無人機平臺及測量技術(shù)綜述

高尚

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450005）

無人機平臺及測量技術(shù)綜述

高尚

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450005）

本文首先闡述無人機技術(shù)的特點、優(yōu)勢，并對國內(nèi)外無人機平臺技術(shù)的發(fā)展進行論述和對比。在應(yīng)用層面，對近年來國內(nèi)外基于無人機的遙感技術(shù)在救災(zāi)、工程測量、地面目標(biāo)的快速提取等方面的研究進展進行評述，以期理清無人機應(yīng)用的發(fā)展脈絡(luò)和趨勢。

無人機；攝影測量；地面目標(biāo)提取

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，數(shù)字化、信息化進程不斷加快，傳統(tǒng)測繪方法及遙感技術(shù)已經(jīng)不能很好地適社會發(fā)展的需求。同時，對高分辨率遙感影像的需求以及其時效性和準(zhǔn)確性的要求在不斷增加。近年來，基于無人機的低空遙感技術(shù)在軍事、水利勘察、資源與環(huán)境監(jiān)測、海洋工程、電力工程、土地利用動態(tài)監(jiān)測、農(nóng)業(yè)與自然災(zāi)害監(jiān)測及交通等領(lǐng)域逐漸成為研究熱點，并且逐步進入應(yīng)用層面。此外，無人機低空遙感技術(shù)也成為提取流域三維地形的一種新方法。無人機低空遙感系統(tǒng)（UAVRS系統(tǒng)）具有諸多特點和優(yōu)勢。首先，無人機設(shè)備的質(zhì)量輕、體積小、機動性強、運輸方便以及無需專用跑道，能快速在相關(guān)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)影像的獲?。黄浯?，無人機的操作簡單，基于無人機的遙感系統(tǒng)具有高度的自動化和智能化，可通過設(shè)置無人機參數(shù)來避免飛行中的系統(tǒng)故障并實現(xiàn)智能返航；無人機受天氣和地形條件影響較小，可在目標(biāo)區(qū)域按需求設(shè)置航攝高度，有效地避開云層及地面障礙物的干擾，從而獲取高分辨率影像；此外，無人機遙感系統(tǒng)的維護成本與使用成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于衛(wèi)星遙感及載人飛機遙感。正是由于無人機系統(tǒng)的上述特點，基于無人機的遙感系統(tǒng)在不久的未來將成為部分專業(yè)測量及民用測量領(lǐng)域的主流測量手段和工具。

1 無人機平臺技術(shù)的發(fā)展

無人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UVA），也稱為無人機，實際上是一大類無人駕駛飛行器的總稱，包括無人駕駛飛艇、熱氣球、無人駕駛固定翼飛機、無人駕駛旋翼飛機等。由于其低空飛行特性及配備了較為先進的拍攝設(shè)備，無人機逐漸成為新型的高分辨率的攝影測量應(yīng)用平臺。

1.1 國外無人機平臺技術(shù)的發(fā)展

英國于1917年成功研制了世界上第一架無人機，但其當(dāng)時主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代后，隨著相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，無人機的體型逐漸小型化，使其更加便于攜帶、便于使用。同時，各種新型材料也逐漸應(yīng)用到無人機的構(gòu)造方面，使其在結(jié)構(gòu)強度大幅提高的同時機身重量大幅減小，進一步延長了飛行時間。90年代后，美國利用無人機在海灣戰(zhàn)爭中發(fā)揮出的巨大作用，促使世界上許多國家開始大力研發(fā)無人機系統(tǒng)。這些無人機系統(tǒng)包括了著名的美國全球鷹（GlobalHawk）系統(tǒng)、捕食者（Pred?ator）以及以色列的赫爾姆斯（Hermes）等。近十年來，歐美等發(fā)達(dá)國家在強化無人機在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的同時，也開始快速擴展小型無人機在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。例如，將無人機大量用于國土測繪、農(nóng)藥噴灑甚至延伸至一定距離內(nèi)的快遞物品等。此外，歐美無人機在特殊領(lǐng)域還出現(xiàn)了微型化的趨勢。例如，澳大利亞CyberTechnology公司利用3D技術(shù)制造出尺寸為420mm×420mm××420mm微型無人機；美國哈佛大學(xué)研制的微型無人機，其機身由碳釬維制成，重量僅106mg；瑞士聯(lián)邦洛桑理工學(xué)院則設(shè)計出首款球狀耐碰撞無人機（Gimball），具有體積小、質(zhì)量輕，碰到障礙物不會失去穩(wěn)定性等特點。

1.2 國內(nèi)無人機平臺技術(shù)的發(fā)展

我國無人機的研制工作起步較晚。中國第一款無人機長空一號于1966年研制成功。之后又研制出長虹高空高速無人偵察機、T-6無人機、Z-5無人偵察機等。上述無人機系統(tǒng)在軍事、航測、地球物理勘探、災(zāi)情監(jiān)測等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。民用方面，我國在20世紀(jì)90年代末成立了無人機系統(tǒng)研究小組，負(fù)責(zé)自主研制無人機低空航測技術(shù)，并在之后的十年在無人機領(lǐng)域取得了長足進步，如華光公司和北京市測繪設(shè)計研究院研制的“華鷹”無人機，北京國遙萬維科技有限公司的“QuickEye”，中國測繪科學(xué)院研制的ZC-1、-2固定翼輕型無人飛機航攝系統(tǒng)以及UAVRS-II型無人機低空遙感監(jiān)測系統(tǒng)。大疆創(chuàng)新科技有限公司也研發(fā)出ACE系列直升機飛控系統(tǒng)、多旋翼飛控系統(tǒng)、多旋翼一體機Phantom等系列產(chǎn)品。

