无人机平台及测量技术综述

高尚

摘 要：本文首先阐述无人机技术的特点、优势，并对国内外无人机平台技术的发展进行论述和对比。在应用层面，对近年来国内外基于无人机的遥感技术在救灾、工程测量、地面目标的快速提取等方面的研究进展进行评述，以期理清无人机应用的发展脉络和趋势。

关键词：无人机；摄影测量；地面目标提取

中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2017）03-0055-02

Abstract： This paper described the characteristics and advantages of UAV technology， and foreign and domestic UAV platform technology were discussed and compared. At the application level， the research progress of remote sensing technology based on unmanned aerial vehicle （UAV） at home and abroad has been reviewed in order to clarify the development trend and development trend of UAV applications in disaster relief， engineering survey and rapid extraction of ground targets.

Keywords： UAV；photogrammetry；ground target extraction

隨着我国社会经济的快速发展，数字化、信息化进程不断加快，传统测绘方法及遥感技术已经不能很好地适社会发展的需求。同时，对高分辨率遥感影像的需求以及其时效性和准确性的要求在不断增加。近年来，基于无人机的低空遥感技术在军事、水利勘察、资源与环境监测、海洋工程、电力工程、土地利用动态监测、农业与自然灾害监测及交通等领域逐渐成为研究热点，并且逐步进入应用层面。此外，无人机低空遥感技术也成为提取流域三维地形的一种新方法。无人机低空遥感系统（UAVRS系统）具有诸多特点和优势。首先，无人机设备的质量轻、体积小、机动性强、运输方便以及无需专用跑道，能快速在相关区域实现影像的获取；其次，无人机的操作简单，基于无人机的遥感系统具有高度的自动化和智能化，可通过设置无人机参数来避免飞行中的系统故障并实现智能返航；无人机受天气和地形条件影响较小，可在目标区域按需求设置航摄高度，有效地避开云层及地面障碍物的干扰，从而获取高分辨率影像；此外，无人机遥感系统的维护成本与使用成本都远远低于卫星遥感及载人飞机遥感。正是由于无人机系统的上述特点，基于无人机的遥感系统在不久的未来将成为部分专业测量及民用测量领域的主流测量手段和工具。

1 无人机平台技术的发展

无人驾驶飞行器（Unmanned Aerial Vehicle，UVA），也称为无人机，实际上是一大类无人驾驶飞行器的总称，包括无人驾驶飞艇、热气球、无人驾驶固定翼飞机、无人驾驶旋翼飞机等。由于其低空飞行特性及配备了较为先进的拍摄设备，无人机逐渐成为新型的高分辨率的摄影测量应用平台。

1.1 国外无人机平台技术的发展

英国于1917年成功研制了世界上第一架无人机，但其当时主要应用于军事领域。20世纪80年代后，随着相关学科的发展，无人机的体型逐渐小型化，使其更加便于携带、便于使用。同时，各种新型材料也逐渐应用到无人机的构造方面，使其在结构强度大幅提高的同时机身重量大幅减小，进一步延长了飞行时间。90年代后，美国利用无人机在海湾战争中发挥出的巨大作用，促使世界上许多国家开始大力研发无人机系统。这些无人机系统包括了著名的美国全球鹰（GlobalHawk）系统、捕食者（Predator）以及以色列的赫尔姆斯（Hermes）等。近十年来，欧美等发达国家在强化无人机在军事领域应用的同时，也开始快速扩展小型无人机在民用领域的应用。例如，将无人机大量用于国土测绘、农药喷洒甚至延伸至一定距离内的快递物品等。此外，欧美无人机在特殊领域还出现了微型化的趋势。例如，澳大利亚CyberTechnology公司利用3D技术制造出尺寸为420mm×420mm×[×]420mm微型无人机；美国哈佛大学研制的微型无人机，其机身由碳钎维制成，重量仅106mg；瑞士联邦洛桑理工学院则设计出首款球状耐碰撞无人机（Gimball），具有体积小、质量轻，碰到障碍物不会失去稳定性等特点。

