基于專(zhuān)利視角的新一代大幅面高精度航空測(cè)繪系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)研究

石煜攀 朱曉昕 朱曉杰 劉秀 張昕

隨著航空攝影測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，航空測(cè)繪相機(jī)逐漸發(fā)展為兩個(gè)分支：其一為以搭載在無(wú)人機(jī)上的輕小型航測(cè)相機(jī)系統(tǒng)為主流方向，充分發(fā)揮了靈活機(jī)動(dòng)、適應(yīng)低空拍攝、應(yīng)用限制小的特點(diǎn)。另一分支是以高分辨率、大幅面為主要特點(diǎn)的高端航空測(cè)繪相機(jī)，其能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高效率、高質(zhì)量的“三高”航空攝影。本文以大幅面高精度航空測(cè)繪系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)成像模式、測(cè)繪相機(jī)檢校、光機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路、圖像處理為主要切入點(diǎn)，通過(guò)專(zhuān)利視角對(duì)技術(shù)發(fā)展方向、技術(shù)保護(hù)布局及發(fā)展前景等進(jìn)行研判分析，為我國(guó)航空測(cè)繪技術(shù)的進(jìn)一步高速發(fā)展提供借鑒和參考。

1.國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)分析

航空測(cè)繪相機(jī)的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)從20世紀(jì)20年代開(kāi)始出現(xiàn)，經(jīng)歷了萌芽期（1908-1990年）、發(fā)展期（1991-2010年）和快速發(fā)展期（2010年至今）。在萌芽期，年專(zhuān)利申請(qǐng)量不超過(guò)6件，Leica是這方面的先驅(qū)，之后隨著膠片的廣泛應(yīng)用，膠片型航空測(cè)繪相機(jī)也隨之流行開(kāi)來(lái)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，CCD （charge coupled device）技術(shù)給航空測(cè)繪相機(jī)發(fā)展帶來(lái)了巨大的機(jī)遇，在70年代，德國(guó)公司DASA創(chuàng)造了世界上第一臺(tái)CCD成像系統(tǒng)EOS，CCD作為航空測(cè)繪相機(jī)成像介質(zhì)，在當(dāng)時(shí)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在80年代后期，線陣CCD的出現(xiàn)為數(shù)字航空測(cè)繪相機(jī)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

在發(fā)展期，專(zhuān)利申請(qǐng)開(kāi)始增長(zhǎng)，以美國(guó)為代表的世界各國(guó)在航空測(cè)繪方面投入了大量的資金和研發(fā)力量，制定了長(zhǎng)期的發(fā)展計(jì)劃，取得了重大的技術(shù)進(jìn)步。90年代中葉數(shù)字航空攝影相機(jī)DPA（digital photogrammetry assembly）問(wèn)世，引起了轟動(dòng)。DPA的探測(cè)器由六條FairChild公司生產(chǎn)的10μm線陣CCD組成，像元12K，80mm焦距，采用三線陣機(jī)制實(shí)現(xiàn)多光譜和立體測(cè)繪功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)大比例尺的測(cè)繪需求。從2010年后，隨著中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的增加，技術(shù)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。成像模式、測(cè)繪相機(jī)檢校、光機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路、圖像處理等技術(shù)分支的專(zhuān)利申請(qǐng)整體都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，成像模式技術(shù)一直以來(lái)都是測(cè)繪相機(jī)技術(shù)的研究焦點(diǎn)，近十年的專(zhuān)利申請(qǐng)量達(dá)上千件（圖1）。

航空攝影測(cè)量從模擬測(cè)量逐步發(fā)展到數(shù)字測(cè)量，從原來(lái)的膠片式相機(jī)已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字相機(jī)。2000年以來(lái)，在國(guó)際上陸續(xù)出現(xiàn)并不同程度投入使用的大幅面高分辨率成像測(cè)繪相機(jī)，隨著技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展，面陣型測(cè)繪相機(jī)幅面越來(lái)越大、測(cè)繪精度越來(lái)越高。以UltraCam系列相機(jī)和DMC系列相機(jī)為代表的國(guó)外高端航測(cè)相機(jī)，分別代表了拼接式相機(jī)和單一大幅面相機(jī)的領(lǐng)先水平。在國(guó)內(nèi)領(lǐng)域，SWDC-4測(cè)繪相機(jī)也是采用外視場(chǎng)拼接的典型產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣泛，但其核心部組件如鏡頭、相機(jī)后背等仍以國(guó)外成熟產(chǎn)品為主。

