摘要：無人機(jī)是未來網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的空中移動(dòng)智能體,而無人機(jī)遙感則是無人機(jī)應(yīng)用最重要的引領(lǐng)性產(chǎn)業(yè)。本文首先以國內(nèi)外無人機(jī)遙感發(fā)展現(xiàn)狀為背景,重點(diǎn)概述了中國無人機(jī)遙感21世紀(jì)以來“十五”到“十三五”所獲得的具有代表性的國家支持與推動(dòng)的發(fā)展歷程,闡述了無人機(jī)遙感定標(biāo)場,航空航天定標(biāo)場的建立以及應(yīng)用驗(yàn)證,包括無人機(jī)遙感系統(tǒng)的載荷與系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展;然后,進(jìn)一步闡述了以遙感定標(biāo)場、地物參量引導(dǎo)載荷性能、系統(tǒng)模型為代表的中國無人機(jī)遙感的相關(guān)技術(shù)跨越;接著,概略介紹了無人機(jī)遙感在國防反恐安全以及跨國應(yīng)急救援,國土測繪與海洋島礁測繪應(yīng)用,地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用以及國家應(yīng)急救援等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用;最后,介紹了中國在無人航空遙感領(lǐng)域展開的跨越性的工作,包括組網(wǎng)智能控制、精度和實(shí)時(shí)性度量基礎(chǔ)、載荷平臺自組織冗余容錯(cuò)、遙感大數(shù)據(jù)云處理技術(shù)和無人機(jī)遙感組網(wǎng)實(shí)用化等內(nèi)容。未來無人機(jī)遙感發(fā)展的總體目標(biāo)是建立起具備迅捷信息獲取能力的無人航空器組網(wǎng)觀測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無人航空器組網(wǎng)技術(shù)由項(xiàng)目層面跨越到遙感領(lǐng)域,同時(shí)也為中國成為世界遙感強(qiáng)國的國家戰(zhàn)略跨越奠定基礎(chǔ)。

　1 發(fā)展歷程

　　1.1 國內(nèi)外無人機(jī)遙感發(fā)展背景

　　無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無人駕駛、依靠空氣提供升力、可重復(fù)使用航空器的簡稱[1]。1917年,世界上第一架無人駕駛飛機(jī)由英國皇家航空研究院研制成功。無人機(jī)早期主要用于輔助航空設(shè)計(jì)。從20世紀(jì)20年代到21世紀(jì)初期,無人機(jī)先后經(jīng)過了無人靶機(jī)、控制無人偵察機(jī)和電子無人機(jī)、指令遙控?zé)o人偵察機(jī)和復(fù)合控制多用途無人機(jī)的發(fā)展,技術(shù)日趨成熟。

　　到20世紀(jì)末,各國制造的無人機(jī)達(dá)幾百種,其性能和成本根據(jù)其用途差異甚大。以美國全球鷹為代表的長航時(shí)高空無人偵察機(jī)的實(shí)際使用發(fā)起了無人機(jī)研究的熱潮[2]。而此時(shí)無人機(jī)還是以軍用為主,逐漸向民用領(lǐng)域擴(kuò)展[3,4]。在無人機(jī)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展上,美國掌握核心技術(shù)并長期處于全球的領(lǐng)先地位,美軍首次于越南戰(zhàn)爭中使用無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)視偵察,并于海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中進(jìn)行廣泛的應(yīng)用,有效減少美軍人員傷亡。

　　無人機(jī)遙感系統(tǒng)是在無人機(jī)等相關(guān)技術(shù)發(fā)展成熟之后形成的一種新型的航空遙感系統(tǒng)。它利用無人機(jī)作為遙感平臺,集成小型高性能的遙感傳感器和其它輔助設(shè)備,形成靈活機(jī)動(dòng)、續(xù)航時(shí)間長、全天候作業(yè)的遙感數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)[5,6]。無人機(jī)所能搭載的傳感器也是多樣的,澳大利亞利用美國研制出的“全球鷹”無人機(jī)搭載的光電(EO)/紅外(IR)/SAR一體化集成載荷可應(yīng)用于海洋監(jiān)測 等[7]。美國航空航天局(NASA)也將多種無人機(jī)應(yīng)用于海洋遙感(包括監(jiān)測颶風(fēng)和龍卷風(fēng))等研究項(xiàng)目。進(jìn)入21世紀(jì)以后,無人機(jī)逐步進(jìn)入民用領(lǐng)域并形成產(chǎn)業(yè),美國能源部在大氣輻射測量(ARM)計(jì)劃中應(yīng)用Altus無人機(jī)對大氣對流層中的云層進(jìn)行輻射和散射測量,以研究云層與來源于太陽和大地的輻射的互作用,為準(zhǔn)確預(yù)測二氧化碳引起的地表溫室效應(yīng)研究服務(wù)[3,4]。