2 無人機遙感系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 基于無人機的遙感系統(tǒng)應(yīng)用

無人機遙感系統(tǒng)操作靈活，能夠快速獲取目標(biāo)區(qū)域的高分辨率數(shù)字影像，并快速完成遙感影像的后處理，實現(xiàn)三維可視化立體建模及應(yīng)用分析。因此，無人機遙感技術(shù)已逐漸滲透到社會經(jīng)濟建設(shè)的諸多領(lǐng)域。

在國外，日本利用搭載雷達(dá)掃描儀的無人機，對活火山的噴發(fā)過程進行了實時觀測和評估；美國利用無人機遙感平臺獲取了黃石國家公園的高分辨率遙感影像并繪制成圖；Nicolas Lewycky等［1］利用無人機遙感技術(shù)所獲取的正射影像，對災(zāi)區(qū)的房屋及農(nóng)莊的受損狀況等自然災(zāi)害進行了調(diào)查評估；Lena Halounova等［2］利用無人機遙感技術(shù)研究了流域下墊面的變化對洪水消退的影響。

國內(nèi)無人機最早的應(yīng)用也主要在軍事方面，而在民用方面起步較晚。自1999年UAVRS-I型遙感監(jiān)測無人機研制成功到2008年汶川地震的大面積實際應(yīng)用，中國的無人機應(yīng)用也經(jīng)歷了較為漫長的發(fā)展過程。柴子為［3］用無人機影像構(gòu)建出山地人工林景觀DEM，并對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行對比，指出利用無人機構(gòu)建DEM精度比ASTER GDEM和SRTM精度更高；張浩［4］利用無人機遙感系統(tǒng)完成了北京某高速公路選線設(shè)計，對獲取影像進行了三維可視化，真實地反映出土地利用和地表覆蓋狀況，提高了道路選線的效率；胡健波等［5］利用無人機遙感系統(tǒng)完成了天津東疆人造防波堤巡檢，并借助軟件獲取了防波堤的正攝影像和三維遙感數(shù)據(jù)，可清晰地查看防波堤的破損位置，通過不同影像對比檢測防波堤的變形和沉降情況，其精度和效率已可以取代傳統(tǒng)檢測方法。

2.2 無人機在提取地面目標(biāo)方面的應(yīng)用

近年來，無人機在地面目標(biāo)提取方面也開始發(fā)揮越來越大的作用。Stassopoulou等通過Canny算子的多尺度分割與邊緣分割相結(jié)合的方法對影像進行分割和區(qū)域特征提?。籗 Levitt等提出了一種基于紋理度量驅(qū)動提取方法，利用紋理衡量算法把不同景物從影像中進行區(qū)分并提取目標(biāo)區(qū)域，在提取中低等分辨率影像信息時取得了良好的效果；李培君對無人機獲取的高分辨率影像進行影像分割，再通過分類的方法把具有綠地參數(shù)特性的樣本從影像中識別出來，提取了某校園綠地面積。劉正軍等提出了一種基于分類和形態(tài)綜合的特征提取方法，通過面向?qū)ο蠓诸惙椒ò延跋裰械匚镄畔⑦M行分類，并提取目標(biāo)物，此方法對建筑物輪廓的提取效果顯著。

3 結(jié)語

本文主要對無人機平臺及其在遙感領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了綜述。無人機技術(shù)雖然出現(xiàn)時間較晚，但其發(fā)展速度十分迅猛。在無人機自身平臺方面，出現(xiàn)了小型化、長時間續(xù)航、高精度影像拍攝的趨勢，而對無人機遙感影像的研究也開始向多光譜遙感、地形地貌提取、影像地物的自動分類等方面發(fā)展?？梢灶A(yù)計在不久的將來，無人機技術(shù)必將在更多的應(yīng)用領(lǐng)域擔(dān)當(dāng)越來越重要的角色。

［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 Fi?nance，2014（18）：940-947.

［3］柴子為.基于無人機影像的山地人工林景觀DEM構(gòu)建［J］.遙感科技與應(yīng)用，2015（3）：503-507.

［4］張浩，王樹東，楊永興，等.無人機航測技術(shù)在高速公路勘測及輔助選線中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2015（9）：90-94.

［5］胡健波，張飛.基于無人機的防波堤巡檢［J］.水道港口，2015（4）：355-358.

Summary of Unmanned Aerial Vehicle Platform and Measurement Technology

Gao Shang
（North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou Henan 450005）

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 clari?fy the development trend and development trend of UAV applications in disaster relief,engineering survey and rapid extraction of ground targets.

UAV；photogrammetry；ground target extraction

V279

：A

：1003-5168（2017）03-0055-02

2017-02-21

高尚（1990-），男，碩士，研究方向：水力學(xué)及河流動力學(xué)。