航测无人机现状与未来发展趋势

龙源期刊网航测无人机现状与未来发展趋势作者：王潇一来源：《无人机》2017年第07期对于民用无人机而言，平台本身能够“飞起来”产生不了多少实际意义，其真正价值体现在能够完成什么样的应用任务。目前，民用无人机市场的主要需求之一是用于对地观测的航测无人机，其表现特征是应急与快速反应能力以及大比例尺、高精度。航测无人机可以协助城市建设、道路修建，土地执法、测绘、灾害应急、工程建设、考古等多项工作，改善民生，有着很广阔的市场应用前景和很强的发展势头。为此，本刊特别邀请到中国测绘科学研究院研究员丁晓波接受采访，介绍并分析我国航测无人机现状与未来发展趋势。航测无人机的优势利用卫星和大飞机完成航测工作，一般需要一到两年的时间才能得到完整行政辖区的遥感图像，数据滞后，跟不上建设需要，相对而言比较适合宏观的、基础性业务，如国家基本地理信息数据库的更新这类任务。有些区域，如青藏高原、远海岛礁，缺乏机场等基础设施支持，传统测绘手段无法很好地获取到必要信息，人员难以到达，测绘成本高，作业风险极大；卫星观测则往往受限于拍摄轨道、角度以及云朵（地球上空70%被云朵覆盖）阻隔，目前的遥感卫星大约需要两年半的时间才能够覆盖全国一次，且得到结果的分辨率较低，精度不足。轻小型龙源期刊网无人机不依赖机场起降，飞行过程灵活，且能够快速反應，适应高海拔等困难地区作业需要。此外，像远海岛礁这类船只无法靠岸、人也无法登陆的敏感区域，无人机也是最好的测绘选择。航测无人机的发展史第一代航测无人机我国航测无人机的研究最早可以追溯到20世纪90年代初，最初的航测无人机是在航模基础上改造而来，被业内人士称作是第一代航测无人机，如中国测绘科学研究院的MARS-1微型航空遥感系统。但是，这种无人机存在着这样几个问题：一是没有自动驾驶仪，需要人工依靠电视图像和地图地物标记导航；二是携带的相机是胶片式相机，后处理不灵活。从实际应用来看，这一代无人机是可以完成部分科研实验性的航测任务，但总体而言是“不好用”的。因此，第一代的产品最终没有进一步推广。但是这一代航测无人机的出现开拓了航测无人机的应用模式，推出了航测无人机的基本构型和设想，给未来的研究打下了技术基础。第二代航测无人机进入21世纪后，数码相机技术进步神速，我国的自动驾驶仪技术也得到长足发展，第二代无人机应运而生。2005年前后，航测无人机开始兴起，最开始还是试验阶段，后来逐渐投入应用，完成了一系列测绘工作，任务效果与市场反响都不错。2008年，汶川地震毁坏了很多设施，其他遥感手段很难准确、快速获取灾区信息，无人机在应急救援过程中扮演了至关重要的角色。报道灾情、救灾现状等任务效果最好的就是航测无人机。救援人员分析由无人机拍摄照片拼成的完整受灾现场图片，精确地了解了受灾人口、受灾面积，确定危险区域，在灾后重建时无人机也可以很好地明确重建工作以及赈灾物资。因此，政府官员与老百姓非常直观地认识到无人机非常适合应急救援任务中的灾情调查，评估，应急决策服务，灾后重建等工作。2009年国家测绘地理信息局决策制定年度计划，将装备无人机作为重要任务之一，希望利用无人机增强应急测绘能力，改善以往应急测绘滞后性的问题。国家测绘地理信息局也成为了我国民口部委中第一个批量装备无人机的行业管理部门，也是第一个以官方名义倡导开启无人机业务运行项目行业部门，一度占据全国民用专业无人机装备总数量的近50%，成为国内首屈一指的专业无人机大用户。第三代航测无人机上述第二代航测无人机依靠数码相机和简单的自动驾驶仪可以完成简单航测任务。2010年之后，当这一批无人机装备到各单位运营之后产生了一批应用，逐步为社会和国家管理部门认可，数量开始大规模增长，大量无人机公司涌现，2015年统计达到3000架数量（摘自科学出版社《轻小型无人机发展报告》），无人机航测相关研究机构需要研究更高新技术来提升无人机航测应用效率和精度，中国测绘科学研究院和中测新图（北京）遥感技术有限责任公司龙源期刊网（简称“中测新图”）着手对航测无人机进行升级换代，新一代航测无人机出现。