无人机遥感发展与应用概况

适摩信息缉堪无人机遥感发展与应用概况金伟，葛宏立，杜华强，徐小军（浙江林学院环境科技学院，临安３１１３００）

摘要：在阐述无人机发展历程基础上，论述了无人机在遥感领域的应用理论发展以及在气象监测、资源调查、航拍测量和应对突发事件等方面的应用，归纳了目前无人机遥感研究存在的问题，展望了今后无人机遥感研究的热点和重点。关键词：无人机；遥感；航空遥感中圈分类号：ＴＰ７９文献标识码：Ａ文章编号：１０００－－３１７７（２００９）１０１一００８８一０５

１引言无人驾驶飞机简称无人机（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ，缩写ＵＡＶ），是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器［１］。无人机与遥感技术的结合，即无人机遥感，是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、ＧＰＳ差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专题化快速获取国土、资源、环境等的空间遥感信息，完成遥感数据处理、建模和应用分析能力的应用技术。具有低成本、低损耗、可重复使用且风险小等诸多优势，其应用领域从最初的侦察、早期预警等军事领域扩大到资源勘测、气象观测及处理突发事件等非军事领域。无人机遥感的高时效、高分辨率等性能，是传统卫星遥感所无法比拟的，越来越受到研究者和生产者的青睐，大大扩大了遥感的应用范围和用户群，具有广阔的应用前景。２０世纪末全世界范围内已掀起了无人机的研制热潮，这场研究热潮将无人机的发展推向了新阶段口］。２无人机遥感技术发展２．１遥感传感器技术发展遥感传感器是遥感平台的眼睛，是无人机遥感得以推广应用的基础设备之一，只有适合无人机的遥感传感器才能获得高质量的遥感信息。２０世纪８０年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断面世，传感器由早期的胶片相机向大面阵数字化发展，目前国内制造的数字航空测量相机具有８０００多万像素，能够同时拍摄彩色、红外、全色的高精度航片［３］。中国测绘科学研究院使用多台哈苏相机组合照相，利用开发的软件再进行拼接，有效地提高了遥感飞行航拍效率；德国禄来公司推出的２２００万像素专业相机，配备了自动保持水平和改正旋偏的相机云台，开发了相应的成图软件。另外激光三维扫描仪，红外扫描仪等小型高精度传感器也为无人机遥感的应用提供了发展的余地。王斌永等２００４年设计并完成了适合无人机ＳＥ－１（海洋探索１号）的基于多面阵ＣＣＤ传感器成像方式的小型多光谱成像仪，内置摄影控制软件，具备飞行控制系统通信、获取飞行参数、计算出适宜的曝光时间、修正曝光时间、实时存储数据等功能［‘］。贾建军等针对无人机遥感有效载荷的特点，利用系统集成的方法，设计了一套实用的无人机大面阵ＣＣＤ相机遥感系统［５］，并将该系统在Ｙ－１２无人遥感飞机上进行了搭载飞行试验，获得了符合要求的图像。２．２飞行姿态控制技术发展无人机的飞行姿态控制好坏直接关系到遥感影像的效果。无人机要完成自主飞行遥感航拍任务，需要控制系统对内回路（姿态回路）和外回路（水平位置和高度回路）都具有良好的控制特性。飞行姿态控制技术从无人机诞生之初到现在经历了非线性动态控制阶段，自适应反推控制阶段，神经网络智能

收稿日期：２００８一０６—２３修订日期：２００８－－０６－－２５基金质目：国家８６３专题课题（２００６从１２Ｚ１０９）Ｉ国家自然科学基金（３０７７１７２５）Ｉ国家自然科学青年基金（３０７００６３８）．

作者筒介：金伟（１９８４一～）。男，硕士研究生。研究方向：林业遥感．Ｅ－－ｍａｉｌ：ｊｉｎｗｅｉ６３７４０５５２＠１６３．咖通讯作者：通讯作者。葛宏立（１９６０～）．男，教授、博士，研究方向ｔ数字图像处理·遥感．Ｒ－ｍｍＢ：ｊｈ叫＠血峨帅

