无人机航空摄影测量与遥感行业发展现状与趋势_张迷霞.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 1 月测绘与空间地理信息GEOMATICS&SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGYVol.45,No.1Jan.,2023收稿日期:2021-09-06基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(42005104);国家重点研发计划项目面向“一带一路”的定量遥感基础共性产品协同处理与联合验证技术(2020YFE0200700)资助作者简介:张迷霞(1988-),女,天津人,工程师,注册测绘师,硕士,2013 年毕业于山东科技大学测绘工程专业,主要从事海洋制图、无人机测绘与遥感等方面的应用研究工作。无人机航空摄影测量与遥感行业发展现状与趋势张迷霞,栾 俊,游于陆,贺希敏,陈思冶,韩 啸(海图信息中心,天津 300450)摘要:随着科学技术的发展,对地观测的方法日趋多样化。无人机作为一种新型的航空对地观测平台,已经成为摄影测量与遥感的重要技术手段,在大比例尺测绘产品生产、快速实景三维建模、目标识别与分类、定量监测等方面得到广泛应用。本文从无人机平台、遥感传感器、数据处理软件以及行业标准规范 4 个方面论述了无人机摄影测量与遥感的技术轮廓和路线,对无人机航空摄影测量与遥感的行业发展现状与趋势进行了总结分析。关键词:无人机系统;摄影测量与遥感;航空定量遥感中图分类号:P237 文献标识码:A 文章编号:1672-5867(2023)01-0038-04Industry Development Status and Trend of Aerial Photogrammetry and Remote Sensing Based on UASZHANG Mixia,LUAN Jun,YOU Yulu,HE Ximin,CHEN Siye,HAN Xiao(Chart Information Center,Tianjin 300450,China)Abstract:With the development of science and technology,the methods of earth observation are becoming more and more diversified.As a new type of aerial earth observation platform,UAV has become an important technical means of photogrammetry and remote sens-ing.It has been widely used in the production of large-scale surveying and mapping products,rapid 3D real scene modeling,target recognition and classification,quantitative monitoring and other aspects.This paper discusses the technical outline and route of UAV photogrammetry and remote sensing from four aspects:UAV platform,remote sensing sensor,data processing software and industry standard specification,and summarizes and analyzes the current situation and trend of UAV aerial photogrammetry and remote sensing industry.Key words:UAS;photogrammetry and remote sensing;aerial quantitative remote sensing0 引 言航空摄影测量与遥感是对地观测的重要技术手段之一。从早期热气球、侦察机等航空观测,到卫星对地观测高度发达的今天,航空遥感一直受到世界各国的高度重视。许多发达国家都组建了国家级的大型、综合航空遥感系统1-3。美国所拥有的先进遥感飞机,如 ER-2 型飞机和 C-130、C-141、DC-8 等大型飞机平台最受人们关注。其中,飞行高度达 20 km 以上的 ER-2 型飞机可装载数十种仪器,进行综合性遥感,包括遥感技术发展和对各类对地观测卫星进行模拟,以论证和开展一些重要应用领域的业务观测和监测任务4。