无人机遥感系统产业化发展与创新

无人机遥感系统产业化发展与创新

一引言地理信息数据采集是一项没有终点、不断发展的工作，各种各样持续的需求决定了地理信息数据采集的持续性。当前，我国数字城市建设正如火如荼，道路建设、城市规划、城市管理等对地理信息数据的需求十分旺盛。理想状态下，每年有200多个城市需要平均采集数据4次，以保证数据的时效性和准确性以及城市数据库的建设需要。面对旺盛的地理数据采集需求，数据的采集方式也是多种多样，星载和机载遥感系统、地面车载遥感系统等均有各自的优势。在各类遥感采集系统中，无人机遥感系统是一个典型代表。其具有机动灵活、经济便捷的技术优势，以高分辨率轻型数字遥感设备为机载传感器、以数据快速处理系统为技术支撑，具有对地快速实时调查监测能力，可广泛用于土地利用动态监测、矿产资源勘探、地质环境与灾害勘察、海洋资源与环境监测、地形图更新、林业草场监测以及农业、水利、电力、交通、公安、军事等领域。研制和生产性能更高、价格更低、安全可靠的无人机摄影测量系统，对促进我国无人机遥感事业具有重大意义，将产生巨大经济利益和社会效益。二无人机低空遥感系统及其创新（一）无人机低空遥感系统的构成无人机低空采集系统主要由无人机飞行平台、高分辨率数码传感器、定位与自动驾驶系统及影像处理系统等四部分组成，此外还包括配合无人机的运输及操控便利性的相应的地面运输及测控设备。1.无人飞艇低空遥感系统无人飞艇可以在离地面50～600米的高度，以每小时30～70公里的速度安全飞行，可以获取比其他飞行器更清晰的航空影像，以高清晰度、高分辨率的影像实现高精度摄影测量，因而更适合大比例尺测图等工程需求。无人飞艇低空遥感系统基本组成包括无人飞艇飞行平台、成像传感器和数据处理系统三个基本部分。飞行平台由运载成像传感器沿空中规定航线进行影像获取任务的无人驾驶氦气飞艇、保证平台安全运行的自驾仪、对地通信系统三部分，以及用以获取摄影站点的精确大地坐标来实现高精度地面控制的测图任务的GPS定位系统选件组成。图1为飞艇样图，表1为飞艇产品规格。图1CK-FT180飞艇系统表1无人飞艇产品规格2.Quickeye（快眼）-Ⅲ型无人机此型号无人机针对的主要客户群是那些对飞机操控水平很有限的单位，可能在山区峡谷等地方降落。该飞机具备最基础的弹射模式和把伞降作为标准降落方法来使用的机型。图2是该型号飞机的外观及弹射图，其主要性能参数见表2。图2Quickeye（快眼）-Ⅲ型无人机外观及弹射图表2Quickeye（快眼）-Ⅲ型无人机性能参数3.Quickeye（快眼）-Ⅳ型无人机此型号无人机正是为了满足更为苛刻的空中作业而设计制造的。该机型发动机为：单缸62CC发动机成纵列在机身任务舱的头和尾部，学名叫串列式发动机动力结构，前方拉进，后方推进，单台可以达到6.2马力，完全可以做到单发起飞。这样就做到了在突发情况下（一台发动机损坏且没有配件）依然可以继续作业，从而不放过每一个好天气和每一个有时效性的任务。图3是该型号飞机的外观，其主要性能参数见表3。4.自动飞行控制系统该系统包含机载飞控、地面站、通信设备，要求可以控制各种布局的无人驾驶飞机，使用简单方便，控制精度高，GPS导航自动飞行功能强，并且有各种任务接口，方便用户使用各种任务设备。起飞后即可立即关闭遥控器进入自动导航方式，在地面站上可以随意设置飞行路线和航点，支持飞行中实时修改飞行航点和更改飞行目标点。单一地面站控制多架飞机的能力和自动起降的功能也正在开发中。图3Quickeye（快眼）-Ⅳ型无人机外观表3Quickeye（快眼）-Ⅳ型无人机性能参数（二）无人机遥感系统的技术发展与创新随着信息科学和相关产业的快速发展，对空间数据的需求急剧增长。航空摄影测量技术作为空间信息技术体系的两大分支之一，得到了相应的重视。