1.2專(zhuān)利申請(qǐng)區(qū)域分析

航空測(cè)繪相機(jī)的專(zhuān)利申請(qǐng)主要來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)、日本，這幾個(gè)國(guó)家總的申請(qǐng)量占總申請(qǐng)量的78%。其中，中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)最多達(dá)到1262件，占總申請(qǐng)量的54%；美國(guó)排名第二，共申請(qǐng)了286件專(zhuān)利申請(qǐng)，占總申請(qǐng)量的13%；韓國(guó)排名第三，共申請(qǐng)了168件專(zhuān)利申請(qǐng)，占總申請(qǐng)量的8%。日本，歐洲、德國(guó)和俄羅斯等也有部分專(zhuān)利申請(qǐng)（圖2）。

美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)出現(xiàn)最早，從20世紀(jì)20年代就開(kāi)始出現(xiàn)，雖然美國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)總量不多，但基礎(chǔ)專(zhuān)利較多，是航空測(cè)繪技術(shù)整體實(shí)力最強(qiáng)的國(guó)家。日本的專(zhuān)利申請(qǐng)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始出現(xiàn)，近兩年來(lái)日本株式會(huì)社公司申請(qǐng)了較多的關(guān)于航拍路線數(shù)據(jù)采集的專(zhuān)利。中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)出現(xiàn)較晚，第一件專(zhuān)利申請(qǐng)是關(guān)于航空攝影機(jī)電子激光測(cè)速儀，一種檢定航空攝影機(jī)光學(xué)系統(tǒng)特性和成像質(zhì)量的設(shè)備。從2008年開(kāi)始，專(zhuān)利申請(qǐng)快速增長(zhǎng)，一方面是由于我國(guó)近年來(lái)加大了對(duì)航空測(cè)繪技術(shù)的投入，產(chǎn)生了一定的技術(shù)成果，另一方面是由于在國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略的驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)企業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)在增強(qiáng)（圖3）。

1.3 典型重點(diǎn)專(zhuān)利解讀

本項(xiàng)目對(duì)檢索到的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)，以專(zhuān)利申請(qǐng)人、同族專(zhuān)利、被引證信息、公開(kāi)日期、政府資助專(zhuān)利情況等為重要參考指標(biāo)，逐件閱讀發(fā)明創(chuàng)造內(nèi)容，最終確定重點(diǎn)專(zhuān)利技術(shù)100余件。本文共選取8件典型專(zhuān)利進(jìn)行分析（表1），這些專(zhuān)利對(duì)新一代大幅面高精度航空測(cè)繪系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)技術(shù)研發(fā)、技術(shù)路線和發(fā)展趨勢(shì)研判具有重要參考作用。

公開(kāi)號(hào)為US20090268983A1的美國(guó)專(zhuān)利涉及多相機(jī)拼接的圖像處理方式，每個(gè)相機(jī)具有光軸與其他相機(jī)鏡頭的光軸平行排列的鏡頭，以及具有一個(gè)或多個(gè)非相鄰像素化傳感器的數(shù)字圖像傳感器陣列。由一組傳感器成像的部分完全填充在由其他傳感器組成像的其他部分之間找到的圖像間隙，從而可以產(chǎn)生目標(biāo)區(qū)域的無(wú)縫鑲嵌圖像。

公開(kāi)號(hào)為T(mén)WI383666的中國(guó)臺(tái)灣專(zhuān)利為多重鏡頭相機(jī)系統(tǒng)之先進(jìn)式動(dòng)態(tài)接圖方法，主要解決針對(duì)存在于多重鏡頭相機(jī)系統(tǒng)中的視差（parallax）現(xiàn)象，接圖點(diǎn)隨著物體距離而變化的問(wèn)題，降低傳統(tǒng)找尋接圖點(diǎn)的區(qū)塊比對(duì)方法所需要的高運(yùn)算能力，可動(dòng)態(tài)地調(diào)整接圖點(diǎn)。