我国“十一五”期间的遥感领域国家重大科技基础设施项目由中国科学院遥感与数字地球研究所(现改为中国科学院空天信息创新研究院)等多家院内外单位共同建设。航空遥感系统作为航空遥感领域的综合遥感集成平台和国家级大型实验平台,利用我国自主生产的新舟 60 飞机,完全依靠我国科学家和航空工业技术力量,首次实现了国产民机航空遥感最高复杂度的综合改装与集成。由于军事需要,无人驾驶飞机有了很大发展。例如在美国的军事行动中,“全球鹰”无人机发挥了至关重要的作用。我国在无人机的民用领域走在了世界的前列,以大疆创新、纵横自动化、飞马机器人等为代表的无人机制造商引领着无人机航空摄影测量与遥感技术在国土测绘、环境监测、地质调查、应急应灾等各领域的应用5-9,占据了无人机民用市场的主要份额。现今,无人机以其低成本、高智能化、机动灵活的优势,成为主流的航空遥感平台。经过近几十年的发展,无人机航空器、小型遥感传感器以及数据处理软件都取得了巨大的进步,在对地观测中占据重要一席。1 无人机平台的现状与发展根据气动方式,无人机机型分为旋翼和固定翼。近几年出现的复合翼无人机采用多旋翼方式垂直升高,进而切换为固定翼飞行模式,有效结合了旋翼和固定翼的特点与优势3,10。高度集成化、全自动化是无人机遥感系统的发展趋势。高度集成化主要体现在无人机平台与任务载荷不再是独立的单元,而是飞行航线、姿态控制以及载荷控制实现一体化,并可利用通信链路(微波数据链、4G/5G、卫星通信)远程控制与调参;得益于 GPS-RTK、微波测距、红外测距以及机器视觉等传感器的集成,无人机不仅实现了沿航线自主飞行、自动避障,全自主起降方面也取得了巨大进展,无须遥控器操控便可根据指令自动、精准地定点起降。当今,无人机场及集群控制平台的出现使无人机实现了完全无人化。无人机场是无人机起降、停放、储藏等舱体,可与无人机一起部署于常态化运营的地区。操作人员从室内利用集群控制平台进行无人 机任务规划,并利用 4G/5G/卫星通信/独立数据链等通信方式远程发送指令,使无人机自主执行任务3,10。无人值守无人机遥感系统如图 1 所示。图 1 无人值守无人机遥感系统Fig.1 Remote sensing system based unattended UAV2 遥感传感器的现状与发展当前,以无人机为代表的航空摄影测量与遥感具有多种多样的任务载荷,包括多视角航摄仪、航摄相机、激光雷达、多光谱相机、高光谱相机等,在数百米的高度通常可获取20 cm 分辨率的图像或高密度的点云,几何精度可达 1 5001 2 000 比例尺。为适应无人机的低载重、广泛应用等要求,无人机专用的遥感传感器也逐步的走向轻小型化、低成本化。表 1 典型的无人机摄影测量与遥感传感器Tab.1 Typical sensors used for photogrammetry and remote sensing based on UAV传感器名称传感器类型关键参数指标应用领域生产国家Canon 5D V 数码单反相机摄影测量型传感器尺寸:36 mm24 mm最大分辨率:5 7603 840照片最大分辨率:3 010 万镜头焦距:定焦 35 mmDOM、DSM、DEM 日本Sony a6000 微单相机摄影测量型传感器尺寸:23.5 mm15.6 mm最大分辨率:6 0004 000照片最大分辨率:2 430 万镜头焦距:定焦 21 mmDOM、DSM、DEM 日本小金牛 AP3400R Pro多视角摄影测量型内置相机数量:3传感器尺寸:23.5 mm15.6 mm像元物理尺寸:3.92 um曝光周期总像素:2.9 亿像素镜头焦距:定焦 35 mm相机倾斜角度:45曝光方式:定时、定点曝光三维实景建模中国集成研发Rededge-MX多光谱遥感型传感器:120 万像素 CMOS,全局快门;分辨率:1 280960视场角:49.6HFOV,38VFOV镜头参数:焦距 5.2 mm,光圈 F/2.2典型幅宽:110 m83 m h=120 m空间分辨率:8.65cm h=120 m波段范围:450 nm、555 nm、660 nm、720 nm、750 nm、840 nm精准农业、林业病虫害调查、环保监测美国集成研发93第 1 期张迷霞等:无人机航空摄影测量与遥感行业发展现状与趋势续表 1Tab.1(Continued)传感器名称传感器类型关键参数指标应用领域生产国家MS600 多光谱相机多光谱遥感型传感器:120 万像素 CMOS,全局快门;分辨率:1 280960视场角:49.6HFOV,38VFOV镜头参数:焦距 5.2 mm,光圈 F/2.2典型幅宽:110 m83 m h=120 m空间分辨率:8.65 cm h=120 m波段范围:450 nm、555 nm、660 nm、720 nm、750 nm、840 nm精准农业、林业病虫害调查、环保监测中国集成研发大疆精灵 4 多光谱相机多光谱遥感型传感器:6 个 208 