摘要：無人機是未來網絡環境下一種數據驅動的空中移動智能體,而無人機遙感則是無人機應用最重要的引領性產業。本文首先以國內外無人機遙感發展現狀為背景,重點概述了中國無人機遙感21世紀以來“十五”到“十三五”所獲得的具有代表性的國家支持與推動的發展歷程,闡述了無人機遙感定標場,航空航天定標場的建立以及應用驗證,包括無人機遙感系統的載荷與系統技術發展;然后,進一步闡述了以遙感定標場、地物參量引導載荷性能、系統模型為代表的中國無人機遙感的相關技術跨越;接著,概略介紹了無人機遙感在國防反恐安全以及跨國應急救援,國土測繪與海洋島礁測繪應用,地質災害應用以及國家應急救援等領域的產業應用;最后,介紹了中國在無人航空遙感領域展開的跨越性的工作,包括組網智能控制、精度和實時性度量基礎、載荷平臺自組織冗余容錯、遙感大數據云處理技術和無人機遙感組網實用化等內容。未來無人機遙感發展的總體目標是建立起具備迅捷信息獲取能力的無人航空器組網觀測系統,實現無人航空器組網技術由項目層面跨越到遙感領域,同時也為中國成為世界遙感強國的國家戰略跨越奠定基礎。

　1 發展歷程

　　1.1 國內外無人機遙感發展背景

　　無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)是一種由動力驅動、機上無人駕駛、依靠空氣提供升力、可重復使用航空器的簡稱[1]。1917年,世界上第一架無人駕駛飛機由英國皇家航空研究院研制成功。無人機早期主要用于輔助航空設計。從20世紀20年代到21世紀初期,無人機先后經過了無人靶機、控制無人偵察機和電子無人機、指令遙控無人偵察機和復合控制多用途無人機的發展,技術日趨成熟。

　　到20世紀末,各國制造的無人機達幾百種,其性能和成本根據其用途差異甚大。以美國全球鷹為代表的長航時高空無人偵察機的實際使用發起了無人機研究的熱潮[2]。而此時無人機還是以軍用為主,逐漸向民用領域擴展[3,4]。在無人機的產業發展上,美國掌握核心技術并長期處于全球的領先地位,美軍首次于越南戰爭中使用無人機進行監視偵察,并于海灣戰爭和科索沃戰爭中進行廣泛的應用,有效減少美軍人員傷亡。

　　無人機遙感系統是在無人機等相關技術發展成熟之后形成的一種新型的航空遙感系統。它利用無人機作為遙感平臺,集成小型高性能的遙感傳感器和其它輔助設備,形成靈活機動、續航時間長、全天候作業的遙感數據獲取和處理系統[5,6]。無人機所能搭載的傳感器也是多樣的,澳大利亞利用美國研制出的“全球鷹”無人機搭載的光電(EO)/紅外(IR)/SAR一體化集成載荷可應用于海洋監測 等[7]。美國航空航天局(NASA)也將多種無人機應用于海洋遙感(包括監測颶風和龍卷風)等研究項目。進入21世紀以后,無人機逐步進入民用領域并形成產業,美國能源部在大氣輻射測量(ARM)計劃中應用Altus無人機對大氣對流層中的云層進行輻射和散射測量,以研究云層與來源于太陽和大地的輻射的互作用,為準確預測二氧化碳引起的地表溫室效應研究服務[3,4]。

　　中國無人機的產業發展起步晚,在技術水平等各個方面跟發達國家相比有明顯差距,但發展迅速。20世紀50年代中國正式開始研制無人機,60年代生產出了低速遙控靶機,70到80年代發展成功了“長虹”以及“長空1號”無人機。直到21世紀以后,中國的無人機工業才進入了飛速發展的階段[8],北京航空航天大學、南京航空航天大學、西安愛生技術集團、南京模擬技術研究所等科研院所和公司研制了各種類型的無人機,但其主要用途仍以軍事偵察為主。20世紀90年代,中國測繪科學研究院開始民用無人機的研制,較早應用于測繪領域[9]。21世紀起,無人機遙感技術在中國起步并快速發展起來。

　　值得一提的是,2012年開始國內消費級無人機市場出現了爆炸性增長,深圳大疆創新科技有限公司將多旋翼的無人機飛行平臺推向消費級市場,也將航拍變成了普通大眾的一種愛好[10]。

　　1.2 “十五”(2001-2005)期間科技部等開始支持民 用無人機遙感系統技術

　　中國工業型無人機遙感系統研制始于2000年。2002年貴州蓋克無人機有限公司在北京大學技術支持下獲得的科技部科技型中小企業創新基金“空間遙感平臺中的CMOS成像與信息處理系統”(02C26215200750),是國家早期支持民用無人機遙感載荷平臺研制的重要代表[11]。項目完成了無人機遙感原型系統的整體設計,由空中部分、地面部分和輔助部分組成。其中,空中部分包括遙感傳感器子系統、空中遙感控制子系統、無人機遙感平臺及其支持子系統。地面部分包括航跡規劃子系統、無人機地面控制子系統、數據接收解壓縮與實時顯示子系統和遙感數據預處理子系統。輔助部分則包括定標系統、地面試驗以及涉及無人機遙感的關鍵技術研究等[12,13]。