第三代无人机向更专业级方向发展，强调快速监测与快速反应，追求高精度，向大飞机遥感系统技术靠拢，不再使用改造的民用数码相机，而是配备高精度专业测量相机。此外，还要升级复杂的自动控制系统、图像传输系统以及集成图像处理软件，与专业工作车、生活保障车、指挥车、卫通、联网设备一体化集成，形成全流程任务调度、指挥控制、数据流转、远程会商、信息分析服务、辅助决策等互联互通，信息化智能化工作模式。在此背景之下，中国测绘科学研究院中测新图推出了长航时民用无人机，可以持续飞行30h，飞过了钓鱼岛与西沙群岛部分岛礁等，参与了抓捕糯康跨境反恐禁毒行动。研究院的一些小型无人机还航测了青藏高原地区的30余座县城，测制了填补空白的大比例尺地形图。这一代航测无人机不再是航模改型概念了，已经正式迈入了专业无人机行列。第四代航测无人机2017年以来，国家希望进一步发展无人机，升级无人机应急服务能力，包括像军用遥感无人机技术看齐，如战略/战术无人机将具有强大的测绘与图像传输能力，可以获取国内任意地区的数据，在突发事件和灾害发生时，可以调用这种飞机与轻小型民用测绘无人机搭配组网运行。目前，国家发改委已经立项大力发展这类无人机应急航空体系能力，采购专业级无人机，进行规模化装备，满足应急、测绘、工程建设等地形图生产更新需求。中国测绘科学研究院中测新图也在发展用于对地观测的新一代无人机，保证续航时间达到6～7h，任务载重20kg，能够携带大面阵航测相机、惯性测量单元（IMU）、稳定云台、光电吊舱等多个传感器与200km远程通信链路。此外，也在研究无人机空管技术，希望能够形成无人机遥感网，建立优于0.2m精度的高分辨率、覆盖全国的影像数据库，构建厘米级甚至毫米级精度的数字中国。航测无人机的关键技术从当前的测绘与灾害应急等行业需求来看，航测任务对无人机平台本身要求并不高，不需要高精尖飞行性能，经济适用足矣。任务过程需要保证平台飞行姿态四平八稳，具备最基本的可靠性和续航能力，适应特定的地理环境。对于航测无人机而言，最关键的技术还是测量相机等测绘传感器技术和自动驾驶仪多任务控制技术。此外，还有图像传输技术、稀少无控制测图技术、倾斜摄影建模技术、快速和高精度数据处理软件技术等。测绘传感器由于任务要求，航测无人机需要具有高精度的对地观测能力，用于地理观测的高精度测量相机是非常重要的。过去的遥感测绘精度都在几米甚至几十米级别，亚米级别已经属于很高的质量。未来，测绘相机精度将向分米级甚至厘米级发展，这不是遥不可及的梦想，因为目前已经出现精度达到1～2cm的测绘成果。当对地观测精度达到厘米级后，信息量将变得非常丰龙源期刊网富，观测人员可以实现区域完整覆盖，可以精确地观察到包括门牌号、社区布局、公共设施等在内的各类细节，类似城市全息成像，观测者还可以在所有感兴趣的点上标注。此外，测绘相机也会向立体建模方向发展，可以让城市所有建筑都“立起来”，以上这些是航测无人机的日间任务。在夜间，无人机可以利用激光雷达（LiDAR）与迷你合成孔径雷达（SAR）应急光电吊舱等完成对地观测任务，得到的图像分辨率也达到了分米级。随着国产相关技术进步，我國航测无人机将会实现昼夜不间断的对地观测。自动驾驶仪自动驾驶仪对于无人机而言是至关重要的，随着传感器种类的增加，自动驾驶仪需要很好地控制不同传感器，保证任务完成。对于航测无人机，为了更好地适应使用环境，自驾仪还需要控制无人机进行垂直起降和固定翼飞行模式切换等。当发生特殊情况，如信号丧失、器件故障等，自驾仪也需要具备一定的容错能力，控制无人机原地盘旋、迫降或返航安全保护措施。另外，在组网运行条件下，具备多任务上传与切换功能，具备空管控制协调机制。