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控制阶段口］。ＳｅｏｎｇｊｕｎＡｎ等人研究的神经网络ＰＩＤ控制技术［７］，ＡｎｔｈｏｎｙＪ．Ｃａｌｉｓｅ和ＲｏｌｌＴ．Ｒｙｓｄｙｋ等人研究的神经网络自适应控制，主要的目标是提供飞行器在整个飞行模式下连续的操纵品质，很大程度上提高了无人机飞行控制的稳定性。２．３数据传输存储技术发展数据传输存储技术是无人机遥感数据重要组成部分，其中数据传输与压缩、解压缩系统是无人机航空遥感系统中的关键技术之一。数据传输是否稳定、流畅直接影响到无人机遥感的质量，特别是在应对紧急事件时决策者要根据无人机传回来的实时画面指定解决方案、做决策。原始的无人机航拍图像数据量庞大，因此需要进行压缩存贮和传输。由于无人机图像质量差，易受环境干扰，其码率跳动变化大，因此对于带宽受限的无线信道传输具有很大挑战［８］。在无人机传感器视频信息传输方面，从２０世纪９０年代起已开始应用图像数字传输技术，目前已在大部分无人机测控系统中使用。无人机动态图像压缩编码后，图像／遥测复合数据速率已减到最小为１＂２Ｍｂ／ｓ（例如美国的１．５４４Ｍｂ／ｓ，以色列的２．２Ｍｂ／ｓ），对应的图像分辨率可达７２０×５７６［９］。为了充分利用有效的数据传输通道，研究者相继研究出多种数据压缩方法。田金文等根据无人机的运动特点，求出序列图像之间的重迭区域，将运动序列图像转变成静态图像，然后以类ＥＢＣＯＴ算法完成拼接图像的压缩，该方法在压缩效率和运行时间上均优于Ｈ．２６４等视频压缩标准，可较好地满足无人机图像的传输需求［１叫。秦其明等通过影像自适应分块，离散余弦变换（ＤＣＴ）、量化及Ｈｕｆｆｍａｎ编码等实现了遥感影像的正确和稳定性压缩，数据压缩比达到１３：ｉｃｕ］。崔麦会等比较了Ｈ．２６１标准、ＭＰＥＣ－１标准、ＪＰＥＧ标准以及ＭＰＥＧ一２标准压缩编码方法，认为ＭＰＥＧ一２不仅具有较高的分辨率，图像质量很高，且压缩比可以达到３０。１而不会大幅降低视频质量ｕ引。３无人机遥感应用现状随着无人机的发展，越来越多地被用于影像获取，如在气象监测、资源调查与监测、测量、突发事件处理等方面取得了丰硕的成果［１３￣１７１。３．１无人机遥感在气象监测中的应用无人气象飞机可装载遥感设备对温度、湿度、压强等气象参数进行遥感测定，而且这方面的研究取得了一定的成果。美国在２０世纪６０年代就开始采用名为ＣｏｍｐａｓｓＣｏｐｅ的遥控飞行器（ＲＰＶ）即无人机代替气象飞机ＷＣ一１３０作为空中气象侦查平台，通过１９７０年到１９７４年５年的飞行试验，认为无人机有诸多优点可以代替气象卫星［９］。在世界气象组织（ＷＭＯ）大气探测委员会和国际科学联盟理事会支持下，国外提出了微型无人驾驶探空飞机发展计划［１引。中国气象局也将微型无人驾驶飞机探空的研究工作列入。八五”计划。马舒庆等用ＧＰＳ导航无人机携带数字电子探空仪在河北省怀来县和南昌北郊南昌新机场两地进行了１０００ｍ和３０００ｍ的高度探测试验，并将风速测量结果与探空站雷达测得的结果进行比较和两种测量技术所得的结果非常接近，且温度、气压、湿度和测量精度也都达到设计指标［１８￣＂］。沈怀荣等利用微小型无人机探测气象参数，该方法可以在空中长时间、大区域连续监测天气变化得到高精度测量结果［２３．２无人机遥感在资源调查与监测中应用无人机遥感在资源调查与监测方面的应用主要是土地、资源调查与分类，环境监测等。广西气象减灾研究所的马轮基等２００２年利用装载佳能ＥｏＳ３００Ｄ型数码照相机的无人机对广西武鸣县进行土地资源调查，得到的武鸣县城区域土地利用遥感图。经实地取样测量检验定位平均偏差１ｍ，最大偏差２ｍ，水平方向上长度变形小于１％，基本没有角度变形［ｚ１１。２００３年中国测绘科学研究院研制完成的ＵＡＶＲＳ－－ＩＩ型低空无人机遥感监测系统选用高分辨率面阵ＣＣＤ数码相机作为主要遥感设备，实现了大比例尺航摄的面积覆盖，并通过国土资源部组织的部级验收［２２１。谢彩香等根据中药资源分布特点利用无人机进行抽样调查，结合航天遥感计算中药资源的总量，大大节省了成本，并使其结果具有统计学的可靠性［２引。台湾大学理学院空间信息研究中心利用无人机拍摄低空大比例尺图像，配合ＦＯＲＭＯＳＡＴ２分类进行异常提取，解译桃园县非法废弃堆积物（固体垃圾等），用于环境污染和执法调查。朱子豪等２００４年使用无人机携带大面阵数码相机在台湾盐寮福隆海岸进行追踪调查，对沿岸环境、土地、厂房、污染等进行了监测。２００４年４月，马轮基等以１２００ｍ的飞行高度对武汉市东湖南半部的“雁中咀”、“磨山”附近水域进行无人机遥感监测，得到三个区域的湖水水色的差异情况图，并分析了东湖南半部水域水质情况［２川。３．３无人机遥感在测量方面的应用马瑞升等在分析无人机遥感影像几何变形理论８９　万方数据适意信息缉丝

