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我国无人机遥感技能打破与工业打开总述

发布时间:发布时间:2023-02-02 07:08:44   来源:环球体育注册

  摘要:无人机是未来网络环境下一种数据驱动的空中移动智能体,而无人机遥感则是无人机运用最重要的引领性工业。本文首先以国表里无人机遥感打开现状为布景,要点概述了我国无人机遥感21世纪以来“十五”到“十三五”所取得的具有代表性的国家支撑与推进的打开进程,论述了无人机遥感定标场,航空航天定标场的树立以及运用验证,包含无人机遥感体系的载荷与体系技能打开;然后,进一步论述了以遥感定标场、地物参量引导载荷功用、体系模型为代表的我国无人机遥感的相关技能跨过;接着,概略介绍了无人机遥感在国防反恐安全以及跨国应急救援,疆土测绘与海洋岛礁测绘运用,地质灾祸运用以及国家应急救援等范畴的工业运用;终究,介绍了我国在无人航空遥感范畴打开的跨过性的作业,包含组网智能操控、精度和实时性衡量根底、载荷渠道自安排冗余容错、遥感大数据云处理技能和无人机遥感组网有用化等内容。未来无人机遥感打开的全体方针是树立起具有快捷信息获取才干的无人航空器组网观测体系,完结无人航空器组网技能由项目层面跨过到遥感范畴,一起也为我国成为国际遥感强国的国家战略跨过奠定根底。

  无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)是一种由动力驱动、机上无人驾驶、依托空气供给升力、可重复运用航空器的简称[1]。1917年,国际上第一架无人驾驶飞机由英国皇家航空研讨院研制成功。无人机前期首要用于辅佐航空规划。从20世纪20年代到21世纪初期,无人机先后经过了无人靶机、操控无人侦查机和电子无人机、指令遥控无人侦查机和复合操控多用途无人机的打开,技能日趋老练。

  到20世纪末,各国制作的无人机达几百种,其功用和本钱根据其用途差异甚大。以美国全球鹰为代表的长航时高空无人侦查机的实践运用建议了无人机研讨的热潮[2]。而此刻无人机仍是以军用为主,逐渐向民用范畴扩展[3,4]。在无人机的工业打开上,美国把握中心技能并长时刻处于全球的领先地位,美军初次于越南战役中运用无人机进行监督侦查,并于海湾战役和科索沃战役中进行广泛的运用,有用削减美军人员伤亡。

  无人机遥感体系是在无人机等相关技能打开老练之后构成的一种新式的航空遥感体系。它运用无人机作为遥感渠道,集成小型高功用的遥感传感器和其它辅佐设备,构成灵敏机动、续航时刻长、全天候作业的遥感数据获取和处理体系[5,6]。无人机所能搭载的传感器也是多样的,澳大利亚运用美国研制出的“全球鹰”无人机搭载的光电(EO)/红外(IR)/SAR一体化集成载荷可运用于海洋监测 等[7]。美国航空航天局(NASA)也将多种无人机运用于海洋遥感(包含监测飓风和龙卷风)等研讨项目。进入21世纪今后,无人机逐渐进入民用范畴并构成工业,美国能源部在大气辐射丈量(ARM)方案中运用Altus无人机对大气对流层中的云层进行辐射和散射丈量,以研讨云层与来历于太阳和大地的辐射的互效果,为准确猜想二氧化碳引起的地表温室效应研讨服务[3,4]。

  我国无人机的工业打开起步晚,在技能水平等各个方面跟发达国家比较有显着间隔,但打开敏捷。20世纪50年代我国正式开端研制无人机,60年代出产出了低速遥控靶机,70到80年代打开成功了“长虹”以及“漫空1号”无人机。直到21世纪今后,我国的无人机工业才进入了飞速打开的阶段[8],北京航空航天大学、南京航空航天大学、西安爱生技能集团、南京模仿技能研讨所等科研院所和公司研制了各种类型的无人机,但其首要用途仍以军事侦查为主。20世纪90年代,我国测绘科学研讨院开端民用无人机的研制,较早运用于测绘范畴[9]。21世纪起,无人机遥感技能在我国起步并快速打开起来。

  值得一提的是,2012年开端国内消费级无人机商场出现了爆炸性添加,深圳大疆立异科技有限公司将多旋翼的无人机飞翔渠道面向消费级商场,也将航拍变成了一般群众的一种喜好[10]。

  1.2 “十五”(2001-2005)期间科技部等开端支撑民 用无人机遥感体系技能

  我国工业型无人机遥感体系研制始于2000年。2002年贵州盖克无人机有限公司在北京大学技能支撑下取得的科技部科技型中小企业立异基金“空间遥感渠道中的CMOS成像与信息处理体系”(02C),是国家前期支撑民用无人机遥感载荷渠道研制的重要代表[11]。项目完结了无人机遥感原型体系的全体规划,由空中部分、地上部分和辅佐部分组成。其间,空中部分包含遥感传感器子体系、空中遥感操控子体系、无人机遥感渠道及其支撑子体系。地上部分包含航迹规划子体系、无人机地上操控子体系、数据接纳解压缩与实时显现子体系和遥感数据预处理子体系。辅佐部分则包含定标体系、地上实验以及触及无人机遥感的要害技能研讨等[12,13]。

  在国家科技攻关方案项目“多用途无人机航空遥感体系研制”(2004BA104C)的支撑下,贵州航空工业(集团)有限责任公司、北京大学、我国科学院遥感运用研讨所于2005年8月8日在贵州省完结了我国大型多用途无人机遥感体系初次实践飞翔实验(图1、图2),完结了体系的预期方针。国家多部委、教育部、航空总公司、科技部国家遥感中心、“863”方案有关专家组、国防科工局和多军兵种到会试飞活动。次日国家CCTV1新闻联播加以报导。飞翔实验完结了对遥感设备的主动拍照、遥感图画获取、快视图实时生成与传输、地上数据接纳及显现等悉数使命。遥感设备的操控和一切飞翔实验内容经过预编程序完结主动操控,到达了无人机遥感原型体系的预期方针,验证了实验体系的可靠性。图3是首飞获取的遥感印象制作的效果图[14]。