　　在國家科技攻關計劃項目“多用途無人機航空遙感系統研制”(2004BA104C)的支持下,貴州航空工業(集團)有限責任公司、北京大學、中國科學院遙感應用研究所于2005年8月8日在貴州省實現了我國大型多用途無人機遙感系統首次實際飛行試驗(圖1、圖2),實現了系統的預期目標。國家多部委、教育部、航空總公司、科技部國家遙感中心、“863”計劃有關專家組、國防科工局和多軍兵種出席試飛活動。次日國家CCTV1新聞聯播加以報道。飛行試驗實現了對遙感設備的自動拍攝、遙感圖像獲取、快視圖實時生成與傳輸、地面數據接收及顯示等全部任務。遙感設備的控制和所有飛行試驗內容通過預編程序實現自動控制,達到了無人機遙感原型系統的預期目標,驗證了試驗系統的可靠性。圖3是首飛獲取的遙感影像制作的效果圖[14]。

以此為基礎,國家發改委于2005年在認定企業技術中心創新能力建設項目“無人駕駛空中對地觀測系統研發平臺能力建設”(國發改辦高技[2005]1534號)的支撐下,實驗完成了無人機航空遙感的自動化作業,解決了大型無人機平臺、遙感載荷、空中遙感控制子系統以及地面數據接收等方面的關鍵技術,實現在中雨、大風情況下經歷了長航時遙感作業飛行,為中國無人機遙感系統的產業化研制和功能實現奠定了技術基礎[11,14],標志著我國高端無人機遙感系統產業化的開端,填補了我國工業型民用無人機遙感領域的空白。

　1.3 國家支持的十一五到十三五(2006-2020)無人機遙感主要進展

　　2006-2010年第十一個“五年計劃”期間,由中國科學院光電研究院、北京市信息技術研究所、貴航集團、北京航空航天大學、北京大學等國內研究機構共同合作,承擔了國家“863”計劃重點項目“無人機遙感載荷綜合驗證系統”(2008AA121800)。由此實現無人機民用遙感系統研制工程性技術的突破,建成了國內首個無人機遙感載荷北方(內蒙古包頭)、南方(貴州安順)綜合驗證場,推動了高分辨率無人機遙感應用走向系統化和定量化[15]。同期,武漢大學和解放軍信息工程大學聯合建立起了我國首個航空航天定標場,為拓展無人機遙感與航天遙感結合奠定了基礎。

　　2011-2015年第十二個“五年計劃”期間,中國科學院光電研究院、中國測繪院、中電科技集團54所等開展了“863”計劃重點項目“無人機遙感安全檢測技術與網絡示范體系研究”(2013AA122100),該項目在無人機遙感系統測控可靠性評估技術、遙感載荷性能與數據質量檢測技術、無人機遙感系統安全檢測標準與業務運行體系、基于北斗/GPRS/3G技術的無人機遙感網絡體系關鍵技術、基于衛星中繼技術的信息傳遞方面取得系統化成果;研制的小型化單Ka中繼衛星機載終端設備,是我國首款基于中繼衛星的無人機單Ka機載終端設備,實現無人機數據的高速異地實時傳輸,填補了國內空白,為無人機遙感組網應用示范邁出了堅實的一步。2011年,科技部航空數據獲取產業聯盟理事長單位北京星天地信息科技有限公司、武漢大學牽頭組織的國家科技支撐計劃項目“高性能航空遙感數據自動處理加工軟件”(2011BAH12B00),建立起了機載傳感器數據實時監測與監控系統,以及海量航空遙感正射產品自動化處理系統,實現了航空遙感數據自動處理與加工系統性能測試與驗證,為無人機遙感軟件應用奠定了工程基礎。

　　2013年起,北京大學將“十一五”定標場地面驗證技術移植應用,與武警警種學院共同建立起我國首個輕小型無人機遙感定標場,由此實現應急救援武警軍兵種首個遙感定標場和培訓基地,填補了國內武警無人機應急救援的空白。該驗證場后來成為國家遙感中心的應急救援部。

　　2014年,科技部國家遙感中心組建輕小型無人機遙感應用專家組,開始啟動全國性無人機遙感資源規劃布局研究。2015年,國家遙感中心批準依托中科院光電院在無人機遙感載荷北方(內蒙古包頭)綜合驗證場的基礎上掛牌國家高分辨率遙感綜合定標場。

　　2016年至今的國家第十三個“五年計劃”期間,國家科技部擴大了無人機遙感標志性領域和技術的支持。其中,代表性的有中國科院學地理科學與自然資源研究所牽頭的重大研發計劃項目“高頻迅捷無人航空器區域組網遙感觀測技術”(2017YFB 0503000),面向需求,突破多元平臺組網關鍵技術,研發集成組網觀測硬件設備系統和規劃調度與安全管控系統,實現資源優化、規劃調度、產品和服務等協同一體的區域組網,構建融合國家野外科學觀測臺站為無人航空器空港的組網觀測體系,具備常態化服務的能力。