　　中國無人機(jī)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步晚,在技術(shù)水平等各個(gè)方面跟發(fā)達(dá)國家相比有明顯差距,但發(fā)展迅速。20世紀(jì)50年代中國正式開始研制無人機(jī),60年代生產(chǎn)出了低速遙控靶機(jī),70到80年代發(fā)展成功了“長虹”以及“長空1號”無人機(jī)。直到21世紀(jì)以后,中國的無人機(jī)工業(yè)才進(jìn)入了飛速發(fā)展的階段[8],北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西安愛生技術(shù)集團(tuán)、南京模擬技術(shù)研究所等科研院所和公司研制了各種類型的無人機(jī),但其主要用途仍以軍事偵察為主。20世紀(jì)90年代,中國測繪科學(xué)研究院開始民用無人機(jī)的研制,較早應(yīng)用于測繪領(lǐng)域[9]。21世紀(jì)起,無人機(jī)遙感技術(shù)在中國起步并快速發(fā)展起來。

　　值得一提的是,2012年開始國內(nèi)消費(fèi)級無人機(jī)市場出現(xiàn)了爆炸性增長,深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司將多旋翼的無人機(jī)飛行平臺推向消費(fèi)級市場,也將航拍變成了普通大眾的一種愛好[10]。

　　1.2 “十五”(2001-2005)期間科技部等開始支持民 用無人機(jī)遙感系統(tǒng)技術(shù)

　　中國工業(yè)型無人機(jī)遙感系統(tǒng)研制始于2000年。2002年貴州蓋克無人機(jī)有限公司在北京大學(xué)技術(shù)支持下獲得的科技部科技型中小企業(yè)創(chuàng)新基金“空間遙感平臺中的CMOS成像與信息處理系統(tǒng)”(02C26215200750),是國家早期支持民用無人機(jī)遙感載荷平臺研制的重要代表[11]。項(xiàng)目完成了無人機(jī)遙感原型系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì),由空中部分、地面部分和輔助部分組成。其中,空中部分包括遙感傳感器子系統(tǒng)、空中遙感控制子系統(tǒng)、無人機(jī)遙感平臺及其支持子系統(tǒng)。地面部分包括航跡規(guī)劃子系統(tǒng)、無人機(jī)地面控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收解壓縮與實(shí)時(shí)顯示子系統(tǒng)和遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)。輔助部分則包括定標(biāo)系統(tǒng)、地面試驗(yàn)以及涉及無人機(jī)遙感的關(guān)鍵技術(shù)研究等[12,13]。

　　在國家科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“多用途無人機(jī)航空遙感系統(tǒng)研制”(2004BA104C)的支持下,貴州航空工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司、北京大學(xué)、中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所于2005年8月8日在貴州省實(shí)現(xiàn)了我國大型多用途無人機(jī)遙感系統(tǒng)首次實(shí)際飛行試驗(yàn)(圖1、圖2),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)。國家多部委、教育部、航空總公司、科技部國家遙感中心、“863”計(jì)劃有關(guān)專家組、國防科工局和多軍兵種出席試飛活動(dòng)。次日國家CCTV1新聞聯(lián)播加以報(bào)道。飛行試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對遙感設(shè)備的自動(dòng)拍攝、遙感圖像獲取、快視圖實(shí)時(shí)生成與傳輸、地面數(shù)據(jù)接收及顯示等全部任務(wù)。遙感設(shè)備的控制和所有飛行試驗(yàn)內(nèi)容通過預(yù)編程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制,達(dá)到了無人機(jī)遙感原型系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo),驗(yàn)證了試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性。圖3是首飛獲取的遙感影像制作的效果圖[14]。