  以此为根底,国家发改委于2005年在确认企业技能中心立异才干建造项目“无人驾驶空中对地观测体系研制渠道才干建造”(国发改办高技[2005]1534号)的支撑下,实验完结了无人机航空遥感的主动化作业,处理了大型无人机渠道、遥感载荷、空中遥感操控子体系以及地上数据接纳等方面的要害技能,完结在中雨、劲风状况下阅历了长航时遥感作业飞翔,为我国无人机遥感体系的工业化研制和功用完结奠定了技能根底[11,14],标志着我国高端无人机遥感体系工业化的开端,填补了我国工业型民用无人机遥感范畴的空白。

  1.3 国家支撑的十一五到十三五(2006-2020)无人机遥感首要打开

  2006-2010年第十一个“五年方案”期间,由我国科学院光电研讨院、北京市信息技能研讨所、贵航集团、北京航空航天大学、北京大学等国内研讨机构一起协作,承当了国家“863”方案要点项目“无人机遥感载荷归纳验证体系”(2008AA121800)。由此完结无人机民用遥感体系研制工程性技能的打破,建成了国内首个无人机遥感载荷北方(内蒙古包头)、南边(贵州安顺)归纳验证场,推进了高分辨率无人机遥感运用走向体系化和定量化[15]。同期,武汉大学和信息工程大学联合树立起了我国首个航空航天定标场,为拓宽无人机遥感与航天遥感结合奠定了根底。

  2011-2015年第十二个“五年方案”期间,我国科学院光电研讨院、我国测绘院、中电科技集团54所等打开了“863”方案要点项目“无人机遥感安全检测技能与网络演示体系研讨”(2013AA122100),该项目在无人机遥感体系测控可靠性评价技能、遥感载荷功用与数据质量检测技能、无人机遥感体系安全检测规范与事务运转体系、根据斗极/GPRS/3G技能的无人机遥感网络体系要害技能、根据卫星中继技能的信息传递方面取得体系化效果;研制的小型化单Ka中继卫星机载终端设备,是我国首款根据中继卫星的无人机单Ka机载终端设备,完结无人机数据的高速异地实时传输,填补了国内空白,为无人机遥感组网运用演示迈出了坚实的一步。2011年,科技部航空数据获取工业联盟理事长单位北京星六合信息科技有限公司、武汉大学牵头安排的国家科技支撑方案项目“高功用航空遥感数据主动处理加工软件”(2011BAH12B00),树立起了机载传感器数据实时监测与监控体系,以及海量航空遥感正射产品主动化处理体系,完结了航空遥感数据主动处理与加工体系功用测验与验证,为无人机遥感软件运用奠定了工程根底。

  2013年起,北京大学将“十一五”定标场所上验证技能移植运用,与武警警种学院一起树立起我国首个轻小型无人机遥感定标场,由此完结应急救援武警军兵种首个遥感定标场和训练基地,填补了国内武警无人机应急救援的空白。该验证场后来成为国家遥感中心的应急救援部。

  2014年,科技部国家遥感中心组成轻小型无人机遥感运用专家组,开端发动全国性无人机遥感资源规划布局研讨。2015年,国家遥感中心同意依托中科院光电院在无人机遥感载荷北方(内蒙古包头)归纳验证场的根底上挂牌国家高分辨率遥感归纳定标场。

  2016年至今的国家第十三个“五年方案”期间,国家科技部扩展了无人机遥感标志性范畴和技能的支撑。其间,代表性的有我国科院学地舆科学与自然资源研讨所牵头的严峻研制方案项目“高频快捷无人航空器区域组网遥感观测技能”(2017YFB 0503000),面向需求,打破多元渠道组网要害技能,研制集成组网观测硬件设备体系和规划调度与安全管控体系,完结资源优化、规划调度、产品和服务等协同一体的区域组网,构建交融国家户外科学观测台站为无人航空器空港的组网观测体系,具有常态化服务的才干。

  表1是2016-2018年科技部“地球观测与导航范畴”要点专项立项的项目有关核算。其间直接与无人机相关的项目有:全空间信息体系与智能设备办理,天空位协同遥感监测精准应急服务体系构建与演示,区域协同遥感监测与应急服务技能体系;高频次快捷无人航空器区域组网遥感观测技能,重特大灾祸空六合一体化协同监测应急呼应要害技能研讨及演示,疆土资源与生态环境安全监测体系集成技能以及应急呼应演示;乡镇公共安全立体化网络构建及应急呼应演示等。2016-2018年直接与无人机相关的项目有:广域航空安全监控技能以及运用;城市群经济区域建造与办理空间信息要点服务以及运用演示,城乡生态环境归纳检测空间信息服务以及运用演示;全球归纳观测效果办理以及同享服务体系要害技能研讨等。

  表1 2016-2018年国家要点研制方案“地球观测与导航”要点专项项目核算

  “十三五”期间,科技部其他严峻专项、相关部委科技立项也很多触及无人机遥感。其底子方针便是要完结从有人航空遥感向无人航空遥感的跨过,为全国厘米级分辨率获取才干建造、从而为国际遥感强国的国家战略跨过奠定根底。

  要完结定量化,应为无人机遥感做一个标尺,以完结“衡量”。无人机定标场的树立为无人机航空遥感供给了精密标尺,为完结厘米级高分辨率运用供给技能打破;航空航天定标场的树立则在上述根底上,为完结无人机遥感数据与航空航天数据交融供给技能确保。一起,从本源上消除地上印象的上端光电仪器体系差错,完结地学与光电参量物理贯穿。以地表方针牵引传感仪器产品打开,研制高空间信息质量的航空航天载荷,进一步确保无人机遥感的准确认量化。

  完结主动化,才干为实时化奠定根底。因而构建无人机遥感渠道通用物理模型,将成像载荷多刚体拼接转变为单刚体成像办法,能够完结载荷简易主动操控;在此根底上构建一体化无人机遥感体系,完结主动化动态遥感操控观测。

  为了确保无人机遥感运用的精准程度,需求对搭载的传感器进行几许、辐射、光谱定标。传统在轨定标运用软件进行模仿,即便传感器定标效果不如人意,也无法直接修正。无人机遥感以无人机为渠道,搭载相应的传感器对地上进行成像,具有机动、灵敏、高效等长处;且实飞定标差错能够在飞翔后地上调整。一起,无人机成像与操控进程的主动化也是有人机难以具有的优势。

