无人机遥感的研究进展与应用概况.docx

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1、无人机遥感的研究进展与应用概况摘要:阐述无人机遥感的开展历程，论述了无人机在遥感领域的应用理论开展以及在气象监测、资源调 查、农情监测和灾害预报监测等方面的应用，指出了开展无人机遥感系统的必要性与意义所在。最后， 从科技、政策等方面给出了开展无人机遥感技术和产业的建议。关键词：无人机；遥感；无人机遥感1 .引言无人机是一种机上无人驾驶的航空器，其具有动力装置和导航模块，在一定范围内靠无线电遥控设 备或计算机预编程序自主控制飞行(Watts, Ambrosia et al. 2012)o无人机研制始于20世纪初有人驾驶飞 机诞生后的十几年，经过近一个世纪的开展，己经形成了一个大家族。目前，全世界

2、有超过50个国家 装备了 300种以上的无人机，比较著名的有美国的“全球鹰”、“捕食者”，中国的“ASN”系列大型无 人机，英国的“凤凰”中型无人机，以色列的“云雀”、“鸟眼”系列小型无人机等(吕厚谊1998)。无人 机种类繁多，从动力、用途、控制方式、结构、航程和飞行器重量等方而可划分为多种类型。例如，按 动力可分为太阳能、燃油、燃料电池和混合动力无人机,按用途可分为军用、民用和多用途无人机,按控 制方式可分为无线电遥控、预编程自主控制、程控与遥控复合控制无人机，按结构可分为固定翼、旋翼、 无人直升机和垂直起降无人机，按航程可分为近程、中程、远程和全球无人机，按飞行器重量可以分为 微型、小型

3、、中型和大型无人机(吴汉平2003)o无人机系统(UnmannedairCraft/aerial system, UAS)是套 综合的技术支撑系统，它是对无人机概念的扩展，它由机体、机上载荷和地而设备等组成，实现其飞行、 操拄、数据处理和信息传导等功能(G 2012)。无人机遥感(UAV remote sensing, UAVRS)是一个综合的系统的技术领域。它涉及航空、微电子、 自动化控制、训算机通讯、导航定位等多个领域，其中的关键技术主要包括:航空遥感平台集成技术、 专用数据处理技术、传感器自动控制技术、稳定平台技术、数码相机精确检较和定标技术、小幅而遥感 影像快速处理以及“3S”技术。按

4、照平台构建框架其关键技术又可分为:无人机航空遥感平台集成技术、 遥感数据的实时获取与下传技术和遥感数据的地而接收与处理技术(范承啸，韩俊et al. 2009)。具有低本 钱、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 星遥感所无法比较的，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开展推 向了新阶段(blyenburgh 1999)。2 .无人机

5、遥感技术开展2.1. 遥感传感器技术开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根底设备之一，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、通讯技术的迅速开展以 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 面阵数字化开展，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。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

6、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开展的余地.王斌永等2004年设计并完成了适合无人机SE-I （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（王斌永，舒崂et al. 2004）o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（贾建军，舒蝶et al. 2006）,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

7、符合要求的图像。2.2. 飞行姿态控制技术开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，神经网络智能控 制阶段（刘波，何清华et al. 2007）o Seongjun An等人研究的神经网络PlD控制技术（Geng, Huanye et al. 2006）, Anthony J. Calise和RolfT. 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

8、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. 数据传输存储技术开展数据传输存储技术是无人机遥感数据重要组成局部，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（陈洪滨，马舒庆et al. 2001）o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（刘荣科and张晓林2002）o 在无人机传感器视频信息传输

9、方面，从20世纪90年代起已开始应用图像数字传输技术，目前已在大局 部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 2 Mb/s （例如美国的1.544Mb/s,以色列的2.2Mbs）,对应的图像分辨率可达720x576（周祥生2008）。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（田金文，谢清脆et

10、al. 2005）o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，数据压缩比到达13 : 1（秦其明，金川etal.2006）o 崔麦会等比较了 H.261标准、MPEG-I标准、JPEG标准以及MPEG-2标准压缩编码方法，认为MPEG-2 不仅具有较高的分辨率，图像质量很高，且压缩比可以到达30:1而不会大幅降低视频质量（崔麦会，周 建军 et al. 2007） FOX和ChaCa1、TF-I等无人机气象遥感系统。其中，AerOSOnde航空气象探 测无人机由碳纤维制成，无机轮，机腹机壳覆以轻型玻璃纤维，重15kg,翼展