　　表1是2016-2018年科技部“地球觀測與導航領域”重點專項立項的項目有關統計。其中直接與無人機相關的項目有：全空間信息系統與智能設施管理,天空地協同遙感監測精準應急服務體系構建與示范,區域協同遙感監測與應急服務技術體系;高頻次迅捷無人航空器區域組網遙感觀測技術,重特大災害空天地一體化協同監測應急響應關鍵技術研究及示范,國土資源與生態環境安全監測系統集成技術以及應急響應示范;城鎮公共安全立體化網絡構建及應急響應示范等。2016-2018年間接與無人機相關的項目有：廣域航空安全監控技術以及應用;城市群經濟區域建設與管理空間信息重點服務以及應用示范,城鄉生態環境綜合檢測空間信息服務以及應用示范;全球綜合觀測成果管理以及共享服務系統關鍵技術研究等。

　　表1 2016-2018年國家重點研發計劃“地球觀測與導航”重點專項項目統計

　　“十三五”期間,科技部其他重大專項、相關部委科技立項也大量涉及無人機遙感。其根本目標就是要實現從有人航空遙感向無人航空遙感的跨越,為全國厘米級分辨率獲取能力建設、從而為世界遙感強國的國家戰略跨越奠定基礎。

　　2 技術突破

　　無人機遙感的技術關鍵要點歸結起來可以分為兩點,即定量化和自動化。

　　要實現定量化,應為無人機遙感做一個標尺,以實現“度量”。無人機定標場的建立為無人機航空遙感提供了精細標尺,為實現厘米級高分辨率應用提供技術突破;航空航天定標場的建立則在上述基礎上,為實現無人機遙感數據與航空航天數據融合提供技術保障。同時,從根源上消除地面影像的上端光電儀器系統誤差,實現地學與光電參量物理貫通。以地表指標牽引傳感儀器產品發展,研制高空間信息品質的航空航天載荷,進一步保障無人機遙感的精確定量化。

　　實現自動化,才能為實時化奠定基礎。因此構建無人機遙感平臺通用物理模型,將成像載荷多剛體拼接轉變為單剛體成像方法,可以實現載荷簡易自動控制;在此基礎上構建一體化無人機遙感系統,實現自動化動態遙感控制觀測。

　　2.1 無人機定標場建立與應用驗證

　　為了保證無人機遙感應用的精準程度,需要對搭載的傳感器進行幾何、輻射、光譜定標。傳統在軌定標使用軟件進行模擬,即使傳感器定標結果不如人意,也無法直接修復。無人機遙感以無人機為平臺,搭載相應的傳感器對地面進行成像,具有機動、靈活、高效等優點;且實飛定標誤差可以在飛行后地面調整。同時,無人機成像與控制過程的自動化也是有人機難以具備的優勢。

　　在童慶禧、李傳榮、樊邦奎推動下,中國在“十一五”計劃期間建設了首個無人機遙感定標場[16](圖4)。作為無人機遙感載荷定標的地面標尺,可用于載荷的精確幾何、輻射和光譜定標,厘清了三者之間的交叉耦合關系和理論模型。發明車體移動硬靶標[17],成為軟體靶標退化的校正標尺。實驗證明,此定標場實現了不確定度優于6%的光學載荷絕對定標,不確定度優于5%的光學載荷相對輻射定標和不確定度優于0.5 nm的光譜定標,ms量級的同步成像計量及曝光度量。經過精確定標的傳感器在農業遙感、測繪應用上也取得了多載荷最佳匹配效率的新方法。

圖4 無人機定標場設計、使用及各種靶標示意

　　2.2 航空航天定標場建立與應用驗證

　　航空航天載荷定標是無人機遙感數據與航空航天遙感數據實現多源融合的基礎工作。

　　嵩山定標場是國內首個航空航天載荷綜合地面定標場,可以完成幾何與輻射定標、衛星在軌測試等任務。幾何定標的結果取決于地面檢校場中控制點網的數量、分布、精度等要素[18],地面輻射定標場的灰度標準及灰度梯度對航天器的輻射定標的結果精度也有較大影響[19]。2007年經李德仁倡導,由龔健雅牽頭武漢大學開始籌建該定標場。最終選定以河南登封市為基地,在武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室和的支持下,與解放軍信息工程大學合作開始建設嵩山地面定標場[20,21]。目前,嵩山遙感地面定標場主要包括航空檢校場,航天幾何定標場、固定靶標場等(圖5),還可以進行輻射與光譜定標,以保證航空航天成像的輻射與光譜分辨率指標標定,實現了航空航天載荷觀測的一體化度量。

圖5 嵩山定標場

　　由此,國家為開展無人機綜合驗證已陸續建立眾多無人機航空試驗場地,形成具有代表性的無人機綜合驗證場以及部分試飛場地,最主要的6個有：包頭高分辨率遙感綜合定標場、貴州安順無人機載荷驗證場、河南嵩山航空-航天定標場、河南安陽有人-無人機檢校場、武警警種學院輕小型無人機綜合驗證場、天津寶坻京津新城無人機綜合驗證場。

　　2.3 載荷發展

　　伴隨著輕小型無人機平臺的發展,涌現了大量的輕小型無人機遙感載荷,如光學、紅外譜段、激光雷達、成像光譜及合成孔徑雷達、偏振載荷等,在抗震救災、環境治理、農業植保等領域得到很好應用。由于其復雜程度降低,使開發成本較低,在我國有較大的應用需求,目前,輕小型無人機遙感載荷正朝著小型、多樣、多功能、多組合方向發展。