1.2 国内无人机平台技术的发展

我国无人机的研制工作起步较晚。中国第一款无人机长空一号于1966年研制成功。之后又研制出长虹高空高速无人侦察机、T-6无人机、Z-5无人侦察机等。上述无人机系统在军事、航测、地球物理勘探、灾情监测等领域得到了广泛应用。民用方面，我国在20世纪90年代末成立了无人机系统研究小组，负责自主研制无人机低空航测技术，并在之后的十年在无人机领域取得了长足进步，如华光公司和北京市测绘设计研究院研制的“华鹰”无人机，北京国遥万维科技有限公司的“QuickEye”，中国测绘科学院研制的ZC-1、-2固定翼轻型无人飞机航摄系统以及UAVRS-II型无人机低空遥感监测系统。大疆创新科技有限公司也研发出ACE系列直升机飞控系统、多旋翼飞控系统、多旋翼一体机Phantom等系列产品。

2 无人机遥感系统的应用

2.1 基于无人机的遥感系统应用

无人机遥感系统操作灵活，能够快速获取目标区域的高分辨率数字影像，并快速完成遥感影像的后处理，实现三维可视化立体建模及应用分析。因此，无人机遥感技术已逐渐渗透到社会经济建设的诸多领域。

在国外，日本利用搭载雷达扫描仪的无人机，对活火山的喷发过程进行了实时观测和评估；美国利用无人机遥感平台获取了黄石国家公园的高分辨率遥感影像并绘制成图；Nicolas Lewycky等[1]利用无人机遥感技术所获取的正射影像，对灾区的房屋及农庄的受损状况等自然灾害进行了调查评估；Lena Halounova等[2]利用无人机遥感技术研究了流域下垫面的变化对洪水消退的影响。

国内无人机最早的应用也主要在军事方面，而在民用方面起步较晚。自1999年UAVRS-I型遥感监测无人机研制成功到2008年汶川地震的大面积实际應用，中国的无人机应用也经历了较为漫长的发展过程。柴子为[3]用无人机影像构建出山地人工林景观DEM，并对现有数据进行对比，指出利用无人机构建DEM精度比ASTER GDEM和SRTM精度更高；张浩[4]利用无人机遥感系统完成了北京某高速公路选线设计，对获取影像进行了三维可视化，真实地反映出土地利用和地表覆盖状况，提高了道路选线的效率；胡健波等[5]利用无人机遥感系统完成了天津东疆人造防波堤巡检，并借助软件获取了防波堤的正摄影像和三维遥感数据，可清晰地查看防波堤的破损位置，通过不同影像对比检测防波堤的变形和沉降情况，其精度和效率已可以取代传统检测方法。

2.2 无人机在提取地面目标方面的应用

近年来，无人机在地面目标提取方面也开始发挥越来越大的作用。Stassopoulou等通过Canny算子的多尺度分割与边缘分割相结合的方法对影像进行分割和区域特征提取；S Levitt等提出了一种基于纹理度量驱动提取方法，利用纹理衡量算法把不同景物从影像中进行区分并提取目标区域，在提取中低等分辨率影像信息时取得了良好的效果；李培君对无人机获取的高分辨率影像进行影像分割，再通过分类的方法把具有绿地参数特性的样本从影像中识别出来，提取了某校园绿地面积。刘正军等提出了一种基于分类和形态综合的特征提取方法，通过面向对象分类方法把影像中地物信息进行分类，并提取目标物，此方法对建筑物轮廓的提取效果显著。

3 结语

本文主要对无人机平台及其在遥感领域中的应用进行了综述。无人机技术虽然出现时间较晚，但其发展速度十分迅猛。在无人机自身平台方面，出现了小型化、长时间续航、高精度影像拍摄的趋势，而对无人机遥感影像的研究也开始向多光谱遥感、地形地貌提取、影像地物的自动分类等方面发展。可以预计在不久的将来，无人机技术必将在更多的应用领域担当越来越重要的角色。

参考文献：

[1]Nicolas Lewyckyj，Clemens Mensink. A simple model for the assessment of air quality in streets[J].International Joural of Vehicle Design，2001（1）：242-250.

[2]Lena Halounova，Vladimir Houlubec. Assessment of flood with regaeds to land cover changes[J].Procedia Economices and Finance，2014（18）：940-947.

[3]柴子为.基于无人机影像的山地人工林景观DEM构建[J].遥感科技与应用，2015（3）：503-507.

[4]张浩，王树东，杨永兴，等.无人机航测技术在高速公路勘测及辅助选线中的应用[J].工程勘察，2015（9）：90-94.

[5]胡健波，张飞.基于无人机的防波堤巡检[J].水道港口，2015（4）：355-358.