图像传输技术图像传输技术也是航测无人机重要技术之一。在应急救援中，航测无人机实时面临着各式各样的风险，地面人员需要无人机能够将采集的图像数据及时传输回来进行后续处理，高效的图像传输可以显著提高任务效率。此外，万一无人机在任务过程损失了，但是只要数据传送回来，任务依然是成功的。目前，航测无人机应用了部分类似军用数据链路，如C波段、L波段等链路，允许信号指令和遥感数据的备份多路传输，一方面直接从无人机传输至地面站，另一方面可以经过卫星再传输到后方省一级或者国家一级指挥控制大厅等。稀少无控制测图技术稀少无控制测图技术通常用在测绘人员无法到达的区域，如沙漠戈壁、高原、原始森林、沿海岛礁，利用该技术可以得到具有一定精度的地形图，精度可以达到1～2m的级别。为了实现稀少无控制测图，无人机除了正常测绘扫描式航线外，还会飞一些横向交叉航线，也叫构架航线，用于改善定位精度。与此同时，在拍摄照片时，还会通过北斗或GPS确定拍摄位置，并利用惯导确定无人机姿态，最后，空中三角测量计算软件一并对这几种手段得到的数据龙源期刊网进行联合计算得到最终的成果图。此外，目前已经具备一些独特功能，例如在水域比较清澈时，采用遥感水深反演和双介质水深测量综合测量技术还可以得到50m处的水下地形。倾斜摄影技术倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多镜头立体传感器，同时从多个不同的角度采集影像。当前，很多无人机都可以携带3头甚至5头相机，利用倾斜摄影对城镇建筑物进行三维建模，达到厘米级分辨率，换句话说，相当于对城市进行了一次三维全息照相，人们可以提取所有感兴趣的信息。这一发展趋势目前来看非常明显，结合地面一些采集手段弥补一些遮挡地区，可以对未来进行展望，将来人们是可以立体三维化地球上任一城市的任何一个角落，将整个地球搬进办公室电脑，实现智慧社区、智慧城市、智慧中国乃至智慧地球。存在的问题丁晓波研究员认为，当前有可能制约航测无人机乃至整个民用无人机市场发展的问题主要有两个，一个是无人机监管政策问题，另一个是市场没有很好地整合研发资源，重复建设太多。龙源期刊网无人机监管制定民用无人机的大发展也给我国无人机空域管理方面带来了一定的混乱，肆意乱飞的无人机影响人们生活生产安全，增大反恐压力，扰乱空中秩序。现行的空管体制对无人机监管是不太有效的，虽然有相关技术监管，但是仍然很难防住无人机乱飞、黑飞。无人机管理是一个跨部门、跨行业问题，无人机既属于航空器，又涉及材料、机械电子等多学科，还在测绘、灾害应急、植保、物流、影视文化等多个行业都有应用，还可以是个人玩具。目前仍然没有一家政府单位能对无人机的监管完全说了算。从管理者方面考虑，军队有管理制度，民航有管理制度，工信部对电子装备、对无线电也有一套管理制度，测绘局从事测绘任务时需要资质管理，公安等执法部门使用时需要管理，科技研究、试验与教育教学也需要管理，这些都造成了目前无人机管理办法很难出台。尽管如此，相关机构也在努力探寻合理的、有利于无人机发展的管理办法。但是这并不是一件容易的事情。国家空管委管理所有空域，军用无人机自成体系很好管理，而民用无人机出龙源期刊网现多重跨界，造成了无法以一个部门一套管理办法完全适用，如果仓促出台一刀切的管理政策，将会危害民用无人机行业领域应用的发展。比如为了安全，目前所有无人机飞行都必须要申报，这会造成新的问题：如果像大飞机一样进行申报，周期会很长，对于普通遥感测绘任务还好，对于应急救援这类快速反应任务进行申报走流程是绝对来不及的，这将丧失无人机本来具有的机动灵活与快速反应技术优势，丧失低成本的经济优势。从未来发展来看，成立或授权一个综合管理民用无人机的机构统一管理，再或者对无人机进行科学的分级分类研究并分别管理，这是比较适应当前民用无人机应用发展趋势的举措。当前，人们在划分无人机界线上有着