　　(1)輕小型無人機光學遙感載荷

　　在光學遙感載荷方面,國內外目前均使用數碼相機代替膠片相機。2003年中國科學院遙感應用研究所自主研發集成了一套集寬視場、多光譜和立體成像等多種模態為一體的大面陣CCD數字航空相機系統MADC。在國家“863”計劃期間,中國科學院成都光電研究所與解放軍測繪學院聯合設計了一種“3+1”大面陣CCD航測相機SPC-1。在輕小型無人機遙感光學載荷方面,則如雨后春筍般研制出各具特色的光學載荷,成為無人機遙感的基礎般配。類似的還有視頻微小成像載荷,用于實時監測各種姿態下的連續成像效果[22]。

　　(2)輕小型無人機紅外譜段遙感載荷

　　在典型的紅外載荷中,紅外探測器和光學系統是關鍵的組成部分,紅外載荷的微小型化也主要體現在這兩部分。紅外探測器分為紅外光量子探測和熱探測兩類,當前高性能紅外焦平面探測器主要是量子效率較高的光伏型探測器。目前正在研發的第三代紅外焦平面探測器,具有大規格、小型化、多色化、智能化和高溫工作特點[23]。紅外光譜儀,特別是紅外成像光譜儀是近些年航空遙感乃至無人機遙感載荷的發展重點。由于熱紅外面陣探測器、深低溫光學系統等關鍵技術的限制,紅外譜段的高光譜成像系統在國外以機載系統為主。近年來,隨著焦平面探測器與制冷技術的發展,熱紅外高光譜成像儀的研制工作越來越受重視。

　　(3)輕小型無人機激光雷達載荷

　　機載激光雷達是近年來快速發展的一項高分辨率對地觀測技術,它突破了傳統地面三維數據獲取周期長、工作量大等問題,是繼GPS技術之后測繪界又一重大技術革命。目前,輕小型機載成像激光雷達基本延續了大中型機載激光雷達系統的工作特點：① 一般采脈沖式光機掃描方式;② 點云獲取效率高;③ 掃描視場大。自20世紀90年代,中國科學院遙感應用研究所李樹楷研究員等研制的機載三維成像激光雷達系統原理樣機成功試飛以來,我國該方面工作飛速發展。中國科學院光電研究院研制了飛行相對高度為200~3500 m的機載激光雷達系統(AOE-LiDAR),并于2008年完成飛行實驗,具備生產作業能力;2011年研制了飛行相對高度為50~1500 m的輕小型機載激光雷達(Lair-LiDAR),已于2012年完成了大量的外場飛行試驗[24]。中國科學院植物研究所郭慶華等開展以激光雷達為核心傳感器、融合多源遙感信息批量提取以及反演植被三維結構和功能參數方面的數字生態領域相關研究,研發激光雷達技術的軟硬件并將其應用在森林和城市生態學中[25]。

　　(4)輕小型無人機成像光譜遙感載荷

　　近年來隨著輕小型無人機的迅猛發展,成像光譜儀作為重要的對地觀測載荷,也不斷地走向輕小型化。國外累計已有數十款各種功能性能的機載成像光譜儀問世,如美國JPL實驗室的AVIRIS,加拿大ITRES公司的CASI、SASI、MASI等。國外無人機成像光譜儀正朝著質量輕,自動化程度高,成本低,凝視成像的方向發展。目前,國內成像光譜儀產品主要適用于大飛機平臺,輕小型化成像光譜儀的研制剛剛起步。2000年,上海技術物理研究所研制了OMIS機載成像光譜儀和寬視場PHI[26]。長春光學精密機械與物理研究所先后承擔了海洋水色CCD相機原型樣機、高分辨率成像光譜儀實驗樣機等多項研究工作。

　　(5)輕小型無人機偏振遙感載荷

　　偏振遙感是近年來遙感技術領域發展起來的新方向,有著傳統遙感無可比擬的優勢。除了能獲取光的強度信息,偏振遙感還能夠獲得地物的偏振度、偏振方位角等多維度信息,可用于天空偏振導航、圖像去霧、巖石密度反演、海水污染檢測、飛行器尾焰追蹤等[27,28]。目前國際上較為成熟的偏振衛星遙感有法國1996年開始的POLDER衛星,但實際上地物的偏振性質往往淹沒在大氣的偏振輻射中,而近地觀測的無人機偏振遙感受大氣的影響較小,且有著較高的分辨率,是未來遙感發展的主要方向之一。2008年中國科學院安徽光學精密機械研究所三路并行無人機載偏振CCD相機,主要針對像方遠心和抗過載設計[29];次年北京大學設計四路并行CCD相機偏振載荷,并進行系統集成及開展航空偏振遙感觀測實驗[30]。未來偏振遙感載荷將向單相機鍍膜分光的光場成像方式發展,能夠大大降低載荷體積重量,提高成像的穩定性和精度。

　　(6)載荷室內外及外場定標

　　定標驗證發現無人機遙感的系統誤差主要來自載荷,即獲取地面影像的上端光電儀器系統誤差是高分辨率地學觀測難以消除的最大誤差源。由于傳統輻射定標模型將成像系統視為黑箱,模型參數與成像系統本身的物理參數沒有明確的對應關系,無法表達成像系統各部件的參數對成像過程的影響,不能為空間信息品質的提升提供物理基礎。因此,為了從根本上提升空間信息品質,必須深入理解光學成像系統的物理過程以及其對輸出圖像DN值的影響,實現光電、地學參量物理貫通,從根源上消除偏差,顛覆空間傳感器誤差室內調整的開環靜態模式[31]。