  在童庆禧、李传荣、樊邦奎推进下,我国在“十一五”方案期间建造了首个无人机遥感定标场[16](图4)。作为无人机遥感载荷定标的地上标尺,可用于载荷的准确几许、辐射和光谱定标,厘清了三者之间的穿插耦合联系和理论模型。发明车体移动硬靶标[17],成为软体靶标退化的校对标尺。实验证明,此定标场完结了不确认度优于6%的光学载荷肯定定标,不确认度优于5%的光学载荷相对辐射定标和不确认度优于0.5 nm的光谱定标,ms量级的同步成像计量及曝光衡量。经过准确认标的传感器在农业遥感、测绘运用上也取得了多载荷最佳匹配功率的新办法。

  航空航天载荷定标是无人机遥感数据与航空航天遥感数据完结多源交融的根底作业。

  嵩山定标场是国内首个航空航天载荷归纳地上定标场,能够完结几许与辐射定标、卫星在轨测验等使命。几许定标的效果取决于地上检校场中操控点网的数量、散布、精度等要素[18],地上辐射定标场的灰度规范及灰度梯度对航天器的辐射定标的效果精度也有较大影响[19]。2007年经李德仁倡议,由龚健雅牵头武汉大学开端筹建该定标场。终究选定以河南登封市为基地,在武汉大学测绘遥感信息工程国家要点实验室和的支撑下,与信息工程大学协作开端建造嵩山地上定标场[20,21]。现在,嵩山遥感地上定标场首要包含航空检校场,航天几许定标场、固定靶标场等(图5),还能够进行辐射与光谱定标,以确保航空航天成像的辐射与光谱分辨率方针标定,完结了航空航天载荷观测的一体化衡量。

  由此,国家为打开无人机归纳验证已接连树立很多无人机航空实验场所,构成具有代表性的无人机归纳验证场以及部分试飞场所,最首要的6个有:包头高分辨率遥感归纳定标场、贵州安顺无人机载荷验证场、河南嵩山航空-航天定标场、河南安阳有人-无人机检校场、武警警种学院轻小型无人机归纳验证场、天津宝坻京津新城无人机归纳验证场。

  伴跟着轻小型无人机渠道的打开,出现了很多的轻小型无人机遥感载荷,如光学、红外谱段、激光雷达、成像光谱及组成孔径雷达、偏振载荷等,在抗震救灾、环境办理、农业植保等范畴得到很好运用。因为其杂乱程度下降,使开发本钱较低,在我国有较大的运用需求,现在,轻小型无人机遥感载荷正朝着小型、多样、多功用、多组合方向打开。

  在光学遥感载荷方面,国表里现在均运用数码相机代替胶片相机。2003年我国科学院遥感运用研讨所自主研制集成了一套集宽视场、多光谱和立体成像等多种模态为一体的大面阵CCD数字航空相机体系MADC。在国家“863”方案期间,我国科学院成都光电研讨所与测绘学院联合规划了一种“3+1”大面阵CCD航测相机SPC-1。在轻小型无人机遥感光学载荷方面,则如漫山遍野般研制出各具特色的光学载荷,成为无人机遥感的根底相配。相似的还有视频细小成像载荷,用于实时监测各种姿势下的接连成像效果[22]。

  在典型的红外载荷中,红外勘探器和光学体系是要害的组成部分,红外载荷的细小型化也首要表现在这两部分。红外勘探器分为红外光量子勘探和热勘探两类,当时高功用红外焦平面勘探器首要是量子功率较高的光伏型勘探器。现在正在研制的第三代红外焦平面勘探器,具有大规范、小型化、多色化、智能化和高温作业特色[23]。红外光谱仪,特别是红外成像光谱仪是近些年航空遥感乃至无人机遥感载荷的打开要点。因为热红外面阵勘探器、深低温光学体系等要害技能的约束,红外谱段的高光谱成像体系在国外以机载体系为主。近年来,跟着焦平面勘探器与制冷技能的打开,热红外高光谱成像仪的研制作业越来越受注重。

  机载激光雷达是近年来快速打开的一项高分辨率对地观测技能,它打破了传统地上三维数据获取周期长、作业量大等问题,是继GPS技能之后测绘界又一严峻技能革命。现在,轻小型机载成像激光雷达根本接连了大中型机载激光雷达体系的作业特色:① 一般采脉冲式光机扫描办法;② 点云获取功率高;③ 扫描视场大。自20世纪90年代,我国科学院遥感运用研讨所李树楷研讨员等研制的机载三维成像激光雷达体系原理样机成功试飞以来,我国该方面作业飞速打开。我国科学院光电研讨院研制了飞翔相对高度为200~3500 m的机载激光雷达体系(AOE-LiDAR),并于2008年完结飞翔实验,具有出产作业才干;2011年研制了飞翔相对高度为50~1500 m的轻小型机载激光雷达(Lair-LiDAR),已于2012年完结了很多的外场飞翔实验[24]。我国科学院植物研讨所郭庆华等打开以激光雷达为中心传感器、交融多源遥感信息批量提取以及反演植被三维结构和功用参数方面的数字生态范畴相关研讨,研制激光雷达技能的软硬件并将其运用在森林和城市生态学中[25]。

  近年来跟着轻小型无人机的迅猛打开,成像光谱仪作为重要的对地观测载荷,也不断地走向轻小型化。国外累计已有数十款各种功用功用的机载成像光谱仪面世,如美国JPL实验室的AVIRIS,加拿大ITRES公司的CASI、SASI、MASI等。国外无人机成像光谱仪正朝着质量轻,主动化程度高,本钱低,注视成像的方向打开。现在,国内成像光谱仪产品首要适用于大飞机渠道,轻小型化成像光谱仪的研制刚刚起步。2000年,上海技能物理研讨所研制了OMIS机载成像光谱仪和宽视场PHI[26]。长春光学精密机械与物理研讨所先后承当了海洋水色CCD相机原型样机、高分辨率成像光谱仪实验样机等多项研讨作业。