以此為基礎(chǔ),國家發(fā)改委于2005年在認(rèn)定企業(yè)技術(shù)中心創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目“無人駕駛空中對地觀測系統(tǒng)研發(fā)平臺能力建設(shè)”(國發(fā)改辦高技[2005]1534號)的支撐下,實(shí)驗(yàn)完成了無人機(jī)航空遙感的自動(dòng)化作業(yè),解決了大型無人機(jī)平臺、遙感載荷、空中遙感控制子系統(tǒng)以及地面數(shù)據(jù)接收等方面的關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)在中雨、大風(fēng)情況下經(jīng)歷了長航時(shí)遙感作業(yè)飛行,為中國無人機(jī)遙感系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化研制和功能實(shí)現(xiàn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[11,14],標(biāo)志著我國高端無人機(jī)遙感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的開端,填補(bǔ)了我國工業(yè)型民用無人機(jī)遙感領(lǐng)域的空白。

　1.3 國家支持的十一五到十三五(2006-2020)無人機(jī)遙感主要進(jìn)展

　　2006-2010年第十一個(gè)“五年計(jì)劃”期間,由中國科學(xué)院光電研究院、北京市信息技術(shù)研究所、貴航集團(tuán)、北京航空航天大學(xué)、北京大學(xué)等國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)共同合作,承擔(dān)了國家“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“無人機(jī)遙感載荷綜合驗(yàn)證系統(tǒng)”(2008AA121800)。由此實(shí)現(xiàn)無人機(jī)民用遙感系統(tǒng)研制工程性技術(shù)的突破,建成了國內(nèi)首個(gè)無人機(jī)遙感載荷北方(內(nèi)蒙古包頭)、南方(貴州安順)綜合驗(yàn)證場,推動(dòng)了高分辨率無人機(jī)遙感應(yīng)用走向系統(tǒng)化和定量化[15]。同期,武漢大學(xué)和解放軍信息工程大學(xué)聯(lián)合建立起了我國首個(gè)航空航天定標(biāo)場,為拓展無人機(jī)遙感與航天遙感結(jié)合奠定了基礎(chǔ)。

　　2011-2015年第十二個(gè)“五年計(jì)劃”期間,中國科學(xué)院光電研究院、中國測繪院、中電科技集團(tuán)54所等開展了“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“無人機(jī)遙感安全檢測技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)示范體系研究”(2013AA122100),該項(xiàng)目在無人機(jī)遙感系統(tǒng)測控可靠性評估技術(shù)、遙感載荷性能與數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測技術(shù)、無人機(jī)遙感系統(tǒng)安全檢測標(biāo)準(zhǔn)與業(yè)務(wù)運(yùn)行體系、基于北斗/GPRS/3G技術(shù)的無人機(jī)遙感網(wǎng)絡(luò)體系關(guān)鍵技術(shù)、基于衛(wèi)星中繼技術(shù)的信息傳遞方面取得系統(tǒng)化成果;研制的小型化單Ka中繼衛(wèi)星機(jī)載終端設(shè)備,是我國首款基于中繼衛(wèi)星的無人機(jī)單Ka機(jī)載終端設(shè)備,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)數(shù)據(jù)的高速異地實(shí)時(shí)傳輸,填補(bǔ)了國內(nèi)空白,為無人機(jī)遙感組網(wǎng)應(yīng)用示范邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。2011年,科技部航空數(shù)據(jù)獲取產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長單位北京星天地信息科技有限公司、武漢大學(xué)牽頭組織的國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“高性能航空遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)處理加工軟件”(2011BAH12B00),建立起了機(jī)載傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測與監(jiān)控系統(tǒng),以及海量航空遙感正射產(chǎn)品自動(dòng)化處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了航空遙感數(shù)據(jù)自動(dòng)處理與加工系統(tǒng)性能測試與驗(yàn)證,為無人機(jī)遙感軟件應(yīng)用奠定了工程基礎(chǔ)。

　　2013年起,北京大學(xué)將“十一五”定標(biāo)場地面驗(yàn)證技術(shù)移植應(yīng)用,與武警警種學(xué)院共同建立起我國首個(gè)輕小型無人機(jī)遙感定標(biāo)場,由此實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援武警軍兵種首個(gè)遙感定標(biāo)場和培訓(xùn)基地,填補(bǔ)了國內(nèi)武警無人機(jī)應(yīng)急救援的空白。該驗(yàn)證場后來成為國家遙感中心的應(yīng)急救援部。

　　2014年,科技部國家遙感中心組建輕小型無人機(jī)遙感應(yīng)用專家組,開始啟動(dòng)全國性無人機(jī)遙感資源規(guī)劃布局研究。2015年,國家遙感中心批準(zhǔn)依托中科院光電院在無人機(jī)遙感載荷北方(內(nèi)蒙古包頭)綜合驗(yàn)證場的基礎(chǔ)上掛牌國家高分辨率遙感綜合定標(biāo)場。