　　光電參量分解是利用成像系統的光學和電子學參量來表達輸出影像的DN值。由此通過連續調整成像傳感器光電參量使地物影像觀測誤差最小化,實現了地學-光電參量的相互轉換,以提升空間信息品質。具體是通過外場定標實驗獲得的影像DN值,利用地物L的校正模型DN=kL+g,調整光電參量使真實擬合系數k逼近1和偏差g逼近0時,影像DN值接近地物真值L;進一步地,當k偏離1、g偏離0時,地物觀測誤差增大,說明儀器退化。根據光電參量分解方程可得到儀器退化的具體部件,用空間信息品質驗證儀器品質并改進,實現成像光譜儀光學系統性能退化的監測,指標和結構的改進,以及光機電參量設計改型。

　　在此基礎上,通過室內外偏振精密光學精密校正和外場定標方法,中國科學院長春光學精密機械與物理研究所研制的高光譜儀能夠在5 nm帶寬下達到0.1~0.3 nm的定標精度[32]。外場定標發現,除了要考慮大氣影響,傳感器輻射及光譜定標參數(中心波長與帶寬)的變化也會扭曲傳感器接收的信號,降低空間信息品質。中心波長的改變會導致傳感器入瞳光譜輻亮度測量的誤差,進而影響到后續的反射率反演。同時,帶寬變化也會影響傳感器對光譜吸收特征的刻畫[29]。上述成果,經中國科學院長春光學精密機械與物理研究所儀器研制與試驗驗證有效,用于追蹤儀器參數品質退化并改進;在中國科學院上海技術物理研究所和西安光學精密機械研究所新型寬譜段高光譜載荷實驗中使用,為高品質航空航天載荷的研制提供了新的手段[33]。圖6是校標并完善光電參量的部分載荷系統。

圖6 經地表參數校標并完善光電參量的部分遙感載荷

　　2.4 無人機遙感系統性能飛行驗證

　　基于遙感整機系統外場定標的地面驗證技術,中國構建了無人機遙感地面驗證系統。以此為依托,研制高性能無人機遙感設備系統,可以通過地面驗證,提高無人機遙感整機系統的效率和可靠性,實現在飛行次數、保障人員、時間和安全性等方面的產業化效能數量級的提升,并推廣實現生產成本降低20%,可靠性增加10%的直接效益,推動地面驗證設備的工程化設計(表2)[34]。

　　表2 無人機遙感系統飛行驗證結果

　　以此為基礎研發的工業級無人機遙感系統的產業化成熟度得到了驗證,正在成為航空遙感的主要裝備。例如,中航貴州飛機公司鷂鷹系列無人機的使用,創造了我國批量生產無人機安全飛行記錄,證明了國內無人機在設計生產、飛行鑒定、培訓使用和售后服務等產業化環節的產品技術與制造工藝基本成熟。為了展示國內工業級無人機系統的綜合性能,中航貴飛公司組織鷂鷹無人機開展了金沙江“死亡河谷”特殊測繪飛行驗證。此次飛行的海拔在3950~4550 m,高差達600 m,在35~78 m的峽谷底部實現單次飛行超10 h的壯舉,并在貼近山巔蜿蜒曲折的百公里航線上往返飛行多條航線完成測繪及測圖拼接。金沙江飛行驗證了無人機系統耐候安全性能(圖7),在視距限制區通過衛星中繼的遙測遙控遠程作業性能,機載系統優良的抗峽谷疾風突變的控制性能。鷂鷹無人機采用寬角測繪相機,解決了低空測繪兼顧效率的要求,證明無人機具備低空作業安全性優勢且兼備測繪效率和質量的航測綜合能力。

圖7 金沙江峽谷影像以及高光譜航測影像(“863”專項成果)

　　3 產業應用

　　自“十一五”計劃實施以來,基于中國無人機遙感的技術突破,其產業在我國軍事應用、國土安全上實現重大突破,在國防、地理與海洋監測、國土測繪與海洋島礁測繪上引發巨大應用效益。在民生安全、社會發展上也帶來技術變革,在地質災害監測、應急救援及各行業普及層面具備不可替代的作用。

　　3.1 國防應用

　　3.2 海洋監測、國土-島礁測繪應用

　　3.3 地質災害應用

　　無人機遙感在地質災害領域的應用主要包括：

　　(1)地質災害基礎調查與分析

　　(2)地質災害應急測繪、救援與災情評估

　　(3)地質災害地表形變監測與早期預警

　　(4)地質災害場景三維重建

　　3.4 國家應急救援

　　無人機遙感在公共安全領域的應用主要是提供了一種輕便、隱蔽、視角特別的工具,確保安全領域工作人員人身安全的同時能夠得到有價值的線索和情報,對時效性和圖像分辨率要求較高,對無人機系統的出勤率要求較高。近10年來,無人機應急監測技術已經在跨國救援,偵察反恐等公共安全領域展開廣泛應用[51]。2015年1月13日,中國人民武裝警察部隊警種學院與科技部國家遙感中心簽署戰略合作協議,正式成立國家遙感中心應急救援部。