  偏振遥感是近年来遥感技能范畴打开起来的新方向,有着传统遥感无与伦比的优势。除了能获取光的强度信息,偏振遥感还能够取得地物的偏振度、偏振方位角等多维度信息,可用于天空偏振导航、图画去雾、岩石密度反演、海水污染检测、飞翔器尾焰追寻等[27,28]。现在国际上较为老练的偏振卫星遥感有法国1996年开端的POLDER卫星,但实践上地物的偏振性质往往吞没在大气的偏振辐射中,而近地观测的无人机偏振遥感触大气的影响较小,且有着较高的分辨率,是未来遥感打开的首要方向之一。2008年我国科学院安徽光学精密机械研讨所三路并行无人机载偏振CCD相机,首要针对像方远心和抗过载规划[29];次年北京大学规划四路并行CCD相机偏振载荷,并进行体系集成及打开航空偏振遥感观测验验[30]。未来偏振遥感载荷将向单相机镀膜分光的光场成像办法打开,能够大大下降载荷体积分量,进步成像的稳定性和精度。

  定标验证发现无人机遥感的体系差错首要来自载荷,即获取地上印象的上端光电仪器体系差错是高分辨率地学观测难以消除的最大差错源。因为传统辐射定标模型将成像体系视为黑箱,模型参数与成像体系自身的物理参数没有明晰的对应联系,无法表达成像体系各部件的参数对成像进程的影响,不能为空间信息质量的进步供给物理根底。因而,为了从底子上进步空间信息质量,有必要深化了解光学成像体系的物理进程以及其对输出图画DN值的影响,完结光电、地学参量物理贯穿,从本源上消除差错,推翻空间传感器差错室内调整的开环静态形式[31]。

  光电参量分化是运用成像体系的光学和电子学参量来表达输出印象的DN值。由此经过接连调整成像传感器光电参量使地物印象观测差错最小化,完结了地学-光电参量的彼此转化,以进步空间信息质量。详细是经过外场定标实验取得的印象DN值,运用地物L的校对模型DN=kL+g,调整光电参量使线时,印象DN值挨近地物真值L;进一步地,当k违背1、g违背0时,地物观测差错增大,阐明仪器退化。根据光电参量分化方程可得到仪器退化的详细部件,用空间信息质量验证仪器质量并改善,完结成像光谱仪光学体系功用退化的监测,方针和结构的改善,以及光机电参量规划改型。

  在此根底上,经过室表里偏振精密光学精密校对和外场定标办法,我国科学院长春光学精密机械与物理研讨所研制的高光谱仪能够在5 nm带宽下到达0.1~0.3 nm的定标精度[32]。外场定标发现,除了要考虑大气影响,传感器辐射及光谱定标参数(中心波长与带宽)的改动也会歪曲传感器接纳的信号,下降空间信息质量。中心波长的改动会导致传感器入瞳光谱辐亮度丈量的差错,从而影响到后续的反射率反演。一起,带宽改动也会影响传感器对光谱吸收特征的描写[29]。上述效果,经我国科学院长春光学精密机械与物理研讨所仪器研制与实验验证有用,用于追寻仪器参数质量退化并改善;在我国科学院上海技能物理研讨所和西安光学精密机械研讨所新式宽谱段高光谱载荷实验中运用,为高质量航空航天载荷的研制供给了新的手法[33]。图6是校标并完善光电参量的部分载荷体系。

  根据遥感整机体系外场定标的地上验证技能,我国构建了无人机遥感地上验证体系。以此为依托,研制高功用无人机遥感设备体系,能够经过地上验证,极大进步无人机遥感整机体系的功率和可靠性,完结在飞翔次数、确保人员、时刻和安全性等方面的工业化效能数量级的进步,并推行完结出产本钱下降20%,可靠性添加10%的直接效益,推进地上验证设备的工程化规划(表2)[34]。

  以此为根底研制的工业级无人机遥感体系的工业化老练度得到了验证,正在成为航空遥感的首要配备。例如,中航贵州飞机公司鹞鹰系列无人机的运用,发明了我国批量出产无人机安全飞翔记载,证明了国内无人机在规划出产、飞翔判定、训练运用和售后服务等工业化环节的产品技能与制作工艺根本老练。为了展现国内工业级无人机体系的归纳功用,中航贵飞公司安排鹞鹰无人机打开了金沙江“逝世河谷”特别测绘飞翔验证。此次飞翔的海拔在3950~4550 m,高差达600 m,在35~78 m的峡谷底部完结单次飞翔超10 h的豪举,并在靠近山巅弯曲弯曲的百公里航线上往复飞翔多条航线完结测绘及测图拼接。金沙江飞翔验证了无人机体系耐候安全功用(图7),在视距约束区经过卫星中继的遥测遥控长途作业功用,机载体系优秀的抗峡谷疾风骤变的操控功用。鹞鹰无人机选用宽角测绘相机,处理了低空测绘统筹功率的要求,证明无人机具有低空作业安全性优势且兼备测绘功率和质量的航测归纳才干。

  自“十一五”方案施行以来,根据我国无人机遥感的技能打破,其工业在我国军事运用、疆土安全上完结严峻打破,在国防、地舆与海洋监测、疆土测绘与海洋岛礁测绘上引发巨大运用效益。在民生安全、社会打开上也带来技能革新,在地质灾祸监测、应急救援及各职业遍及层面具有不行代替的效果。

  无人机遥感在国防安全范畴有着不行代替的运用潜力,跟着高分辨率对地观测体系的打开,无人机遥感正在成为我国完好的空间对地观测根底设备体系的重要组成部分[35]。

  无人机可选用车载起飞、弹射起飞、滑降、伞降等起降办法,不需求专门的起降机场[36],因而与航天遥感比较,无人机遥感的作业本钱相对较低且高效灵敏。一起,因无人机在运送和起降方面便当,能够实时快速地获取小面积零星区域的印象[37],处理了卫星遥感和传统航空遥感存在的印象获取周期长、短少机动灵敏性等问题。在维稳、反恐突击以及空中协助等多样化使命的情报侦测范畴显现出了非常宽广的运用远景,其间军用无人机80%用于军事侦查与方针发现。

  我国军用无人机的研制始于20世纪50年代末后期,先后研制了B-1/2靶标无人机,WZ-5高空照相侦查机和D-4小型遥控无人机,开端奠定了无人机的技能根底。而到了20世纪80年代,跟着电子、通讯和核算机技能的敏捷打开,无人机经过了无人靶机、预编程序操控无人侦查机、指令遥控无人侦查机和复合操控多用途无人机的打开进程,无人机技能日趋老练,在几回部分战役中发挥了重要效果,得到了较为广泛的运用。

