無人機(jī)遙感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展與創(chuàng)新

無人機(jī)遙感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展與創(chuàng)新

一引言地理信息數(shù)據(jù)采集是一項沒有終點、不斷發(fā)展的工作，各種各樣持續(xù)的需求決定了地理信息數(shù)據(jù)采集的持續(xù)性。當(dāng)前，我國數(shù)字城市建設(shè)正如火如荼，道路建設(shè)、城市規(guī)劃、城市管理等對地理信息數(shù)據(jù)的需求十分旺盛。理想狀態(tài)下，每年有200多個城市需要平均采集數(shù)據(jù)4次，以保證數(shù)據(jù)的時效性和準(zhǔn)確性以及城市數(shù)據(jù)庫的建設(shè)需要。面對旺盛的地理數(shù)據(jù)采集需求，數(shù)據(jù)的采集方式也是多種多樣，星載和機(jī)載遙感系統(tǒng)、地面車載遙感系統(tǒng)等均有各自的優(yōu)勢。在各類遙感采集系統(tǒng)中，無人機(jī)遙感系統(tǒng)是一個典型代表。其具有機(jī)動靈活、經(jīng)濟(jì)便捷的技術(shù)優(yōu)勢，以高分辨率輕型數(shù)字遙感設(shè)備為機(jī)載傳感器、以數(shù)據(jù)快速處理系統(tǒng)為技術(shù)支撐，具有對地快速實時調(diào)查監(jiān)測能力，可廣泛用于土地利用動態(tài)監(jiān)測、礦產(chǎn)資源勘探、地質(zhì)環(huán)境與災(zāi)害勘察、海洋資源與環(huán)境監(jiān)測、地形圖更新、林業(yè)草場監(jiān)測以及農(nóng)業(yè)、水利、電力、交通、公安、軍事等領(lǐng)域。研制和生產(chǎn)性能更高、價格更低、安全可靠的無人機(jī)攝影測量系統(tǒng)，對促進(jìn)我國無人機(jī)遙感事業(yè)具有重大意義，將產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)利益和社會效益。二無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)及其創(chuàng)新（一）無人機(jī)低空遙感系統(tǒng)的構(gòu)成無人機(jī)低空采集系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺、高分辨率數(shù)碼傳感器、定位與自動駕駛系統(tǒng)及影像處理系統(tǒng)等四部分組成，此外還包括配合無人機(jī)的運輸及操控便利性的相應(yīng)的地面運輸及測控設(shè)備。1.無人飛艇低空遙感系統(tǒng)無人飛艇可以在離地面50～600米的高度，以每小時30～70公里的速度安全飛行，可以獲取比其他飛行器更清晰的航空影像，以高清晰度、高分辨率的影像實現(xiàn)高精度攝影測量，因而更適合大比例尺測圖等工程需求。無人飛艇低空遙感系統(tǒng)基本組成包括無人飛艇飛行平臺、成像傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)三個基本部分。飛行平臺由運載成像傳感器沿空中規(guī)定航線進(jìn)行影像獲取任務(wù)的無人駕駛氦氣飛艇、保證平臺安全運行的自駕儀、對地通信系統(tǒng)三部分，以及用以獲取攝影站點的精確大地坐標(biāo)來實現(xiàn)高精度地面控制的測圖任務(wù)的GPS定位系統(tǒng)選件組成。圖1為飛艇樣圖，表1為飛艇產(chǎn)品規(guī)格。圖1CK-FT180飛艇系統(tǒng)表1無人飛艇產(chǎn)品規(guī)格2.Quickeye（快眼）-Ⅲ型無人機(jī)此型號無人機(jī)針對的主要客戶群是那些對飛機(jī)操控水平很有限的單位，可能在山區(qū)峽谷等地方降落。該飛機(jī)具備最基礎(chǔ)的彈射模式和把傘降作為標(biāo)準(zhǔn)降落方法來使用的機(jī)型。圖2是該型號飛機(jī)的外觀及彈射圖，其主要性能參數(shù)見表2。圖2Quickeye（快眼）-Ⅲ型無人機(jī)外觀及彈射圖表2Quickeye（快眼）-Ⅲ型無人機(jī)性能參數(shù)3.Quickeye（快眼）-Ⅳ型無人機(jī)此型號無人機(jī)正是為了滿足更為苛刻的空中作業(yè)而設(shè)計制造的。該機(jī)型發(fā)動機(jī)為：單缸62CC發(fā)動機(jī)成縱列在機(jī)身任務(wù)艙的頭和尾部，學(xué)名叫串列式發(fā)動機(jī)動力結(jié)構(gòu)，前方拉進(jìn)，后方推進(jìn)，單臺可以達(dá)到6.2馬力，完全可以做到單發(fā)起飛。