　　(1)自然災害應急救援

　　(2)國際救援

　　2015年4月25日14時11分,尼泊爾中部發生8.1級特大地震。應尼泊爾緊急援助請求,經國務院、中央軍委批準,武警部隊緊急組建中國武警交通救援大隊協6架無人機,執行中尼、吉加公路的搶通保通任務。這是中國國第一次官方授權軍事力量在境外使用無人機開展應急偵測任務。此次災害救援任務中使用的無人機能夠在2000 m的高空航拍到較清晰的遙感圖像,為后期的成圖及災害體量測提供諸多便利,為武警部隊日后定標技術在無人機應急偵測領域應用奠定了基礎。

　　(3)邊防領域反恐演習

　　2016年7月,武警部隊使用無人機偵測系統第一次在中國、阿富汗、巴基斯坦、塔吉克斯坦四國交界的恐怖分子活躍區-瓦罕走廊開展了反恐實戰作業,生成了世界上第一幅瓦罕走廊衛星/無人機融合影像圖,實現比地面偵察縮短80%時間的快速精確偵察。

　　3.5 農田監測

　　遙感在農業遙感領域有著不可替代的作用,而其中農田遙感有明確客觀的觀測對象,即耕種的田地。農田是生產農作物的土地,生產的糧食是基礎性的國家戰略資源,因而農田監測則是保障糧食安全的根基所在。而利用遙感技術來監測作物生長,加強作物生長田間管理,是提高農作物產量的重要環節。

　　溫度是影響農作物生長的關鍵因素,以農田溫度監測為例,熱紅外遙感技術是獲取農田溫度的重要手段,而目前國際上已有的多種地表溫度產品的空間尺度多為千米級,難以實現對我國廣泛存在的行間播種模式的精確監測。而未來借助于無人機監測的手段,能夠提高熱紅外數據的空間分辨率,通過合成衛星與無人機的影像數據,提供數米甚至厘米級別的農田溫度產品,有利于研究更小尺度研究區域的農田生態系統,在農田的干旱監測,蒸散發估算以及作物估產等方面大有用處。

　　其次是作物的氮磷鉀含量水平,通過無人機高光譜和偏振觀測,可以得到氮磷鉀的不同比率,為施加農肥提供指導。同時,中國化肥使用率約為1/3,比西方高水平農業化肥使用率低1到2成,這將導致更大的土地化學污染。利用無人機遙感監測,可以較大降低農業土地的化學污染。

　　3.6 公眾安全與宣傳

　　無人機在公共安全領域的應用主要是提供了一種輕便,隱蔽且高效的工具,在確保工作人員人身安全的同時,能夠得到最有價值的線索和情報。例如,針對大地震發生后城鎮交通系統、通信系統破壞嚴重甚至中斷,次生災害多發等情況,無人機航拍可以獲得有序高效的建筑物破壞等級、遇難或受傷或被困人員地點分布、滑坡體塌方、道路破壞分布等專題圖件,為現場救援任務展開與決策提供技術支持。其次,可將無人機及時獲取的災情信息和救災進展在第一時間向社會公布,產出無人機航拍路線及現場等圖件,讓社會公眾及時了解災情分布和救災行動,安撫群眾,消除謠言及猜測引發的不安。無人機也能根據社會公眾的實際應用需求開展一些切合實際的工作,服務于社會公眾。

　　4 未來跨越

　　基于中國無人機遙感的技術突破與產業發展態勢,以2017年立項的科技部重點研發計劃項目“高頻次迅捷無人航空器區域組網遙感觀測技術”為重要依托,未來無人機遙感應具備3大特點： ① 融合5G低空通訊技術的低空覆蓋與網絡切片的組網智能控制;② 智能感知、智能認知、智能行動一體化;③ 云計算、物聯網、移動通訊、人工智能(AI)相結合的一體化。實現由單機向組網的跨越,由人為控制向實時化智能化的跨越,由區域局部觀測向全球多層次觀測的跨越。

　　4.1 組網智能控制體系

　　基于定時定點智能化管理的無人機燈光秀已成最為大眾熟悉的無人機組網,展示了單個無人機通過組網可以釋放出巨大的潛力[52]。“十一五”期間單一無人航空器遙感系統特別是輕小型無人機遙感系統可以發揮的作用在許多領域已得到應用檢驗[53],“十二五”期間多無人機組網測繪也開展了初步試驗[54]。面向國家科技研發及重大應用的高效率無人航空器組網遙感觀測需要相互通信和任務協同智能計算。“十三五”期間國家安排的科研任務包括,圍繞特定的應用區域,有中心自組織移動網覆蓋范圍內,解決多類別無人航空器高速高帶寬蜂群自組網遙感任務協同關鍵技術。借助GIS技術和AI技術相結合,無人航空器將具備地理位置超精準定位、周邊環境快速識別和智能組網任務協同的遙感能力。特別是無人航空器組網遙感應用技術研究既包括通信協議、通信制式、頻譜資源等研究[55],也包含無人航空器資源綜合評估與調度、公共航路規劃與構建[56](如蟻群算法應用)、組網任務協同(如蜂群戰術)等研究。低空作為無人航空器開發利用最頻繁的空域,通過ICT技術、GIS技術和AI技術相結合,即將進入數字化低空網絡時代[57]。應該說除了專門的局域網,目前商業化運行的地面移動通信網在支持無人航空器發揮高頻迅捷機動能力上面還有局限性。隨著地面移動基站未來升級到5G,基站移動信號在低空的覆蓋將從目前的離地面200~300 m左右拓展到1000 m左右,同時具備超高帶寬和低延遲通訊能力。為充分利用5G帶來的通信能力,產業界已經提出網聯無人機的概念[58]。衛星通信技術的進一步發展將使無人航空器在低空移動信號和衛星通信信號之間低成本無縫切換[59]。融合空域技術發展將讓無人航空器能夠安全和高效地進入中高空空域,地拓展無人航空器組網范圍[60]。由于無人航空器管理的規范化,法律要求所有無人航空器都需要登記注冊[61]和接入一定的云端管控系統并能實時飛行在線[62],這為無人航空器遙感組網提供了制度保障。未來無人機遙感應用越來越具有大眾化的趨勢[63],無人航空器擁有者和使用者量大面廣,如何在科技上解決個體之間組網協同和智能化運行,將成為未來無人航空器及其遙感應用研究的重要方向(圖11)。