  20世纪90年代,由西北工业大学研制成功的ASN206无人机是该系列中的经典产品,该无人侦查机搭载了笔直相机和全景相机,红外勘探设备,电视摄像机以及定位校对设备,可有用用于昼夜空中侦查,炮火定位以及空中拍照等使命;新世纪以来,我国无人机工业进入了蓬勃打开的时期,技能研讨不断打破,现在现已跻身于美国,英国以及以色列等国家的一流队伍傍边。2004年,我国航天空气动力技能研讨院自主研制的彩虹-3中程无人机研制成功,该无人机设备有照相摄像设备,SAR雷达和通讯设备,外侧的两个挂架上别离带有一枚轻型准确制导导弹,除了惯例侦查外,能够完结对地上固定方针的准确冲击。军用无人机的工业现已敏捷鼓起,尤其是顶级无人机渠道的研制为进步戎行战斗力发挥了重要效果。2006年开端的第十一个五年方案期间,是我国国防无人机快速打开的五年,贵航集团出产的多种类型先进无人机也首先用于国防军事范畴;被称为“我国全球鹰”的BZK-005无人机于2006年的珠海航展初次出现在群众视界,它是一种具有隐身才干的中高空长途无人侦查机体系飞翔器,能够带着一个大型光电吊舱,包含昼夜电视摄像机、红外摄像机以及大型卫星接纳天线,用于接纳地上指令,一起传输侦查图片。

  近10年,我国相继研制出“长鹰”系列高空长途长行时无人侦查机,“翔龙”高空高速无人侦查机以及“白”隐形无人机。其间最优秀的渠道既可在数百公里外施行长途广域侦查,又能对可疑区域施行抵近精密侦查。一起,续航才干达数十个小时,无论是载荷功用仍是侦查才干都到达了国际领先水平。

  全体来看,我国现已根本建成了远、中、近、超近程的军用无人机配备体系,先后参加了空中侦查、激光照耀、毁伤评价、电子战、通讯中继等一系列大型军事活动,取得了严峻的军事效益,为我国的国防安全供给了重要确保。

  无人机运用在疆土和海洋岛礁测绘范畴,首要是运用无人机快速大面积取得测区的高分辨率印象,获取图画的空间分辨率从cm级到m级不等,这与搭载在无人机上面的高精度数码成像设备(即传感器、相机参数)有关。适用于1:2000或更高例尺地势图测绘及正射印象制作,彻底具有高分辨率遥感印象数据获取和处理才干。其在海洋岛礁测绘代表性的运用包含:

  《国民经济和社会打开第十二个五年规划大纲》将打开海洋经济和海洋科技进步到史无前例的战略高度,海洋工业更是成为培养和打开战略性新式工业的重要范畴[7]。这为我国海岸带测绘供给高效、快速的技能配备与处理方案供给了严峻需求和范畴确保。

  海岸带具有地物破碎、反差小、高动态、潮汐瞬变等特色,地表信息获取一直是个难题。海岸带弯曲弯曲,待测区域往往面积较小、散布零星,人工丈量登岛困难,在技能和配备上都给海岸地势测绘提出了新的需求。自2012年国家海洋局树立海域无人机基地以来,国家海洋环境监测中心、国家海洋技能中心、海南省海洋监测预告中心联合安翔动力、中测新图等公司运用多种类型的轻小型无人机先后完结了辽宁、天津、山东、江苏、广东、浙江、海南等滨海省市首要围填海项目动态监测作业。

  我国海岸周边遍及岛礁,面积大于500 m?的就超越6500个,大都岛礁远离大陆,登岛难,面积小,卫星或航空因分辨率难以取得岛上地物信息,轻小型无人机则能够从陆地起飞完结岛礁遥感使命。

  2012年4月27日-5月27日,我国搭载双频GPS飞控,取得了及其隶属岛屿全掩盖的0.1 m分辨率遥感数据,经过稀疏无操控测图技能,完结了1:2000大比例尺地势图测图,填补了及其隶属岛屿短少大比例尺地势图的前史空白。效果供14个国家部委运用。进一步地,2014年7月28日遥感观测无人机从浙江省苍南县霞关镇起飞和收回,实践飞翔870 km航程,继续飞翔9 h,成功获取了主岛和南北小岛(总面积约12 km2规划)0.05 m高分辨率遥感印象和POS数据,为打开遥感无操控测图技能及对岛上人工地物的辨认和定位技能研讨奠定根底。

  当时,运用无人机打开地质灾祸查询、监测与应急救灾现已在国际规划内广泛鼓起[38]。无人机技能打开了户外获取地质灾祸高分辨率、高精度和多时相数据的大门,无人机和相关丈量技能已成为户外地质灾祸查询不行或缺的重要技能手法[39]。与传统测绘和灾祸查询办法比较,无人机能快速、便当、安全地获取地质灾祸区域的印象和地势数据[40],能第一时刻供给灾后的第一手灾情数据,为灾祸应急救援和灾情评价供给有力的决议方案支撑[41],如2008年汶川地震、2008年唐家山堰塞湖、2009重庆武隆鸡尾山特大型山体滑坡、2010年甘肃舟曲特大泥石流等。无人机遥感在地质灾祸范畴的运用首要包含:

  无人机非触摸丈量新技能引进地质灾祸查询,大大减轻了户外作业量[42]。无人机可用于单体和区域地质灾祸户外查询。无人机获取的高分辨率和高精度的印象以及地势数据为室内精密化的遥感解译和剖析奠定了坚实根底。一起,无人机在地质灾祸点方位提取、规划等级评价、潜在风险判识、承灾体提取、灾情评价等方面具有明显优势[43]。经过无人机获取的数据,能够更好地打开地质灾祸编目、灾祸地势和几许特征参数提取、灾祸点判识、数字地势剖析、地貌演化等作业[44]。

  无人机以其灵敏、轻盈的特色,能够敏捷完结对受灾区域的测绘作业,能够实时传输印象和视频,协助救援人员及时把握灾区最新状况,为救灾指挥部拟定救灾方案供给技能支撑[45,46]。运用无人机获取地质灾祸区域的高清印象和地势数据,与灾前谷歌印象、高分印象、快鸟印象、大比例尺地势图等比照,能够快速评价受灾区域规划、根底设备损坏、房子损毁、农田吞没、植被损坏、河道阻塞、堆积物厚度与方量、潜在风险方针等状况,为灾情精准评价供给有力支撑。