我国在该领域也取得了一系列重大进展，研制出许多航空摄影测量设备。低空无人机航测系统具有运行成本低、执行任务灵活性高等优点，正逐渐成为航空摄影测量系统的有益补充，是空间数据获得的重要工具之一。2009年12月，国遥万维Quickeye（快眼）微型无人机低空摄影测量系统作为我国唯一一家测绘系统以外的无人机遥感应用集成产品，通过国家测绘地理信息局科技成果鉴定，成为国家测绘地理信息局全国推广无人机航测遥感应用的合作方和供应商。1.北京国遥万维信息技术有限公司简介北京国遥万维信息技术有限公司是隶属于中国科学院遥感应用研究所的高科技公司，是遥感所最重要的产学研转化平台。公司成立于2001年，注册资本1000万元，是我国最早进行无人机系统平台研发及无人机遥感应用的高新技术企业。经过近十年的发展壮大，目前已建立起完善的无人机研发部门、生产部门、飞行作业部门、操控人员培训中心以及服务中心，在无人机航摄系统研发与制造、无人机操控人员培训、无人机遥感行业应用等领域达到了国内领先水平。公司已经建立起国内规模最大、技术水平最高、具有丰富实操经验的无人机操控专家队伍，汇集了全国顶尖的无人机操控技术人员20余人，其中具有10年以上飞行经验的8人，国家级飞行教练2名，经过大范围（10万平方公里以上）、多任务环境（20余个省份）、多任务要求（0.05～0.5M分辨率）作业检验，具备丰富的无人机摄影测量经验，能够熟练飞行、维护多种型号的无人机。拥有无人机30余架分布在我国各行各地，先后承担并成功实施了国家各部委、省市项目总面积超过20万平方公里，已成为我国无人机系统及无人机应用领域的技术领先企业。成立了“无人机低空遥感操控师培训中心”，并在全国设立两个培训基地，聘用国家级专业飞行教练对相关人员实施飞控培训。且基于公司30余支航拍作业队伍，可保证学员有充足的机会进行项目实操训练，更加有效地培养无人机飞控人员。在不断壮大无人机产业化队伍的同时，无人机技术也肩负起了相应的社会责任，在拥有了无人机人才队伍、无人机技术支持、无人机实践经验的基础上，公司同国家民政部减灾中心成立了国家重大自然灾害应急无人机检测站，与中科院遥感应用研究所成立了Quickeye（快眼）应急空间信息服务中心。公司将立足“一站一心”的基础，更好地发挥无人机系统的功效。2.快眼多光谱相机系统该系统由中国科学院遥感应用研究所及北京国遥万维信息技术有限公司联合研发，是我国首部可以在民用无人小飞机上搭载的多光谱相机。其经无人机或其他小型航空器搭载，将充分发挥无人机机动灵活、受天气影响小、高危作业、应急性强等特点，经过多个波段的针对性获取，可获取水体、水汽、大气等参数，在水温环保调查、大气监测等领域，可提供比遥感卫星、大飞机遥感更机动、更及时、更方便、更高分辨率的光谱影像，弥补了我国低空无人机搭载多光谱相机系统的空白。另外，通过相机内部滤光片可更换设计，可根据不同用户需要，更换不同滤光片，获取地物相应光谱信息，理论上可获取200多种光谱波段信息。快眼多光谱相机系统外观如图4所示，具体参数如下。图4快眼多光谱相机组件·波段数：4个（可调换）；·光谱范围：0.43～0.52μm，0.52～0.60μm，0.63～0.69μm，0.76～0.90μm（可调换）；·单帧像素：1392×1040；·视场角：小于等于43°；·空间分辨率：高于0.5m；·重量：6kg。在三轴云台自稳系统中，研发的云台装置与飞机机身紧密相连，并实现控制传感器横滚、俯仰，及旋偏、控制精度旋偏改正功能，确保传感器的精确指向及定位。云台自稳系统外观如图5所示。图5云台自稳装置演示及实体根据实际应用要求，无人机遥感影像获取下来以后，要进行快速的质量检测。国遥万维使用自主开发的集成软件平台——无人机航片快速处理软件：NCGUAV，版本号为：v1.0。软件功能包括两大功能。