　　2016年至今的國家第十三個(gè)“五年計(jì)劃”期間,國家科技部擴(kuò)大了無人機(jī)遙感標(biāo)志性領(lǐng)域和技術(shù)的支持。其中,代表性的有中國科院學(xué)地理科學(xué)與自然資源研究所牽頭的重大研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高頻迅捷無人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測技術(shù)”(2017YFB 0503000),面向需求,突破多元平臺組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)集成組網(wǎng)觀測硬件設(shè)備系統(tǒng)和規(guī)劃調(diào)度與安全管控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化、規(guī)劃調(diào)度、產(chǎn)品和服務(wù)等協(xié)同一體的區(qū)域組網(wǎng),構(gòu)建融合國家野外科學(xué)觀測臺站為無人航空器空港的組網(wǎng)觀測體系,具備常態(tài)化服務(wù)的能力。

　　表1是2016-2018年科技部“地球觀測與導(dǎo)航領(lǐng)域”重點(diǎn)專項(xiàng)立項(xiàng)的項(xiàng)目有關(guān)統(tǒng)計(jì)。其中直接與無人機(jī)相關(guān)的項(xiàng)目有：全空間信息系統(tǒng)與智能設(shè)施管理,天空地協(xié)同遙感監(jiān)測精準(zhǔn)應(yīng)急服務(wù)體系構(gòu)建與示范,區(qū)域協(xié)同遙感監(jiān)測與應(yīng)急服務(wù)技術(shù)體系;高頻次迅捷無人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測技術(shù),重特大災(zāi)害空天地一體化協(xié)同監(jiān)測應(yīng)急響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范,國土資源與生態(tài)環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)集成技術(shù)以及應(yīng)急響應(yīng)示范;城鎮(zhèn)公共安全立體化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及應(yīng)急響應(yīng)示范等。2016-2018年間接與無人機(jī)相關(guān)的項(xiàng)目有：廣域航空安全監(jiān)控技術(shù)以及應(yīng)用;城市群經(jīng)濟(jì)區(qū)域建設(shè)與管理空間信息重點(diǎn)服務(wù)以及應(yīng)用示范,城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境綜合檢測空間信息服務(wù)以及應(yīng)用示范;全球綜合觀測成果管理以及共享服務(wù)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究等。

　　表1 2016-2018年國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“地球觀測與導(dǎo)航”重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)

　　“十三五”期間,科技部其他重大專項(xiàng)、相關(guān)部委科技立項(xiàng)也大量涉及無人機(jī)遙感。其根本目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)從有人航空遙感向無人航空遙感的跨越,為全國厘米級分辨率獲取能力建設(shè)、從而為世界遙感強(qiáng)國的國家戰(zhàn)略跨越奠定基礎(chǔ)。

　　2 技術(shù)突破

　　無人機(jī)遙感的技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)歸結(jié)起來可以分為兩點(diǎn),即定量化和自動(dòng)化。

　　要實(shí)現(xiàn)定量化,應(yīng)為無人機(jī)遙感做一個(gè)標(biāo)尺,以實(shí)現(xiàn)“度量”。無人機(jī)定標(biāo)場的建立為無人機(jī)航空遙感提供了精細(xì)標(biāo)尺,為實(shí)現(xiàn)厘米級高分辨率應(yīng)用提供技術(shù)突破;航空航天定標(biāo)場的建立則在上述基礎(chǔ)上,為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)與航空航天數(shù)據(jù)融合提供技術(shù)保障。同時(shí),從根源上消除地面影像的上端光電儀器系統(tǒng)誤差,實(shí)現(xiàn)地學(xué)與光電參量物理貫通。以地表指標(biāo)牽引傳感儀器產(chǎn)品發(fā)展,研制高空間信息品質(zhì)的航空航天載荷,進(jìn)一步保障無人機(jī)遙感的精確定量化。

　　實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,才能為實(shí)時(shí)化奠定基礎(chǔ)。因此構(gòu)建無人機(jī)遙感平臺通用物理模型,將成像載荷多剛體拼接轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝿傮w成像方法,可以實(shí)現(xiàn)載荷簡易自動(dòng)控制;在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一體化無人機(jī)遙感系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化動(dòng)態(tài)遙感控制觀測。