公開(kāi)號(hào)為US6694064的美國(guó)專(zhuān)利涉及一種用于對(duì)齊多個(gè)數(shù)字圖像以形成馬賽克圖像的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于計(jì)算和應(yīng)用幾何變換來(lái)對(duì)齊圖像，從而形成無(wú)縫拼接。

公開(kāi)號(hào)為EP0466979的德國(guó)專(zhuān)利涉及相機(jī)檢校技術(shù)，用位置測(cè)量系統(tǒng)、光柵相機(jī)和光柵相機(jī)的處理裝置在照明光線路徑中使用移動(dòng)針孔光闌進(jìn)行共焦和同時(shí)圖像生成，同步讀出針孔膜片的像素，該專(zhuān)利申請(qǐng)人為L(zhǎng)eica，申請(qǐng)時(shí)間較早，但仍具有一定的參考價(jià)值。

公開(kāi)號(hào)為US9313411B2的美國(guó)專(zhuān)利涉及一種相機(jī)的失真校正裝置和校正方法，通過(guò)重新映射畸變圖像的像素來(lái)執(zhí)行畸變圖像的電子變焦和畸變校正。按照一個(gè)指定的電子變焦倍率，重映射控制單元控制重新映射由電子變焦和變形校正處理部，使得所述失真的校正因子除了電子變焦處理的電子變焦因子之外，校正處理被改變。公開(kāi)號(hào)為US9940717B2的美國(guó)專(zhuān)利也屬于校驗(yàn)技術(shù)，涉及一種幾何相機(jī)自我校準(zhǔn)質(zhì)量評(píng)估的方法和系統(tǒng)，具有代表性。

公開(kāi)號(hào)為US20210350618A1的美國(guó)專(zhuān)利為光機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種使用飛行器改進(jìn)空中測(cè)繪的系統(tǒng)和方法，為與感興趣區(qū)域的空中掃描相關(guān)聯(lián)的UAV的UAV任務(wù)生成一組任務(wù)參數(shù)；控制無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)；生成與任務(wù)相對(duì)應(yīng)的圖像子組件；在顯示器處呈現(xiàn)圖像子組件。

公開(kāi)號(hào)為JP2005252804A的日本專(zhuān)利涉及圖像處理技術(shù)，通過(guò)使用多個(gè)投影儀，在相鄰?fù)队皥D像具有重疊區(qū)域的狀態(tài)下，能夠在執(zhí)行平鋪投影中適當(dāng)?shù)仄ヅ渲丿B區(qū)域。

上述幾個(gè)專(zhuān)利是重點(diǎn)專(zhuān)利的典型代表，通過(guò)所有重點(diǎn)專(zhuān)利的標(biāo)引分析研究，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外大幅面航空測(cè)繪領(lǐng)域的主要知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局包括以下幾個(gè)方面：相機(jī)/焦面組合構(gòu)建大幅面拼接式相機(jī)的模式；拼接式/組合式相機(jī)的安裝及測(cè)試裝置；相機(jī)控制及環(huán)控技術(shù)；基于監(jiān)測(cè)和圖像處理方式實(shí)現(xiàn)的高精度影像拼接技術(shù)；針對(duì)相機(jī)特殊結(jié)構(gòu)的仿真測(cè)試和檢校環(huán)境搭建等。測(cè)繪系統(tǒng)的成像方式包括線陣、面陣、線面結(jié)合等方式，視場(chǎng)擴(kuò)展拼接包含內(nèi)視場(chǎng)、外視場(chǎng)、混合拼接等，測(cè)繪星際系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜度高，難度大，技術(shù)涵蓋總體、光、機(jī)、電、熱、算法等各個(gè)方面，美國(guó)、德國(guó)、日本等技術(shù)領(lǐng)先。

2我國(guó)新一代大幅面高精度航空測(cè)繪系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)與對(duì)策建議研究

2.1推動(dòng)大幅面航空測(cè)繪相機(jī)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