万像素 CMOS,包括 1 个可见光彩色传感器和 5 个光谱单色传感器,全局快门分辨率:1 6001 300视场角:FOV:62.7HFOV,50.9VFOV镜头参数:焦距 5.74 mm,光圈 F/2.2典型幅宽:144 m117 m h=120 mV空间分辨率:9 cm h=120 m波段范围:450 nm、560 nm、650 nm、730 nm、840 nm农业监测与环境监察中国集成研发大疆禅思 XTS 热红外相机热红外遥感型传感器:非制冷氧化钒(VOx)微测热辐射计镜头焦距:19 mm数字变焦:1x、2x、4x视频分辨率:640512 25 Hz图片分辨率:640512像元间距:17 m波长范围:8-14 m灵敏度(NETD):40 mK f/1.0消防、搜救、巡检中国集成研发GaiaSky-mini机载高光谱相机高光谱遥感型光谱范围:4001 000 nm光谱分辨率(30 um):3.5 nm数值孔径:F/2.8光谱采样率:0.5 nm全幅像素:1 392(空间维)1 040(光谱维)像素间距:6.45 m横向视角:27.3 18.5 mm 横向视场:146 m 18.5 mm目标识别、伪装与反伪装军事领域,地面物体与水体遥测、现代精细农业中国集成研发 从上表可以看出,虽然传感器核心芯片仍然被国外所主导,但我国在面向行业应用的集成传感器方面取得了较大的进步。消费级的微单/单幅相机以其低成本、低重量、控制简便等优点,成为航空摄影测量的主要传感器载荷。随着计算机视觉技术的发展,数码相机、普通工业相机经过自动几何定标,展示出了较好的摄影测量应用性能。当前,利用无人机搭载轻小型的多光谱/高光谱相机开展定量遥感研究和应用成为新的无人机应用热点1114。Valentine Lebourgeois 等人对消费级单反相机Canon EOS 400D 是否可用于遥感监测进行了测试实验,通过辐射定标和校正以确定相机的辐射测量性能15。中科院长光所专为无人机研制的 MS600 多光谱相机,采用普通工业级 CMOS 传感器集成,具有 6 个可见光-近红外光谱波段,在 120 m 飞行高度时采集的多光谱图像分辨率可达 8 cm11。轻小型的多光谱相机、高光谱相机的推出,促进了无人机在遥感监测领域的应用,为遥感对地观测带来了新的机遇。3 数据处理的现状与发展与传统有人机搭载的专业航摄仪有所不同,无人机所搭载的航摄相机画幅较小,因此航摄采集的原始数据具有图像数量多、总像素数大、地物特征复杂等特点,这对空三测量提出了新的要求。随着计算机视觉技术的日渐成熟,PIX4Dmapper、Photoscan、Acute3D 等新兴的航测与建模软件具有高数据容量、高鲁棒性、高匹配精度等优势,不需要过多的人工干预即可利用无人机获取的二维照片快速生成高精度的 DOM、DSM、三维模型等产品,甚至在多光谱遥感影像的辐射校正、几何校正等处理中也开始发挥应用16-17。近几年,以“大疆智图”为代表的实时测图软件实现了无人机数据采集和空三处理同步进行。无人机按规划航线采集图像,并通过图传链路将图像传回到地面站,实时测图软件可实时读取图像进行特征提取与匹配、空三测量、正射校正等处理,输出测绘遥感影像产品。主流无04 测绘与空间地理信息 2023 年人机摄影测量与遥感处理软件见表 2。表 2 主流无人机摄影测量与遥感处理软件Tab.2 Prevalent softwares of photogrammetry and remote sensing based on UAV软件名称软件介绍及主要功能是否可处理多光谱图像生产国家PIX4Dmapper轻量级的航空摄影测量软件,具有多视图三维重建功能 是,可基于图像、辐射传感器进行辐射校正瑞士Photoscan轻量级的航空摄影测量软件,具有多视图三维重建功能是,可基于图像、辐射传感器进行辐射校正俄罗斯Acute3D ContextCapture一款专业的实景建模软件,使生产从简单的照片到高分辨率的三维模型,无需任何人工干预否美国Inpho-UAVmaster专业级的航空摄影测量软件否德国大疆智图实时测图与三维重建软件否中国 可以看出,相对于传统的航空摄影测量处理软件,无人机摄影测量软件的自动化水平、数据处理效率和测绘产品精度大大提升。我国相关商业软件后起直追,与国际水平旗鼓相当。软件制造商除了关注测绘产品的生产,也关注多光谱遥感数据的处理,但在遥感图像的辐射校正、均衡色彩、定量分析等方面有待进一步提升。4 相关标准与规范尽管无人机已经在各行各业开展应用,但相关标准规范尚不健全。国际标准分类中,无人机涉及安防、输电网和配电网、航空器和航天器综合、天文学、大地测量学、地理学、航天系统和操作装置;在中国标准分类中,无人机涉及公共安全、电站、电力系统运行检修、总体技术要求、航天器综合、导航通信系统与设备、摄影与遥感测绘、雷达、导航、遥控、遥测、天线综合、无线电通信设备、航空器及其附件综合、通信设备容量系列、标准化、质量管理、基础标 准 与 通 用 方 法、技 术 管 理、操 纵 系 统 及 其 附件1,18-20。