　　2.1 無人機(jī)定標(biāo)場建立與應(yīng)用驗(yàn)證

　　為了保證無人機(jī)遙感應(yīng)用的精準(zhǔn)程度,需要對搭載的傳感器進(jìn)行幾何、輻射、光譜定標(biāo)。傳統(tǒng)在軌定標(biāo)使用軟件進(jìn)行模擬,即使傳感器定標(biāo)結(jié)果不如人意,也無法直接修復(fù)。無人機(jī)遙感以無人機(jī)為平臺,搭載相應(yīng)的傳感器對地面進(jìn)行成像,具有機(jī)動(dòng)、靈活、高效等優(yōu)點(diǎn);且實(shí)飛定標(biāo)誤差可以在飛行后地面調(diào)整。同時(shí),無人機(jī)成像與控制過程的自動(dòng)化也是有人機(jī)難以具備的優(yōu)勢。

　　在童慶禧、李傳榮、樊邦奎推動(dòng)下,中國在“十一五”計(jì)劃期間建設(shè)了首個(gè)無人機(jī)遙感定標(biāo)場[16](圖4)。作為無人機(jī)遙感載荷定標(biāo)的地面標(biāo)尺,可用于載荷的精確幾何、輻射和光譜定標(biāo),厘清了三者之間的交叉耦合關(guān)系和理論模型。發(fā)明車體移動(dòng)硬靶標(biāo)[17],成為軟體靶標(biāo)退化的校正標(biāo)尺。實(shí)驗(yàn)證明,此定標(biāo)場實(shí)現(xiàn)了不確定度優(yōu)于6%的光學(xué)載荷絕對定標(biāo),不確定度優(yōu)于5%的光學(xué)載荷相對輻射定標(biāo)和不確定度優(yōu)于0.5 nm的光譜定標(biāo),ms量級的同步成像計(jì)量及曝光度量。經(jīng)過精確定標(biāo)的傳感器在農(nóng)業(yè)遙感、測繪應(yīng)用上也取得了多載荷最佳匹配效率的新方法。

圖4 無人機(jī)定標(biāo)場設(shè)計(jì)、使用及各種靶標(biāo)示意

　　2.2 航空航天定標(biāo)場建立與應(yīng)用驗(yàn)證

　　航空航天載荷定標(biāo)是無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)與航空航天遙感數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)多源融合的基礎(chǔ)工作。

　　嵩山定標(biāo)場是國內(nèi)首個(gè)航空航天載荷綜合地面定標(biāo)場,可以完成幾何與輻射定標(biāo)、衛(wèi)星在軌測試等任務(wù)。幾何定標(biāo)的結(jié)果取決于地面檢校場中控制點(diǎn)網(wǎng)的數(shù)量、分布、精度等要素[18],地面輻射定標(biāo)場的灰度標(biāo)準(zhǔn)及灰度梯度對航天器的輻射定標(biāo)的結(jié)果精度也有較大影響[19]。2007年經(jīng)李德仁倡導(dǎo),由龔健雅牽頭武漢大學(xué)開始籌建該定標(biāo)場。最終選定以河南登封市為基地,在武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和的支持下,與解放軍信息工程大學(xué)合作開始建設(shè)嵩山地面定標(biāo)場[20,21]。目前,嵩山遙感地面定標(biāo)場主要包括航空檢校場,航天幾何定標(biāo)場、固定靶標(biāo)場等(圖5),還可以進(jìn)行輻射與光譜定標(biāo),以保證航空航天成像的輻射與光譜分辨率指標(biāo)標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)了航空航天載荷觀測的一體化度量。

圖5 嵩山定標(biāo)場

　　由此,國家為開展無人機(jī)綜合驗(yàn)證已陸續(xù)建立眾多無人機(jī)航空試驗(yàn)場地,形成具有代表性的無人機(jī)綜合驗(yàn)證場以及部分試飛場地,最主要的6個(gè)有：包頭高分辨率遙感綜合定標(biāo)場、貴州安順無人機(jī)載荷驗(yàn)證場、河南嵩山航空-航天定標(biāo)場、河南安陽有人-無人機(jī)檢校場、武警警種學(xué)院輕小型無人機(jī)綜合驗(yàn)證場、天津?qū)氎婢┙蛐鲁菬o人機(jī)綜合驗(yàn)證場。