這樣就做到了在突發(fā)情況下（一臺發(fā)動機(jī)損壞且沒有配件）依然可以繼續(xù)作業(yè)，從而不放過每一個好天氣和每一個有時效性的任務(wù)。圖3是該型號飛機(jī)的外觀，其主要性能參數(shù)見表3。4.自動飛行控制系統(tǒng)該系統(tǒng)包含機(jī)載飛控、地面站、通信設(shè)備，要求可以控制各種布局的無人駕駛飛機(jī)，使用簡單方便，控制精度高，GPS導(dǎo)航自動飛行功能強(qiáng)，并且有各種任務(wù)接口，方便用戶使用各種任務(wù)設(shè)備。起飛后即可立即關(guān)閉遙控器進(jìn)入自動導(dǎo)航方式，在地面站上可以隨意設(shè)置飛行路線和航點，支持飛行中實時修改飛行航點和更改飛行目標(biāo)點。單一地面站控制多架飛機(jī)的能力和自動起降的功能也正在開發(fā)中。圖3Quickeye（快眼）-Ⅳ型無人機(jī)外觀表3Quickeye（快眼）-Ⅳ型無人機(jī)性能參數(shù)（二）無人機(jī)遙感系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新隨著信息科學(xué)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對空間數(shù)據(jù)的需求急劇增長。航空攝影測量技術(shù)作為空間信息技術(shù)體系的兩大分支之一，得到了相應(yīng)的重視。我國在該領(lǐng)域也取得了一系列重大進(jìn)展，研制出許多航空攝影測量設(shè)備。低空無人機(jī)航測系統(tǒng)具有運行成本低、執(zhí)行任務(wù)靈活性高等優(yōu)點，正逐漸成為航空攝影測量系統(tǒng)的有益補(bǔ)充，是空間數(shù)據(jù)獲得的重要工具之一。2009年12月，國遙萬維Quickeye（快眼）微型無人機(jī)低空攝影測量系統(tǒng)作為我國唯一一家測繪系統(tǒng)以外的無人機(jī)遙感應(yīng)用集成產(chǎn)品，通過國家測繪地理信息局科技成果鑒定，成為國家測繪地理信息局全國推廣無人機(jī)航測遙感應(yīng)用的合作方和供應(yīng)商。1.北京國遙萬維信息技術(shù)有限公司簡介北京國遙萬維信息技術(shù)有限公司是隸屬于中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所的高科技公司，是遙感所最重要的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化平臺。公司成立于2001年，注冊資本1000萬元，是我國最早進(jìn)行無人機(jī)系統(tǒng)平臺研發(fā)及無人機(jī)遙感應(yīng)用的高新技術(shù)企業(yè)。經(jīng)過近十年的發(fā)展壯大，目前已建立起完善的無人機(jī)研發(fā)部門、生產(chǎn)部門、飛行作業(yè)部門、操控人員培訓(xùn)中心以及服務(wù)中心，在無人機(jī)航攝系統(tǒng)研發(fā)與制造、無人機(jī)操控人員培訓(xùn)、無人機(jī)遙感行業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。公司已經(jīng)建立起國內(nèi)規(guī)模最大、技術(shù)水平最高、具有豐富實操經(jīng)驗的無人機(jī)操控專家隊伍，匯集了全國頂尖的無人機(jī)操控技術(shù)人員20余人，其中具有10年以上飛行經(jīng)驗的8人，國家級飛行教練2名，經(jīng)過大范圍（10萬平方公里以上）、多任務(wù)環(huán)境（20余個省份）、多任務(wù)要求（0.05～0.5M分辨率）作業(yè)檢驗，具備豐富的無人機(jī)攝影測量經(jīng)驗，能夠熟練飛行、維護(hù)多種型號的無人機(jī)。擁有無人機(jī)30余架分布在我國各行各地，先后承擔(dān)并成功實施了國家各部委、省市項目總面積超過20萬平方公里，已成為我國無人機(jī)系統(tǒng)及無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)。成立了“無人機(jī)低空遙感操控師培訓(xùn)中心”，并在全國設(shè)立兩個培訓(xùn)基地，聘用國家級專業(yè)飛行教練對相關(guān)人員實施飛控培訓(xùn)。且基于公司30余支航拍作業(yè)隊伍，可保證學(xué)員有充足的機(jī)會進(jìn)行項目實操訓(xùn)練，更加有效地培養(yǎng)無人機(jī)飛控人員。