20 世纪 90 年代至 21 世纪初期,我国军工单位制定了 30 多项无人机国军标(GJB)工艺标准。2015 年,中国(深圳)无人机产业联盟发布了中国无人机通用技术标准(Q/T JYEV2015)民用无人机技术标准,规定了无人机系统的术语和定义、分类、分级与代号、技术要求、标志、包装、运输和贮存要求。中国民航局在 2019 年发布无人机系统控制和其它安全关键通信空地链路无线电设备 CTSO-C213规定了无人机系统 CNPC 空地链路无线电设备(运行在 C 波段,50405050 MHz)为获得批准和使用适用的 CTSO 标记进行标识所必须满足的最低性能标准。在无人机运营管理方面,2003 年 5 月 1 日,我国开始施行通用航空飞行管制条例,明确规定无人机用于民用业务飞行时,须当作通用航空飞机对待。2009 年以来,我国民航主管部门颁布了多个管理文件:关于民用无人机管理有关问题的暂行规定和民用无人机适航管理工作会议纪要,主要解决无人机的适航管理问题;民用无人机空中交通管理办法主要解决无人机的空域管理问题;民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定主要解决无人机的驾驶员资质管理问题。2013 年出台的民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定指出,重量小于等于 7 kg 的微型无人机,飞行范围在目视视距内半径 500 m、相对高度低于 120 m 范围内,无须证照管理,但应尽可能避免遥控飞机进入过高空域;重量等指标高于上述标准的无人机以及飞入复杂空域内的,驾驶员需纳入行业协会甚至民航局的监管。中国民用航空局于2018 年发布无人驾驶航空器系统作业飞行技术规范、2020 年发布无人机云系统数据规范。在摄影测量与遥感方面,原国家测绘局于 2010 年发布无人机航摄安全作业基本要求(CH/Z 30012010)无人机航摄系统技术要求(CH/Z 30022010)低空数字航空摄影测量内业规范(CH/Z 30032010)低空数字航空摄影测量外业规范(CHZ 30042010)行业标准,用于指导无人机等航空器摄影测量外业工作与数据处理。随着无人机的快速发展与应用,各单位已经意识到无人机系统与其运营管理的相关标准规范缺失,加快推进标准与规范的完善。无人机在摄影测量与遥感行业的应用起步较早,已经具备了基本的作业与技术标准与规范,但尚不健全,特别是在光谱遥感的应用方面,缺失内外业、数据处理等相关标准。2015 年 1 月,生态环保部发布无人机环境遥感监测基本作业规范(试行),用以规范环保系统无人机环境遥感监测基本作用,保证无人机安全、有效地开展工作,提升环境监测能力;为了进一步推动无人机多光谱遥感技术在河湖库巡检中的普及作用并规范操作规程,中国水利协会已于 2020 年 5 月 7 日批准无人机光谱遥感河湖库巡检技术导则编制立项,组织开展标准编制工作。5 结束语总之,无人机遥感技术融合光学光电、无人驾驶、计算机视觉、移动通信、人工智能等先进技术,降低了遥感的门槛,提高了数据的时间分辨率和空间分辨率,为航空航天遥感带来了革命性的变化,推动了遥感技术的深入发展和广泛应用。参考文献:1 晏磊,廖小罕,周成虎,等.中国无人机遥感技术突破与产业发展综述J.地球信息科学学报,2019,21(4):476-495.(下转第 46 页)14第 1 期张迷霞等:无人机航空摄影测量与遥感行业发展现状与趋势6 王海鸿,常艳妮,杜茎深,等.建设用地扩张驱动力分析 以甘肃省为例J.干旱区资源与环境,2008,22(3):75-80.7 刘茂国,曾永年,马正龙,等.湘西北喀斯特山区土地利用变化及驱动力研究 以张家界市永定区为例J.国土与自然资源研究,2012(5):25-27.8 曾永年,马振玲,刘正春,等.青海高原东部农业区建设用地扩张驱动力分析J.干旱区资源与环境,2011,25(12):114-118.9 张晓慧,李洪建,范晓辉.山西省耕地动态变化及驱动力研究J.干旱区资源与环境,2011,25(11):54-58.10 曾永年,吴孔江,靳文凭,等.青海高原东北部耕地变化及驱动力分析J.干旱区资源与环境,2012,26(8):89-92.11 蒋贵彦,刘峰贵.青海省近 50 年耕地资源变化及驱动力研究J.干旱区资源与环境,2007,21(2):71-74.12 田源,塔西甫拉提特依拜,丁建丽,等.新疆于田县耕地动态变化驱动力定量研究J.干旱区资源与环境,2009,23(3):67-72.13 邓楚雄,李晓青,向云波,等.长株潭城市群地区耕地数量时空变化及其驱动力分析J.经济地理,2013,33(6):142-147.14 郗凤明,贺红士,胡远满,等.