高端航測(cè)系統(tǒng)是地理信心產(chǎn)業(yè)鏈中的高精尖設(shè)備，是國(guó)家遙感技術(shù)進(jìn)步的重要體現(xiàn)，市場(chǎng)上對(duì)于高分辨率航空相機(jī)的需求處于上升的狀態(tài)。目前，我國(guó)相關(guān)單位研制的超大幅面航空測(cè)繪相機(jī)能夠獲得畫(huà)幅9億像素級(jí)大幅面面陣圖像數(shù)據(jù)，具有高分辨率、大基高比、大視場(chǎng)角等特點(diǎn)。但整體上，我國(guó)相關(guān)技術(shù)與國(guó)外相比仍有較大差距，對(duì)于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品和技術(shù)專(zhuān)利布局還不夠，對(duì)于相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化研制能力考慮不足。要基于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的思路，完善大幅面航空測(cè)繪相機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)體系化的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)布局。

2.2開(kāi)展針對(duì)性大幅面航空測(cè)繪相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

隨著測(cè)繪地理信息發(fā)展進(jìn)入了全面構(gòu)建數(shù)字中國(guó)的關(guān)鍵期，測(cè)繪產(chǎn)品需求的旺盛期、地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)遇期，航空測(cè)繪市場(chǎng)發(fā)展正處于大有作為、能夠作為的黃金戰(zhàn)略機(jī)遇期，要求盡快圍繞大幅面航空測(cè)繪相機(jī)關(guān)鍵技術(shù)難題，開(kāi)展靈活、有針對(duì)性的研發(fā)攻關(guān)?，F(xiàn)有研究主要集中于大幅面航空測(cè)繪相機(jī)理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，距離產(chǎn)品化、產(chǎn)業(yè)化還有諸多關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)，如內(nèi)外視場(chǎng)混合拼接技術(shù)、相機(jī)控制和控溫環(huán)節(jié)中的技術(shù)瓶頸等。

2.3加強(qiáng)國(guó)內(nèi)創(chuàng)新主體的產(chǎn)學(xué)研合作

通過(guò)專(zhuān)利分析發(fā)現(xiàn)，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家創(chuàng)新主體開(kāi)展航空測(cè)繪相機(jī)研究較早，在全球?qū)＠季址矫嫔罡嗄?，形成了一些基礎(chǔ)專(zhuān)利，具有穩(wěn)固的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，且有些創(chuàng)新主體之間存在合作關(guān)系。我國(guó)各創(chuàng)新主體之間研究相對(duì)獨(dú)立，雖然近年來(lái)專(zhuān)利申請(qǐng)量增加明顯，但技術(shù)整體實(shí)力還不夠，建議創(chuàng)新主體圍繞技術(shù)研發(fā)需求，在自主創(chuàng)新渠道之外，在國(guó)內(nèi)靈活采取專(zhuān)利技術(shù)合作研發(fā)、專(zhuān)利收購(gòu)、專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓和許可等多種技術(shù)交易和運(yùn)營(yíng)策略，構(gòu)建完善的產(chǎn)學(xué)研合作網(wǎng)絡(luò)。

2.4加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的專(zhuān)利布局

總體上，我國(guó)的大幅面航空測(cè)繪相機(jī)專(zhuān)利布局處于理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證階段的多，市場(chǎng)化特征不鮮明。隨著大幅面航空測(cè)繪相機(jī)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，各單位要繼續(xù)完善在大幅面航空測(cè)繪相機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)利布局。根據(jù)自身研發(fā)情況，結(jié)合同領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)有專(zhuān)利申請(qǐng)情況，選擇重點(diǎn)領(lǐng)域，有序開(kāi)展專(zhuān)利布局，建議基于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)圖譜和發(fā)展規(guī)劃，根據(jù)不同技術(shù)的創(chuàng)新方向或是技術(shù)方案，進(jìn)行具體的布局策略和挖掘方法，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大幅面高精度航空測(cè)繪產(chǎn)品。

（作者單位：石煜攀，朱曉昕，朱曉杰，劉秀，北京空間機(jī)電研究所；張昕，航天東方紅衛(wèi)星有限公司）