　　圖11 無人航空器遙感系統組網智能化發展趨勢

　　4.2 智能觀測度量基準體系

　　無人機遙感最大的特點是高分辨率下的姿態迅捷“自動智能”的自適應變化,包括觀測大角度、變角度和觀測距離(矢徑)的自動快速變化,同時也要求高效準實時處理。因此,一種適應于高分辨率無人機遙感影像快速迅捷自動處理的極坐標基準新體系[64,65],是一種值得探討的適應無人機“智能遙感”發展的智能處理坐標基準,實現從本質上降低對初始航空影像誤差的敏感性,完成減少地面控制點的高精度影像定位,為復雜條件下的精準飛行提供角度和射線矢徑變化并直接計算的靈活性。此基準以 (φ,θ) 表示方位角和高程角,確定特征點方向,等價于極角;以 ω 表示視差角,依據深度信息源于視差的特點,等價于極徑(圖12(a))。該觀測度量基準用角度取代平面直角,形成平面與高程的不同量綱,與國際開源最好的直角坐標體系處理算法比較,極坐標數據處理體系的數據度量處理的效率、精度、抗干擾能力顯著提升[66]。

圖12 無人機遙感極坐標高時空分辨率觀測度量體系

　　4.3 智能載荷平臺自組織與冗余容錯體系

　　無人航空器遙感載荷正遵循標準化和智能化發展。標準化本質上是模塊化、通用化,在制造環節降低成本并在應用環節中能夠做到“高頻、迅捷”。標準化、智能化載荷技術主要包括快速安裝和插拔、智能識別和檢校、智能感知和作業、數據智能預處理等[68],將提高應用效率。目前遙感載荷作業定姿定位和曝光控制模塊有與平臺飛控結合的,也有不依靠平臺飛控系統而是載荷自成一體的。未來智能化將是包容性的,并且可以按需切換和相互備份。遙感載荷和專業作業將更加智能化地融合在一起,特別是在精準、高效無(少)公害農業領域。如通過農情遙感獲得病蟲害處方圖快速分析,確定病灶準確位置,再實施精確噴灑作業。這樣的農情遙感和噴灑作業“查打一體”系統將成為未來重要發展方向[69]。載荷智能化發展還將與平臺智能化相向而行,并相互拓展到載荷平臺一體化設計[70],構建系統冗余容錯體系,實現平臺組合冗余,載荷組合冗余,以及兩者交叉組合冗余,推動無人航空器智能感知、智能認知、智能行動的一體化協同發展。

　　基于無人機載荷、平臺組合冗余的容錯體系是未來智能控制環境下對地觀測的必要系統模塊。以飛艇、氣球、大型無人機、多架輕小型無人機等多平臺為依托,搭載多光譜、高光譜、偏振、紅外以及激光雷達等多載荷,實現無人機群組網冗余智能觀測,滿足平臺可替代,載荷可替代,組合工作流可替代,即滿足冗余重構,達到提高整體觀測保險系數的目的,避免在某一平臺出現故障時系統崩潰或失效。圖14是無人機群組的智能控制冗余容錯對地觀測系統的示例。