在不斷壯大無人機(jī)產(chǎn)業(yè)化隊伍的同時，無人機(jī)技術(shù)也肩負(fù)起了相應(yīng)的社會責(zé)任，在擁有了無人機(jī)人才隊伍、無人機(jī)技術(shù)支持、無人機(jī)實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，公司同國家民政部減災(zāi)中心成立了國家重大自然災(zāi)害應(yīng)急無人機(jī)檢測站，與中科院遙感應(yīng)用研究所成立了Quickeye（快眼）應(yīng)急空間信息服務(wù)中心。公司將立足“一站一心”的基礎(chǔ)，更好地發(fā)揮無人機(jī)系統(tǒng)的功效。2.快眼多光譜相機(jī)系統(tǒng)該系統(tǒng)由中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所及北京國遙萬維信息技術(shù)有限公司聯(lián)合研發(fā)，是我國首部可以在民用無人小飛機(jī)上搭載的多光譜相機(jī)。其經(jīng)無人機(jī)或其他小型航空器搭載，將充分發(fā)揮無人機(jī)機(jī)動靈活、受天氣影響小、高危作業(yè)、應(yīng)急性強(qiáng)等特點，經(jīng)過多個波段的針對性獲取，可獲取水體、水汽、大氣等參數(shù)，在水溫環(huán)保調(diào)查、大氣監(jiān)測等領(lǐng)域，可提供比遙感衛(wèi)星、大飛機(jī)遙感更機(jī)動、更及時、更方便、更高分辨率的光譜影像，彌補(bǔ)了我國低空無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)系統(tǒng)的空白。另外，通過相機(jī)內(nèi)部濾光片可更換設(shè)計，可根據(jù)不同用戶需要，更換不同濾光片，獲取地物相應(yīng)光譜信息，理論上可獲取200多種光譜波段信息?？煅鄱喙庾V相機(jī)系統(tǒng)外觀如圖4所示，具體參數(shù)如下。圖4快眼多光譜相機(jī)組件·波段數(shù)：4個（可調(diào)換）；·光譜范圍：0.43～0.52μm，0.52～0.60μm，0.63～0.69μm，0.76～0.90μm（可調(diào)換）；·單幀像素：1392×1040；·視場角：小于等于43°；·空間分辨率：高于0.5m；·重量：6kg。在三軸云臺自穩(wěn)系統(tǒng)中，研發(fā)的云臺裝置與飛機(jī)機(jī)身緊密相連，并實現(xiàn)控制傳感器橫滾、俯仰，及旋偏、控制精度旋偏改正功能，確保傳感器的精確指向及定位。云臺自穩(wěn)系統(tǒng)外觀如圖5所示。圖5云臺自穩(wěn)裝置演示及實體根據(jù)實際應(yīng)用要求，無人機(jī)遙感影像獲取下來以后，要進(jìn)行快速的質(zhì)量檢測。國遙萬維使用自主開發(fā)的集成軟件平臺——無人機(jī)航片快速處理軟件：NCGUAV，版本號為：v1.0。軟件功能包括兩大功能。第一，航攝質(zhì)量快速檢查功能，例如重疊度、旋偏角等，并自動形成索引圖、自動進(jìn)行打號、生成相關(guān)統(tǒng)計表。第二，影像快速預(yù)處理功能，包括讀取相機(jī)參數(shù)，按輸入及輸出目錄自動批處理原始數(shù)據(jù)，快速進(jìn)行影像的畸變差改正，并根據(jù)要求進(jìn)行目標(biāo)輸出。NCGUAVv1.0功能模塊及功能如下?！ぷ詣有纬上嗥A(yù)覽索引圖，供快速瀏覽影像質(zhì)量；·檢查影像數(shù)據(jù)重疊度；·檢查旋偏角指標(biāo)；·影像自動批量打號；·形成、輸出影像質(zhì)量檢查統(tǒng)計報告；·讀入相機(jī)參數(shù)文件；·按設(shè)定目錄進(jìn)行原始影像導(dǎo)入、自動畸變糾正處理、輸出。截至2011年1月，Quickeye（快眼）無人機(jī)航攝系統(tǒng)已連續(xù)安全作業(yè)超過20萬平方公里，作業(yè)范圍遍及全國30余個省、市、自治區(qū)，通過高原、山地、丘陵等各種自然環(huán)境檢驗，具備安全、可靠、穩(wěn)定的優(yōu)良特質(zhì)。2009年11月，Quickeye（快眼）無人機(jī)航測遙感系統(tǒng)通過了國家測繪地理信息局組織的鑒定，以劉先林院士為組長的鑒定委員會一致認(rèn)為，該系統(tǒng)實用、可靠，技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。今后，Quickeye（快眼）系統(tǒng)將進(jìn)一步加快工程化、產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，助推我國無人機(jī)航測遙感應(yīng)用快速發(fā)展，使低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)能夠得到良好應(yīng)用。