第一，航摄质量快速检查功能，例如重叠度、旋偏角等，并自动形成索引图、自动进行打号、生成相关统计表。第二，影像快速预处理功能，包括读取相机参数，按输入及输出目录自动批处理原始数据，快速进行影像的畸变差改正，并根据要求进行目标输出。NCGUAVv1.0功能模块及功能如下。·自动形成相片预览索引图，供快速浏览影像质量；·检查影像数据重叠度；·检查旋偏角指标；·影像自动批量打号；·形成、输出影像质量检查统计报告；·读入相机参数文件；·按设定目录进行原始影像导入、自动畸变纠正处理、输出。截至2011年1月，Quickeye（快眼）无人机航摄系统已连续安全作业超过20万平方公里，作业范围遍及全国30余个省、市、自治区，通过高原、山地、丘陵等各种自然环境检验，具备安全、可靠、稳定的优良特质。2009年11月，Quickeye（快眼）无人机航测遥感系统通过了国家测绘地理信息局组织的鉴定，以刘先林院士为组长的鉴定委员会一致认为，该系统实用、可靠，技术达到国际先进水平。今后，Quickeye（快眼）系统将进一步加快工程化、产业化建设，助推我国无人机航测遥感应用快速发展，使低空无人机航摄系统能够得到良好应用。三无人机遥感系统产业化布局伴随着无人机遥感技术的不断成熟，无人机技术应用的产业化进程也在不断前行。在汶川特大地震、玉树强烈地震、吉林化工原料桶泄漏等重大灾害救灾中，无人机遥感系统临危受命；在数字城市信息采集、援建新疆测绘、灾后重建测绘工作中无人机一机当先。无人机正在以一次次的出色完成任务来证明自身的价值，也为其产业化、市场化提供了最有力的佐证。国家测绘地理信息局对于无人机遥感系统给予高度重视。在全国范围内推广应用国产固定翼轻型无人机航摄系统，为国家应急救灾等工作提供数据获取手段，是国家测绘地理信息局的一项重点工作。预计将分两批完成全国各省、自治区、直辖市测绘行政主管部门，以及有关直属单位和新疆生产建设兵团的无人机航摄系统装备工作，并将适时举办无人机航摄系统操控与管理培训班，尽快在全国测绘系统形成规模和能力，大幅度提高基础地理信息快速获取能力和测绘应急保障能力。2010年，国家测绘地理信息局向陕西、黑龙江、四川、海南、重庆、河北、辽宁、吉林、安徽、河南、湖北、云南、甘肃、青海、宁夏、新疆等16个省、自治区测绘局装备了无人机航摄系统。为了保障系统在各地装备后能更有效、规范地开展测绘生产作业，国家测绘地理信息局已经出台文件明确了无人飞行器测绘航空摄影资质考核条件，组织相关单位制定了《低空数字航空摄影测量外业规范》、《低空数字航空摄影数据获取技术规定》、《低空数字摄影测量内业规范》等3个行业标准，经审查后将颁布实施，《无人飞行器测绘航空摄影管理办法》等相关管理文件也将颁布施行。四无人机遥感系统发展前景经过几十年的发展，无人机的技术性能不断提高，功能日益完善，尤其是近年来航空、计算机、微电子、导航、通信及数字传感器等相关技术的飞速发展，使得无人机技术已经从研究阶段向实用化阶段发展。无人机技术已经被广泛应用于各个领域，成为未来航空器的发展方向之一。随着人们对地理环境的不断理解和对测绘需求的增长，无人机与测绘的关系越来越紧密。无人机遥感技术体现了无人机与测绘的紧密结合，同时也提供了更高效的测绘方式。制度上，外业规范、技术规定、内业规范都已相继审查颁布，技术上从飞行平台、遥感传感器到飞控系统、数据时传系统，每一个环节上都在不断地改进和创新，国家测绘地理信息局大力倡导提高地理国情监测，提升基础地理信息快速获取能力和测绘应急保障能力。目前，中国的数字城市建设试点和推广城市已达130个，近60个城市的数字城市系统基本建成，未来一段时期，将每年遴选30至50个城市纳入数次城市推广计划，并力争在2011年启动100个以上的数字城市建设，使数字城市覆盖全国三分之二的地级城