辽宁中部城市群城市增长时空格局及其驱动力J.应用生态学报,2010,21(3):707-713.15 朱磊,岳嘉琛,陈诗音,等.19922016 年京津冀城市群城市扩展过程和驱动分析J.北京师范大学学报(自然科学版),2019,55(2):291-298.16 张佰发,苗长虹.黄河流域土地利用时空格局演变及驱动力J.资源科学,2020,42(3):460-473.17 何建华,王宵君,杜超,等.武汉城市圈土地利用变化系统仿真模拟与驱动力分析J.长江流域资源与环境,2015,24(8):1 270-1 278.18 李孝永,匡文慧.京津冀 19802015 年城市土地利用变化时空轨迹及未来情景模拟J.经济地理,2019,39(3):187-194,200.19 赵锐锋,王福红,张丽华,等.黑河中游地区耕地景观演变及社会经济驱动力分析J.地理科学,2017,37(6):920-928.20王哲.农村宅基地利用、管理现状调查与问题研究D.南京:南京农业大学,2013.21 简新华,李楠.中国农业实现“第二个飞跃”的路径新探 贵州省塘约村新型集体经营方式的调查思考J.社会科学战线,2017(12):79-90.22 危薇,杜志雄.稳步推进问题导向的农村宅基地制度改革 对晋江三个村庄的调查J.江淮论坛,2015(4):12-19.23 房绍坤,任怡多.论农村集体产权制度改革中的集体股:存废之争与现实路径J.苏州大学学报(哲学社会科学版),2021,42(2):60-72.编辑:刘莉鑫(上接第 41 页)2 曹洪涛,张拯宁,李明,等.无人机遥感海洋监测应用探讨J.海洋信息,2015(1):51-54.3 王祥科,刘志宏,丛一睿,等.小型固定翼无人机集群综述和未来发展J.航空学报,2020,41(4):20-45.4 李磊,徐月,蒋琪,等.2018 年国外军用无人机装备及技术发展综述J.战术导弹技术,2019(2):1-11.5 张继贤,刘飞,王坚.轻小型无人机测绘遥感系统研究进展J.遥感学报,2021,25(3):708-724.6 熊颖郡.无人机遥感技术在生态环境监测领域的应用研究J.中国资源综合利用,2021,39(2):59-61.7 杨宁,崔文轩,张智韬,等.无人机多光谱遥感反演不同深度土壤盐分J.农业工程学报,2020,36(22):13-21.8 李小玲,胡才源,孙全福,等.无人机遥感在高山峡谷区崩塌地质调查中的应用J.地理空间信息,2021,19(1):78-81.9 崔健.台风灾害下无人机激光雷达技术的电网巡视应用J.测绘科学 2021,46(4):63-67.10 段镇,陈娟,贾宏光.无人机飞行控制系统若干关键技术研究D.长春:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2014.11 朱婉雪,孙志刚,李彬彬,等.基于无人机遥感的滨海盐碱地土壤空间异质性分析与作物光谱指数响应胁迫诊断J.地球信息科学学报,2021,23(3):536-549.12 孙刚,黄文江,陈鹏飞,等.轻小型无人机多光谱遥感技术应用进展J.农业机械学报,2018,49(3):1-17.13YANG Q,LIU X,WU W.A hyperspectral bidirectional reflectance model for land surfaceJ.Sensors(Switzer-land),2020,20(16):1-19.14 BARRETO M A P,JOHANSEN K,ANGEL Y,et al.Ra-diometric assessment of a UAV-based push-broom hyper-spectral cameraJ.Sensors(Switzerland),2019,19(21):4 699.15 LEBOURGEOIS V,BGU A,LABB S,et al Can com-mercial digital cameras be used as multispectral sensors?A crop monitoring testJ.Sensors,2008,8(11):7 300-7 322.16 曹洪涛,高伟,张海峰,等.无人机倾斜摄影分辨率建模与分析J.地理空间信息,2019,17(1):14-15,40.17 杨永明,方源敏.无人机遥感系统数据获取与处理关键技术研究D.昆明:昆明理工大学,2016.18 全权,李刚,柏艺琴,等.低空无人机交通管理概览与建议J.航空学报,2020,41(1):6-34.19 高国柱.中国民用无人机监管制度研究J.北京航空航天大学学报(社会科学版),2017,30(5):28-36.20 郁一帆,王磊.无人机技术发展新动态J.飞航导弹,2019(2):34-42.编辑:张 曦64 测绘与空间地理信息 2023 年