基础上，利用标准图形垂直摄影法标定相机，建立相机误差纠正模型，使用大比例尺地形图作为底图，通过同名点配准纠正航摄影像，全过程不使用外方位元素，最终影像经实际检验，单点定位平均误差为１．０ｍ左右，且基本没有角度变形［２‘。。崔红霞等２００５年进行了单相机无人机航摄试验，结合常规的摄影测量方法对航片进行后处理，结果表明：其相对定向误差为０．００８ｐｉｘｅｌ，最大误差为０．０１９ｐｉｘｅｌ绝对定向的平面误差０．１１１ｍｍ，高程误差０．１１７ｍｍ符合摄影测量的精度要求［２引。孙凡等利用光校参数和软件配准法对无人机多光谱成像仪图像进行校正、彩色合成和图像配准，并在此基础上提出采用光校参数法与软件配准法相结合可得到更好的配准效果［２钉。宋妹婧等在ＭａｐＯｂｊｅｃｔｓ控件和ＭＳＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ．Ｎｅｔ开发环境下实现了无人机遥感航迹实时显示［２７１。勾志阳等人从像片重迭度、航带弯曲、像片旋转角及航高差等方面对无人机航空摄影质量进行评定，绘制了无人机实飞航迹与预设航迹，显示了无人机的定点拍摄效果，结果说明无人机空中摄影质量可满足摄影测量的基本要求［２８１。３．４无人机遥感在突发事件处理中的应用如何应对突发事件（如交通火灾、大型输油管道火灾、森林火灾、核电站险情救援等）常常是·个令人头疼的问题，无人机以其高机动性能为人们应对突发事件提供了新的途径。当火灾现场情况复杂或者受现场环境限制时，消防员无法靠近现场作战，指挥员无法了解现场情况，无法制定快速有效的作战方案。无人机最突出的优点在于它可以用最短的时间，最大限度地接近灾情现场，提供最直接、最真实的第一手数据，观测到消防人员无法抵达的区域，监视灾情发展为制定有效的作战方案提供依据。美国运输部示范性地建立了基于无人机的遥感系统，将其应用于快速获取道路运输网络的图像并对所得信息进行快速分析，应用无人机取得近实时遥感影像对地震后出现问题的道路、桥梁进行评估，用以快速确定震后救灾的路线。美国ＮｉｃｏｌａｓＬｅｗｙｃｋｙｊ等人利用无人机遥感在北卡罗莱纳洲进行自然灾害调查，通过正射影像处理与分析准确评估场房和村庄的损失，显示了无人机遥感具有的快速反映能力，为灾害的治理提供了及时、准确的数据［２引。日本减灾组织使用ＲＰＨｌ和ＹＡＮＭＡＨＡ无人机携带高精度数码摄像机和雷达扫描仪对正在喷发的火山进行调查，抵达人们难以进入的地区快速获取现场实况，对灾情进行评估。９０之后，日本环境省又利用ＹＡＭＡＨＡ无人机加载核生化传感器进行核污染监测，对不同地理环境，不同埋藏深度的辐射源的辐射强度的反映能力进行量化研究，为核电站及其他核设施的管理提供基础数据。马瑞升等开发了一套微型无人机空中火情监测系统，并开发了相应的地面监测软件，经过试验该系统已具备单架次可完成半径３０ｋｍ以内，面积８０～１００ｋｍ２林区巡护任务口¨。