(chǔ)與應(yīng)用。地面準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)即測(cè)即得的遙感數(shù)據(jù)處理效果，在一定程度上降低了工作效率。機(jī)載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理通過(guò)集成GPS，INS及高頻激光測(cè)距等技術(shù)來(lái)建立激光掃描地形系統(tǒng)并以此為平臺(tái)獲取同步遙感圖像，從而可以充分利用無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活的特性來(lái)滿足市場(chǎng)上一些緊急特殊事件的測(cè)繪需求。無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的機(jī)上實(shí)時(shí)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)有效解決了航空攝影測(cè)量中對(duì)地面控制點(diǎn)的需求，該技術(shù)在很大程度上解放了傳統(tǒng)地面數(shù)據(jù)處理中的人力物力，提高了航測(cè)遙感效率。

今后，伴隨著無(wú)人機(jī)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步、機(jī)載傳感器分辨率的提高以及遙感數(shù)據(jù)波段和通訊頻帶寬度的增加，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)將進(jìn)入全新的海量數(shù)據(jù)處理時(shí)代，屆時(shí)，如何自動(dòng)實(shí)時(shí)高效地生產(chǎn)出高質(zhì)量的遙感數(shù)據(jù)將成為遙感領(lǐng)域新的研究方向。

3 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)平臺(tái)具體是由無(wú)人飛行器、高分辨率數(shù)碼傳感器、GPS以及數(shù)據(jù)傳輸處理系統(tǒng)幾部分構(gòu)成。其關(guān)鍵的性能指標(biāo)包括飛行高度、續(xù)航時(shí)間、有效載荷、飛行平穩(wěn)度、導(dǎo)航精度、巡航速度、起降方式等。對(duì)于無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)主要包括有遙感信息采集與傳輸系統(tǒng)和遙感信息處理系統(tǒng)兩部分，如圖1所示。

3.1 遙感信息采集與傳輸系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)遙感信息采集與傳輸系統(tǒng)具體可分為無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)、飛控系統(tǒng)、地面遙控與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。其中，無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)可以說(shuō)是遙感信息采集系統(tǒng)的核心裝置，構(gòu)成元件有無(wú)人機(jī)、傳感器、機(jī)載飛控等，該裝置是進(jìn)行測(cè)繪工作的主要部件。飛控系統(tǒng)主要用于控制無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，具體元部件有GPS、加速度計(jì)、陀螺儀等，在地面操控人員發(fā)出相應(yīng)指令后，無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)接收信號(hào)并對(duì)無(wú)人機(jī)的高度、速度、飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整以滿足航測(cè)時(shí)最佳飛行狀態(tài)。地面遙控與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、全向天線、監(jiān)控軟件等設(shè)備構(gòu)成，使用過(guò)程中由監(jiān)控軟件對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)滿足航測(cè)遙感數(shù)據(jù)的采集要求。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要是將無(wú)人機(jī)飛行之后所采集的遙感數(shù)據(jù)傳輸?shù)綄I(yè)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理平臺(tái)上，當(dāng)前主流的無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)都是在無(wú)人機(jī)完成飛行計(jì)劃后進(jìn)行地面數(shù)據(jù)傳輸，該方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)即測(cè)即得的測(cè)繪效果?？尚械臒o(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸方式可結(jié)合環(huán)境狀態(tài)選擇衛(wèi)星傳輸、視距微波傳輸及超視距數(shù)據(jù)鏈傳輸，同時(shí)在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中進(jìn)行相應(yīng)的編碼壓縮以保證數(shù)據(jù)傳輸速率與完整率，見(jiàn)圖2。

3.2 遙感信息處理系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)所負(fù)責(zé)的任務(wù)主要是后期的遙感影像處理及空中三角測(cè)量結(jié)算。其中，遙感影像處理是依據(jù)航測(cè)任務(wù)表、機(jī)載傳感器檢定參數(shù)等初始數(shù)據(jù)對(duì)原始航片進(jìn)行航帶整理、質(zhì)量檢查、預(yù)處理、拼接、畸變改正等工作，對(duì)數(shù)碼相機(jī)鏡頭非線性畸變與飛行器姿態(tài)變化引起的圖像變形進(jìn)行糾正，以形成可供野外像控測(cè)量和室內(nèi)空三處理的像片文件。空三測(cè)量屬于無(wú)人機(jī)遙感信息處理系統(tǒng)中的核心部分，具體流程是依據(jù)處理后的航帶列表確定各航線之間的相互關(guān)系，對(duì)影像進(jìn)行內(nèi)定向，經(jīng)過(guò)影像間連接點(diǎn)的布局、像控點(diǎn)量測(cè)、平差計(jì)算進(jìn)行自動(dòng)空三加密，以此建立三維立體模型，并進(jìn)行模型定向以及生成核線影像。

4 無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)應(yīng)用與展望

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)應(yīng)用范圍廣闊，市場(chǎng)潛力巨大，具體表現(xiàn)在大比例尺測(cè)圖、災(zāi)后救援、國(guó)土及城市規(guī)劃、土地確權(quán)及利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)、警用偵察監(jiān)測(cè)、大氣研究、地質(zhì)勘探、氣象觀測(cè)、農(nóng)藥噴灑等諸多領(lǐng)域。當(dāng)前民用化無(wú)人機(jī)應(yīng)用已形成一定規(guī)模，眾多成功應(yīng)用表明無(wú)人機(jī)遙感作為一種新型低空遙感技術(shù)手段可以憑借其靈活、便捷的優(yōu)勢(shì)有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)衛(wèi)星和載人飛機(jī)遙感的不足，細(xì)分遙感飛行器空域高度，進(jìn)一步對(duì)傳統(tǒng)遙感技術(shù)手段進(jìn)行補(bǔ)充，滿足不同市場(chǎng)的遙感數(shù)據(jù)需求。然而，作為一種新興應(yīng)用的技術(shù)，無(wú)人機(jī)遙感在某些方面仍然有待發(fā)展，具體表現(xiàn)在機(jī)載傳感器技術(shù)、飛行姿態(tài)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、圖像智能快速處理、綜合系統(tǒng)集成等方面。今后，無(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)的研究可從以下幾點(diǎn)展開(kāi)：

1)強(qiáng)化機(jī)載傳感器全天時(shí)工作能力，增加抗干擾能力，加強(qiáng)傳感器夜間紅外波段數(shù)據(jù)獲取能力；

2)加強(qiáng)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)的飛行穩(wěn)定性及操控準(zhǔn)確度，以獲取準(zhǔn)確的飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)；

3)大力開(kāi)展遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，重點(diǎn)研究無(wú)人機(jī)遙測(cè)數(shù)據(jù)的高壓縮、高保真、高速率的數(shù)據(jù)傳輸方法；

4)不斷更新機(jī)載設(shè)備軟件處理能力以提高相應(yīng)數(shù)據(jù)解算效率及糾錯(cuò)能力，保證飛行任務(wù)的完成速率及準(zhǔn)確率。

無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在當(dāng)前多領(lǐng)域展開(kāi)應(yīng)用工作有效促進(jìn)了無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)的快速發(fā)展，有效提高了無(wú)人機(jī)遙感在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用份額。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，無(wú)人機(jī)遙感必將成為社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展中不可或缺的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。隨著無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用的廣泛開(kāi)展，無(wú)人機(jī)遙感設(shè)備性能與數(shù)據(jù)處理技術(shù)將會(huì)得到快速提升。無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在各行業(yè)的應(yīng)用將具有巨大潛力。

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