圖14 無人機群組冗余容錯對地觀測系統以及多傳感器件的冗余容錯系統

　　4.4 無人機遙感大數據云處理平臺

　　未來無人機遙感數據的獲取和處理基本可以實現按需定制,數據產品在時相、分辨率、類型和實時性上都可以滿足用戶需求[71]。與遙感衛星數據的集中獲取、處理和對外服務方式不同,無人航空器遙感數據來源多樣,質量參差不齊、時空基準不一致、數據標準不統一、傳感器精度無法保證。建設網絡化的無人機遙感數據獲取、匯聚和分享體系,通過“滴水成海、匯流成川”的方式實現數據匯集,可以充分發揮其“聚變能”的重要作用。在這種體系下,存量數據可以高效利用、增量數據可按需獲取、所有數據在線快速處理并按需供應;通過任務訂單的方式激勵用戶參與廣泛的數據獲取任務,大區域甚至全國范圍的覆蓋、高頻次、超高分辨率的無人機遙感數據的獲取也不再困難。這種體系下的數據與服務具備更高的商業價值和幾乎無限應用潛力。基本概念是,通過國家、行業或者社會力量建設全國無人機遙感數據匯聚和分享網絡,構建無人機遙感數據互聯網匯聚和交換樞紐超級平臺-無人機遙感數據航母,使得單一的遙感無人機有一個或者多個數據“航母”停靠。通過公益性服務或者商業化運行,實現按需定制飛行區域,可快速實現全國范圍的數據覆蓋、突發事件的應急響應以及遙感數據應用價值的深度挖掘。公眾可以從無人機數據航母中得到高分辨率的數據、產品及計算環境服務,數據擁有者可以利用航母平臺向他人共享數據,也可以利用航母平臺的數據和計算環境支撐自己擁有數據的深加工,研究者可以利用航母提供的數據和計算資源運算研究模型。構建無人機遙感數據航母需要解決諸多關鍵技術,主要包括：① 可持續運行的無人機遙感網組織模式;② 無人機遙感組網觀測關鍵技術和標準規范;③ 海量分布無人機遙感數據虛擬匯聚、儲存與訪問技術;④ 多源異構遙感數據的分布式高精度自動平差技術;⑤ 跨平臺、跨遙感器的海量數據動態快速拼接、勻光勻色、自動濾波、鑲嵌、拼接、融合、信息提取、專題分析及在線可視化技術;⑥ 基于云計算平臺的高性能分布式計算技術;⑦ 數據知識產權保護技術等。

　　4.5 無人機組網遙感觀測在國家對地觀測體系中的重大作用

　　無人航空器組網遙感觀測可以從以“天”為頻率的生態環境監測常態化應用,到以“小時”為頻率的自然災害遙感評估,再到近實時的國土安全監測應用。高分辨率、迅捷機動、不受云覆蓋限制是無人航空器的特點和優點,使其成為國家“空-天-地”一體的遙感監測體系中不可或缺的重要組成部分。與衛星不同,無人航空器遙感觀測地域性較強,通常“遠水解不了近渴”,任何業務化運行的無人航空器觀測系統必須依靠就近部署的無人航空器遙感系統資源開展工作才能做到迅捷響應。依托遍布全國優化布局的無人航空器遙感網,建設全國無人航空器組網觀測高頻迅捷響應體系,是國家自然資源調查、環境保護和國土安全日常管理和應急監測的明確需求,也是地球觀測與導航技術領域未來的一個重要研究發展方向。

　　科技部重點研發計劃項目“高頻次迅捷無人航空器區域組網遙感觀測技術”面向國家重大需求,依托全國無人航空器空港優化布局,構建無人航空器遙感網技術體系,圍繞3項重大應用示范：① 全國生態系統生產力、土壤水分、植被覆蓋等監測,開展天頻率重點區域生態環境監測應用示范;② 典型區域洪澇災害事件,快速監測水域面積和洪水影響范圍,提取洪澇災害特征,完成洪澇災情快速評估,實現小時級洪澇災害監測與災情信息分析應用示范;③ 敏感區域實時觀測并鎖定重點目標進行精確定位,實現全天候無間斷偵察,開展智能組網和厘米級遙感數據獲取,數據匯聚到無人航空器遙感數據航母進行快速處理和信息提取,最終可以按需生成遙感產品和分析報告(原型系統參見圖15)。項目的實施旨在為國家從基礎設施建設角度最終建立業務化運行的全國無人航空器遙感組網觀測系統打下堅實的技術基礎,提供面向國家重大需求和各行業應用的可業務化運行的技術體系。

圖15 中科天網無人航空器資源調度與組網遙感觀測管控平臺

　　5 結語

　　本文介紹了中國無人機遙感本世紀以來 “十五”到“十三五”所獲得的有代表性意義成果。闡述了無人機遙感定標場,航空航天定標場的建立以及應用驗證,包括無人機遙感系統的載荷與系統技術發展;講述了無人機遙感在國防反恐安全以及跨國應急救援,國土測繪與海洋島礁測繪應用,地質災害應用以及國家應急救援等領域的產業應用;介紹了代表未來方向的無人機遙感組網集群技術的進展。

　　中國無人機產業的發展已經走過近60年的歷程,而中國無人機遙感已經走過了20年的歷程,未來無人機的發展方向呈現多樣性,其中集群和組網化發展是無人機遙感釋放潛力發揮作用的重要方向。從高分辨率對地觀測體系建設來說,未來無人機遙感的跨越發展需要面向兩個重大需求,第一是建立起滿足區域和全國的生態環境資源監測、災害應急響應監測以及國土安全突發事件監測的無人航空器組網技術; 第二是在能開展上述監測的遙感應用業務網的基礎上實現系統集成和有效驗證。未來無人機遙感發展的總體目標就是建立起具備區域高頻次迅捷信息獲取能力的無人航空器組網觀測系統,實現無人航空器組網技術由項目層面跨越到遙感領域實用并持續地發展,同時也為我國成為世界遙感強國的國家戰略跨越奠定基礎。

　　致謝：感謝童慶禧、劉先林、王家騏院士,曹健林、李傳榮研究員的長期指點幫助。感謝岳煥印、羅祥勇、王劍、詹學麗、萬志強等專家學者為本文提供資料和素材。

來源：晏磊，廖小罕，周成虎，樊邦奎， 龔健雅，崔鵬，鄭玉權，譚翔.《地球信息科學學報》2019第4期