11、2.9m,置于汽车车顶， 当车速达80 km/h时起飞升空，降落时发动机停转以机腹落地，机上配备飞行控制与导航系统、数据传 输系统，一台功率1.25 kW的增压发动机，最大航程3000km,续航时间30h,工作高度范围l006000 m,有效载荷5 kg,可搭载湿度、温度、气压、红外、相机、化学探测、积冰探测、合成孔径雷达等传 感器，需要23名操控人员。TF-I气象探测无人机采用碳纤维复合材料一体化成型技术，重缺乏22 kg, 通过优化气动外形、动力和飞控系统，能实现连续15h、150Okm长航时自主飞行，并通过分立空速管、 高精度压力传感器、GPS和多坐标联合解算技术，解决了小型长航程低速无

12、人机风参数测量的技术难题， 并首次在国内无人机上采用“北斗”数据链路，解决了无人机气象探测系统数据传输受制于航高和航距 的问题；且采用智能化监测与控制技术，解决了机载电子设备的电磁兼容问题，各项气象参数测量到达 了国际同类产品的先进水平（沈怀荣，邵琼玲，王盛军，等2010）o3.2. 国土资源环境调查与城市管理无人机遥感在国土资源环境调查与城市管理方而的应用主要是土地及资源调查与分类、环境监测、违章用地监测、城市交通管理等，己开展了大量研究实践工作。例如，国土事业部门和相关公司利用无 人机装载小型高分辨率数码相机对一些县市开展土地资源调查，制作区域土地利用类型遥感图，提供农 村集体土地所有权确

13、权测量依据，大大改善了传统外业测量人为因素大、效率低、大范围工作本钱高、 工作时间长等弊端，并经实地取样测量检验证实，由无人机遥感信息处理所得数据在外业像控和内业整 合后，能满足工作精度要求，使其逐步成为了国土资源管理的好帮手（anand 2007）。林业与药业部门和 公司利用无人机遥感技术进行中药资源、林业资源分布等的抽样调查、分类与资源总量估算等，且其结 果具有统计学的可靠性（berni, zarco-tejada et al. 2009）,城市规划管理与建设部门利用无人机遥感系统拍 摄低空大比例尺图像和实时画而，通过地物分类进行异常提取，解译出违法乱建、废弃物乱堆乱放、道 路拥堵和规划执

14、行现状等信息，用于城市执法调查、处理与效果评估（JaakkOaHyyPP台et al. 2010）。环保 部门使用无人机遥感系统携带大而阵数码相机、特殊化学物质探测仪、水色遥感器，对高危湖泊、河道、 海岸和涉污工厂集中区进行追踪调查观测，完成环境监测与执法取证工作（金伟，葛宏立etal.2009）o3.3. 农情监测与估产农情状况是各级政府与农业生产部门密切关注的重大问题。近年来随着网络技术的开展，利用现代 通讯技术和计算机技术，进行信息收集、综合分析和反应，使信息交流进入了一个全新时期（王利民， 刘佳2013）o在农业上，对作物长势监测、种植面积与产量估计、灾害评估等采用RS, GIS, G

15、PS和计 算机技术，也取得了进展。美国农业部建立了以遥感等高技术为根底的农情监测系统，监测农业生产的 全过程，为农场主提供农情信息，帮助他们制订方案与安排田间管理。监测全球作物长势，预测产量， 为国际农产品市场提供效劳。农情信息在粮食期货市场、对外贸易等事务中也正产生重要影响，甚至控 制农产品市场。精确农业的开展对农情遥感监测提出了更高的要求。种植业的精细管理要求高分辨率与 高光谱遥感，提供作物长势的信息（杨邦杰，裴志远et al. 2002）o3.4. 灾害预报、监测与评估在灾害预报、监测与评估中，灾害勘查与救援人员往往受制于灾区环境风险，导致一时无法平安抵 近的问题，而遥感无疑是一种快速部署、零伤亡的灾情获取技术手段,无人机灾害遥感监测作为遥感监 测的一局部，很好地弥补了卫星遥感、航空遥感等对地观测精度、时效和频度上的缺乏，健全了对地观 测技术在灾害中的应用（李云，徐伟etal.2011）o近年来，我国发生的地震、泥石流、滑坡、洪涝、火灾等灾害中，无人机遥感系统无处不在。如坟 川地震中，国家测绘地理信息局、国家减灾中心、武汉大学遥感团队等纷纷利用无人机遥感系统迅速抵 达灾区进行航拍，通过对大量现势遥感影像的快速处理与比照分析，短时间内获得了灾区灾情的初步评 价结果，为减灾救灾科学决策与指挥提供了更加客观、及时、全而、具体的灾情信息，大大提高了减灾 效果，提升了灾害现场勘查能力