  运用无人机机载高光谱相机、高精度组成孔径雷达(InSAR)、激光雷达(LiDAR)、偏振高光谱、高分辨率相机能够出产高精度的地势、印象产品。经过多时相的无人机监测,能够剖分出地质灾祸区域位移、变形、沉降、纹路特征、运动进程等,为深化研讨地质灾祸动力学进程和机制供给监测数据支 撑[47,48],为地质灾祸前期预警供给技能支撑。

  跟着核算机视觉技能进步,根据运动的三维重建(Structure from Motion, SfM)技能现已能够将无人机正射和歪斜拍照拍照的二维相片重建成三维场景模型,无人机和SfM技能的结合能够最大程度地复原和再现地质灾祸区域三维立体场景 。此外,无人机720°全景拍照和建模技能,也能够让人们感同身受地体会地质灾祸震慑场景。这些技能为地质灾祸防灾减灾教育和科普供给了生动有趣的技能体会[49,50]。

  无人机遥感在公共安全范畴的运用首要是供给了一种简便、荫蔽、视角共同的东西,确保安全范畴作业人员人身安全的一起能够得到最有价值的头绪和情报,对时效性和图画分辨率要求较高,对无人机体系的出勤率要求较高。近10年来,无人机应急监测技能现已在跨国救援,侦查反恐等公共安全范畴打开广泛运用[51]。2015年1月13日,我国人民武装警察部队警种学院与科技部国家遥感中心签署战略协作协议,正式树立国家遥感中心应急救援部。

  2014年8月3日16时30分,云南省昭通市鲁甸县产生6.5级大地震,武警部队前史上第一次全流程运用轻小型无人机应急侦测辅佐决议方案,第一次完结了严峻灾祸下救援人员零逝世的杰出效果。鲁甸应急救援也是国家救援队第一次在严峻应急中运用无人机实时传回高精度图片,现场实时指挥决议方案救援的运用,具有严峻的里程碑含义,图10为救援现场航拍的无人机遥感印象图。

  2015年4月25日14时11分,尼泊尔中部产生8.1级特大地震。应尼泊尔紧迫协助恳求,经国务院、同意,武警部队紧迫组成我国武警交通救援大队协6架无人机,履行中尼、吉加公路的抢通保通使命。这是我国国第一次官方授权军事力气在境外运用无人机打开应急侦测使命。此次灾祸救援使命中运用的无人机能够在2000 m的高空航拍到较明晰的遥感图画,为后期的成图及灾祸体量测供给许多便当,为武警部队日后定标技能在无人机应急侦测范畴运用奠定了根底。

  2016年7月,武警部队运用无人机侦测体系第一次在我国、阿富汗、巴基斯坦、塔吉克斯坦四国接壤的活泼区-瓦罕走廊打开了反恐实战作业,生成了国际上第一幅瓦罕走廊卫星/无人机交融印象图,完结比地上侦查缩短80%时刻的快速准确侦查。

  遥感在农业遥感范畴有着不行代替的效果,而其间农田遥感有明晰客观的观测方针,即耕种的地步。农田是出产农作物的土地,出产的粮食是根底性的国家战略资源,因而农田监测则是确保粮食安全的根基地址。而运用遥感技能来监测作物成长,加强作物成长田间办理,是进步农作物产值的重要环节。

  温度是影响农作物成长的要害因素,以农田温度监测为例,热红外遥感技能是获取农田温度的重要手法,而现在国际上已有的多种地表温度产品的空间规范多为千米级,难以完结对我国广泛存在的行间耕种形式的准确监测。而未来凭借于无人机监测的手法,能够极大进步热红外数据的空间分辨率,经过组成卫星与无人机的印象数据,供给数米乃至厘米等级的农田温度产品,有利于研讨更小规范研讨区域的农田生态体系,在农田的干旱监测,蒸发出预算以及作物估产等方面大有用途。

  其次是作物的氮磷钾含量水平,经过无人机高光谱和偏振观测,能够得到氮磷钾的不同比率,为施加农肥供给辅导。一起,我国化肥运用率约为1/3,比西方高水平农业化肥运用率低1到2成,这将导致更大的土地化学污染。运用无人机遥感监测,能够较大下降农业土地的化学污染。

  无人机在公共安全范畴的运用首要是供给了一种简便,荫蔽且高效的东西,在确保作业人员人身安全的一起,能够得到最有价值的头绪和情报。例如,针对大地震产生后乡镇交通体系、通讯体系损坏严峻乃至中止,次生灾祸多发等状况,无人机航拍能够取得有序高效的建筑物损坏等级、罹难或受伤或被困人员地址散布、滑坡体塌方、路途损坏散布等专题图件,为现场救援使命打开与决议方案供给技能支撑。其次,可将无人机及时获取的灾情信息和救灾打开在第一时刻向社会发布,产出无人机航拍道路及现场等图件,让社会大众及时了解灾情散布和救灾举动,安慰群众,消除谣言及猜想引发的不安。无人机也能根据社会大众的实践运用需求打开一些切合实践的作业,服务于社会大众。

  中小型短程无人机特别合适公共安全范畴的运用。例如,产生件时,小型无人机能发挥快速呼应、空中机动灵敏的优势。一起在加装空投设备后,小型无人机还能够进行特别物品的投进,如播散传单、投进紧迫物品等。无人机技能作为应急救援作业的新式高科技手法,代表着我国灾情获取和丢失评价的先进水平。它不仅能够为救灾作业服务,在减灾常识科普宣扬方面也相同能够起到不行代替的效果。面向不同科普方针,经过对实践地震航拍的数据提取相关要素,进行归类剖析建模,成为减灾常识科普宣扬的新形式。

  根据我国无人机遥感的技能打破与工业打开态势,以2017年立项的科技部要点研制方案项目“高频次快捷无人航空器区域组网遥感观测技能”为重要依托,未来无人机遥感应具有3大特色: ① 交融5G低空通讯技能的低空掩盖与网络切片的组网智能操控;② 智能感知、智能认知、智能举动一体化;③ 云核算、物联网、移动通讯、人工智能(AI)相结合的一体化。完结由单机向组网的跨过,由人为操控向实时化智能化的跨过,由区域部分观测向全球多层次观测的跨过。