三無人機(jī)遙感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化布局伴隨著無人機(jī)遙感技術(shù)的不斷成熟，無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也在不斷前行。在汶川特大地震、玉樹強(qiáng)烈地震、吉林化工原料桶泄漏等重大災(zāi)害救災(zāi)中，無人機(jī)遙感系統(tǒng)臨危受命；在數(shù)字城市信息采集、援建新疆測繪、災(zāi)后重建測繪工作中無人機(jī)一機(jī)當(dāng)先。無人機(jī)正在以一次次的出色完成任務(wù)來證明自身的價值，也為其產(chǎn)業(yè)化、市場化提供了最有力的佐證。國家測繪地理信息局對于無人機(jī)遙感系統(tǒng)給予高度重視。在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用國產(chǎn)固定翼輕型無人機(jī)航攝系統(tǒng)，為國家應(yīng)急救災(zāi)等工作提供數(shù)據(jù)獲取手段，是國家測繪地理信息局的一項重點工作。預(yù)計將分兩批完成全國各省、自治區(qū)、直轄市測繪行政主管部門，以及有關(guān)直屬單位和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)的無人機(jī)航攝系統(tǒng)裝備工作，并將適時舉辦無人機(jī)航攝系統(tǒng)操控與管理培訓(xùn)班，盡快在全國測繪系統(tǒng)形成規(guī)模和能力，大幅度提高基礎(chǔ)地理信息快速獲取能力和測繪應(yīng)急保障能力。2010年，國家測繪地理信息局向陜西、黑龍江、四川、海南、重慶、河北、遼寧、吉林、安徽、河南、湖北、云南、甘肅、青海、寧夏、新疆等16個省、自治區(qū)測繪局裝備了無人機(jī)航攝系統(tǒng)。為了保障系統(tǒng)在各地裝備后能更有效、規(guī)范地開展測繪生產(chǎn)作業(yè)，國家測繪地理信息局已經(jīng)出臺文件明確了無人飛行器測繪航空攝影資質(zhì)考核條件，組織相關(guān)單位制定了《低空數(shù)字航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》、《低空數(shù)字航空攝影數(shù)據(jù)獲取技術(shù)規(guī)定》、《低空數(shù)字?jǐn)z影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》等3個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)審查后將頒布實施，《無人飛行器測繪航空攝影管理辦法》等相關(guān)管理文件也將頒布施行。四無人機(jī)遙感系統(tǒng)發(fā)展前景經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無人機(jī)的技術(shù)性能不斷提高，功能日益完善，尤其是近年來航空、計算機(jī)、微電子、導(dǎo)航、通信及數(shù)字傳感器等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)從研究階段向?qū)嵱没A段發(fā)展。無人機(jī)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，成為未來航空器的發(fā)展方向之一。隨著人們對地理環(huán)境的不斷理解和對測繪需求的增長，無人機(jī)與測繪的關(guān)系越來越緊密。無人機(jī)遙感技術(shù)體現(xiàn)了無人機(jī)與測繪的緊密結(jié)合，同時也提供了更高效的測繪方式。制度上，外業(yè)規(guī)范、技術(shù)規(guī)定、內(nèi)業(yè)規(guī)范都已相繼審查頒布，技術(shù)上從飛行平臺、遙感傳感器到飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)時傳系統(tǒng)，每一個環(huán)節(jié)上都在不斷地改進(jìn)和創(chuàng)新，國家測繪地理信息局大力倡導(dǎo)提高地理國情監(jiān)測，提升基礎(chǔ)地理信息快速獲取能力和測繪應(yīng)急保障能力。目前，中國的數(shù)字城市建設(shè)試點和推廣城市已達(dá)130個，近60個城市的數(shù)字城市系統(tǒng)基本建成，未來一段時期，將每年遴選30至50個城市納入數(shù)次城市推廣計劃，并力爭在2011年啟動100個以上的數(shù)字城市建設(shè)，使數(shù)字城市覆蓋全國三分之二的地級城