  根据守时定点智能化办理的无人机灯火秀已成最为群众了解的无人机组网,展现了单个无人机经过组网能够开释出巨大的潜力[52]。“十一五”期间单一无人航空器遥感体系特别是轻小型无人机遥感体系能够发挥的效果在许多范畴已得到运用查验[53],“十二五”期间多无人机组网测绘也打开了开端实验[54]。面向国家科技研制及严峻运用的高功率无人航空器组网遥感观测需求彼此通讯和使命协同智能核算。“十三五”期间国家安排的科研使命包含,环绕特定的运用区域,有中心自安排移动网掩盖规划内,处理多类别无人航空器高速高带宽蜂群自组网遥感使命协同要害技能。凭借GIS技能和AI技能相结合,无人航空器将具有地舆方位超精准定位、周边环境快速辨认和智能组网使命协同的遥感才干。特别是无人航空器组网遥感运用技能研讨既包含通讯协议、通讯制式、频谱资源等研讨[55],也包含无人航空器资源归纳评价与调度、公共航路规划与构建[56](如蚁群算法运用)、组网使命协同(如蜂群战术)等研讨。低空作为无人航空器开发运用最频频的空域,经过ICT技能、GIS技能和AI技能相结合,行将进入数字化低空网络时代[57]。应该说除了专门的局域网,现在商业化运转的地上移动通讯网在支撑无人航空器发挥高频快捷机动才干上面还有局限性。跟着地上移动基站未来升级到5G,基站移动信号在低空的掩盖将从现在的离地上200~300 m左右拓宽到1000 m左右,一起具有超高带宽和低推迟通讯才干。为充分运用5G带来的通讯才干,工业界现已提出网联无人机的概念[58]。卫星通讯技能的进一步打开将使无人航空器在低空移动信号和卫星通讯信号之间低本钱无缝切换[59]。交融空域技能打开将让无人航空器能够安全和高效地进入中高空空域,极大地拓宽无人航空器组网规划[60]。因为无人航空器办理的规范化,法令要求一切无人航空器都需求挂号注册[61]和接入必定的云端管控体系并能实时飞翔在线],这为无人航空器遥感组网供给了准则确保。未来无人机遥感运用越来越具有群众化的趋势[63],无人航空器具有者和运用者量大面广,如安在科技上处理个别之间组网协同和智能化运转,将成为未来无人航空器及其遥感运用研讨的重要方向(图11)。

  无人机遥感最大的特色是高分辨率下的姿势快捷“主动智能”的自习惯改动,包含观测大视点、变视点和观测间隔(矢径)的主动快速改动,一起也要求高效准实时处理。因而,一种习惯于高分辨率无人机遥感印象快速快捷主动处理的极坐标基准新体系[64,65],是一种值得讨论的习惯无人机“智能遥感”打开的智能处理坐标基准,完结从本质上下降对初始航空印象差错的敏感性,完结削减地上操控点的高精度印象定位,为杂乱条件下的精准飞翔供给视点和射线矢径改动并直接核算的灵敏性。此基准以 (φ,θ) 表明方位角和高程角,确认特征点方向,等价于极角;以 ω 表明视差角,根据深度信息源于视差的特色,等价于极径(图12(a))。该观测衡量基准用视点代替平面直角,构成平面与高程的不同量纲,与国际开源最好的直角坐标体系处理算法比较,极坐标数据处理体系的数据衡量处理的功率、精度、抗干扰才干明显进步[66]。

  其次,无人机遥感运用要求动态化。根据车体和无人机相对运动计量成像时刻分辨率标尺的新办法,能够完结时刻分辨率精准衡量(图12(b))。将车载无人机一体化定标办法移植武警军兵种和应急救援,完结鲁甸和尼泊尔数字化动态化决议方案灾祸救援。将陆基定标延展至海基渠道,将极坐标办法引至多视点海洋海事方针勘探辨认,构成根据无人渠道的海陆一体化遥感定标和精度验证要害办法,并构建海上方针辨认模型办法体系,构成高时刻分辨率动态观测衡量基准[67]。

  空间信息来自经纬亦应回归经纬。值得讨论的是,以无人机遥感为方针,探究极坐标体系下获取、处理剖析、决议方案一体的处理办法,结合时刻分辨率动态衡量,防止或削减各个环节中的坐标改换,能够成为统筹精度、功率的一种新的无人机遥感数学办法。跟着揭露发行的国军标《地球表面空间网格与编码》(GJB8896-2017),逐渐确立了我国空间信息选用剖分经纬网格在数据安排办理上的一致性,其本质是以地心坐标系对地球表面格网进行多层级区分以满意不同分辨率信息的安排办理,更合适于极坐标体系。进一步地,根据经纬剖分格网理论的国家高分严峻专项规范《高分卫星遥感信息安排参阅结构技能规范》(GFB 30201-2018)为无人机组网遥感信息极坐标处理供给了便当。因而,探究无人机遥感数据极坐标处理与经纬剖分格网安排办理规范二者结合的数学表达,可望构成以极坐标经纬格网、时刻分辨率衡量为依托的无人机遥感空间信息一体化获取-安排-办理-存储-处理-剖析-运用的动态剖析运用新体系(图13)。

  无人航空器遥感载荷正遵从规范化和智能化打开。规范化本质上是模块化、通用化,在制作环节下降本钱并在运用环节中能够做到“高频、快捷”。规范化、智能化载荷技能首要包含快速设备和插拔、智能辨认和检校、智能感知和作业、数据智能预处理等[68],将极大进步运用功率。现在遥感载荷作业定姿定位和曝光操控模块有与渠道飞控结合的,也有不依托渠道飞控体系而是载荷自成一体的。未来智能化将是包容性的,而且能够按需切换和彼此备份。遥感载荷和专业作业将愈加智能化地交融在一起,特别是在精准、高效无(少)公害农业范畴。如经过农情遥感取得病虫害处方图快速剖析,确认病灶准确方位,再施行准确喷洒作业。这样的农情遥感和喷洒作业“查打一体”体系将成为未来重要打开方向[69]。载荷智能化打开还将与渠道智能化相向而行,并彼此拓宽到载荷渠道一体化规划[70],构建体系冗余容错体系,完结渠道组合冗余,载荷组合冗余,以及两者穿插组合冗余,推进无人航空器智能感知、智能认知、智能举动的一体化协同打开。

  根据无人机载荷、渠道组合冗余的容错体系是未来智能操控环境下对地观测的必要体系模块。以飞艇、气球、大型无人机、多架轻小型无人机等多渠道为依托,搭载多光谱、高光谱、偏振、红外以及激光雷达等多载荷,完结无人机群组网冗余智能观测,满意渠道可代替,载荷可代替,组协作业流可代替,即满意冗余重构,到达进步全体观测稳妥系数的意图,防止在某一渠道出现毛病时体系溃散或失效。图14是无人机群组的智能操控冗余容错对地观测体系的示例。

  未来无人机遥感数据的获取和处理根本能够完结按需定制,数据产品在时相、分辨率、类型和实时性上都能够极大地满意用户需求[71]。与遥感卫星数据的会集获取、处理和对外服务办法不同,无人航空器遥感数据来历多样,质量良莠不齐、时空基准不一致、数据规范不一致、传感器精度无法确保。建造网络化的无人机遥感数据获取、会聚和同享体系,经过“滴水成海、汇流成川”的办法完结数据聚集,能够充分发挥其“聚变能”的重要效果。在这种体系下,存量数据能够高效运用、增量数据可按需获取、一切数据在线快速处理并按需供给;经过使命订单的办法鼓励用户参加广泛的数据获取使命,大区域乃至全国规划的掩盖、高频次、超高分辨率的无人机遥感数据的获取也不再困难。这种体系下的数据与服务具有更高的商业价值和简直无限运用潜力。根本概念是,经过国家、职业或许社会力气建造全国无人机遥感数据会聚和同享网络,构建无人机遥感数据互联网会聚和交流纽带超级渠道-无人机遥感数据航母,使得单一的遥感无人机有一个或许多个数据“航母”停靠。经过公益性服务或许商业化运转,完结按需定制飞翔区域,可快速完结全国规划的数据掩盖、突发事情的应急呼应以及遥感数据运用价值的深度发掘。大众能够从无人机数据航母中得到高分辨率的数据、产品及核算环境服务,数据具有者能够运用航母渠道向别人同享数据,也能够运用航母渠道的数据和核算环境支撑自己具有数据的深加工,研讨者能够运用航母供给的数据和核算资源运算研讨模型。构建无人机遥感数据航母需求处理许多要害技能,首要包含:① 可继续运转的无人机遥感网安排形式;② 无人机遥感组网观测要害技能和规范规范;③ 海量散布无人机遥感数据虚拟会聚、贮存与拜访技能;④ 多源异构遥感数据的散布式高精度主动平差技能;⑤ 跨渠道、跨遥感器的海量数据动态快速拼接、匀光匀色、主动滤波、镶嵌、拼接、交融、信息提取、专题剖析及在线可视化技能;⑥ 根据云核算渠道的高功用散布式核算技能;⑦ 数据常识产权维护技能等。

  无人航空器组网遥感观测能够从以“天”为频率的生态环境监测常态化运用,到以“小时”为频率的自然灾祸遥感评价,再到近实时的疆土安全监测运用。高分辨率、快捷机动、不受云掩盖约束是无人航空器的特色和长处,使其成为国家“空-天-地”一体的遥感监测体系中不行或缺的重要组成部分。与卫星不同,无人航空器遥感观测地域性较强,一般“远水解不了近渴”,任何事务化运转的无人航空器观测体系有必要依托就近布置的无人航空器遥感体系资源打开作业才干做到快捷呼应。依托遍及全国优化布局的无人航空器遥感网,建造全国无人航空器组网观测高频快捷呼应体系,是国家自然资源查询、环境维护和疆土安全日常办理和应急监测的明晰需求,也是地球观测与导航技能范畴未来的一个重要研讨打开方向。

  科技部要点研制方案项目“高频次快捷无人航空器区域组网遥感观测技能”面向国家严峻需求,依托全国无人航空器空港优化布局,构建无人航空器遥感网技能体系,环绕3项严峻运用演示:① 全国生态体系出产力、土壤水分、植被掩盖等监测,打开天频率要点区域生态环境监测运用演示;② 典型区域洪涝灾祸事情,快速监测水域面积和洪水影响规划,提取洪涝灾祸特征,完结洪涝灾情快速评价,完结小时级洪涝灾祸监测与灾情信息剖析运用演示;③ 敏感区域实时观测并确定要点方针进行准确认位,完结全天候无间断侦查,打开智能组网和厘米级遥感数据获取,数据会聚到无人航空器遥感数据航母进行快速处理和信息提取,终究能够按需生成遥感产品和剖析陈述(原型体系参见图15)。项意图施行旨在为国家从根底设备建造视点终究树立事务化运转的全国无人航空器遥感组网观测体系打下坚实的技能根底,供给面向国家严峻需求和各职业运用的可事务化运转的技能体系。

  本文介绍了我国无人机遥感本世纪以来 “十五”到“十三五”所取得的有代表性含义效果。论述了无人机遥感定标场,航空航天定标场的树立以及运用验证,包含无人机遥感体系的载荷与体系技能打开;叙述了无人机遥感在国防反恐安全以及跨国应急救援,疆土测绘与海洋岛礁测绘运用,地质灾祸运用以及国家应急救援等范畴的工业运用;介绍了代表未来方向的无人机遥感组网集群技能的最新打开。

  我国无人机工业的打开现已走过近60年的进程,而我国无人机遥感现已走过了20年的进程,未来无人机的打开方向出现多样性,其间集群和组网化打开是无人机遥感开释潜力发挥效果的重要方向。从高分辨率对地观测体系建造来说,未来无人机遥感的跨过打开需求面向两个严峻需求,第一是树立起满意区域和全国的生态环境资源监测、灾祸应急呼应监测以及疆土安全突发事情监测的无人航空器组网技能; 第二是在能打开上述监测的遥感运用事务网的根底上完结体系集成和有用验证。未来无人机遥感打开的全体方针便是树立起具有区域高频次快捷信息获取才干的无人航空器组网观测体系,完结无人航空器组网技能由项目层面跨过到遥感范畴有用并继续地打开,一起也为我国成为国际遥感强国的国家战略跨过奠定根底。

  称谢:感谢童庆禧、刘先林、王家骐院士,曹健林、李传荣研讨员的长时刻点拨协助。感谢岳焕印、罗祥勇、王剑、詹学丽、万志强等专家学者为本文供给材料和资料。

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