　　2.3 載荷發(fā)展

　　伴隨著輕小型無人機(jī)平臺的發(fā)展,涌現(xiàn)了大量的輕小型無人機(jī)遙感載荷,如光學(xué)、紅外譜段、激光雷達(dá)、成像光譜及合成孔徑雷達(dá)、偏振載荷等,在抗震救災(zāi)、環(huán)境治理、農(nóng)業(yè)植保等領(lǐng)域得到很好應(yīng)用。由于其復(fù)雜程度降低,使開發(fā)成本較低,在我國有較大的應(yīng)用需求,目前,輕小型無人機(jī)遙感載荷正朝著小型、多樣、多功能、多組合方向發(fā)展。

　　(1)輕小型無人機(jī)光學(xué)遙感載荷

　　在光學(xué)遙感載荷方面,國內(nèi)外目前均使用數(shù)碼相機(jī)代替膠片相機(jī)。2003年中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所自主研發(fā)集成了一套集寬視場、多光譜和立體成像等多種模態(tài)為一體的大面陣CCD數(shù)字航空相機(jī)系統(tǒng)MADC。在國家“863”計(jì)劃期間,中國科學(xué)院成都光電研究所與解放軍測繪學(xué)院聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種“3+1”大面陣CCD航測相機(jī)SPC-1。在輕小型無人機(jī)遙感光學(xué)載荷方面,則如雨后春筍般研制出各具特色的光學(xué)載荷,成為無人機(jī)遙感的基礎(chǔ)般配。類似的還有視頻微小成像載荷,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測各種姿態(tài)下的連續(xù)成像效果[22]。

　　(2)輕小型無人機(jī)紅外譜段遙感載荷

　　在典型的紅外載荷中,紅外探測器和光學(xué)系統(tǒng)是關(guān)鍵的組成部分,紅外載荷的微小型化也主要體現(xiàn)在這兩部分。紅外探測器分為紅外光量子探測和熱探測兩類,當(dāng)前高性能紅外焦平面探測器主要是量子效率較高的光伏型探測器。目前正在研發(fā)的第三代紅外焦平面探測器,具有大規(guī)格、小型化、多色化、智能化和高溫工作特點(diǎn)[23]。紅外光譜儀,特別是紅外成像光譜儀是近些年航空遙感乃至無人機(jī)遙感載荷的發(fā)展重點(diǎn)。由于熱紅外面陣探測器、深低溫光學(xué)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的限制,紅外譜段的高光譜成像系統(tǒng)在國外以機(jī)載系統(tǒng)為主。近年來,隨著焦平面探測器與制冷技術(shù)的發(fā)展,熱紅外高光譜成像儀的研制工作越來越受重視。

　　(3)輕小型無人機(jī)激光雷達(dá)載荷

　　機(jī)載激光雷達(dá)是近年來快速發(fā)展的一項(xiàng)高分辨率對地觀測技術(shù),它突破了傳統(tǒng)地面三維數(shù)據(jù)獲取周期長、工作量大等問題,是繼GPS技術(shù)之后測繪界又一重大技術(shù)革命。目前,輕小型機(jī)載成像激光雷達(dá)基本延續(xù)了大中型機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)：① 一般采脈沖式光機(jī)掃描方式;② 點(diǎn)云獲取效率高;③ 掃描視場大。自20世紀(jì)90年代,中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所李樹楷研究員等研制的機(jī)載三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)原理樣機(jī)成功試飛以來,我國該方面工作飛速發(fā)展。中國科學(xué)院光電研究院研制了飛行相對高度為200~3500 m的機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)(AOE-LiDAR),并于2008年完成飛行實(shí)驗(yàn),具備生產(chǎn)作業(yè)能力;2011年研制了飛行相對高度為50~1500 m的輕小型機(jī)載激光雷達(dá)(Lair-LiDAR),已于2012年完成了大量的外場飛行試驗(yàn)[24]。中國科學(xué)院植物研究所郭慶華等開展以激光雷達(dá)為核心傳感器、融合多源遙感信息批量提取以及反演植被三維結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)方面的數(shù)字生態(tài)領(lǐng)域相關(guān)研究,研發(fā)激光雷達(dá)技術(shù)的軟硬件并將其應(yīng)用在森林和城市生態(tài)學(xué)中[25]。

　　(4)輕小型無人機(jī)成像光譜遙感載荷

　　近年來隨著輕小型無人機(jī)的迅猛發(fā)展,成像光譜儀作為重要的對地觀測載荷,也不斷地走向輕小型化。國外累計(jì)已有數(shù)十款各種功能性能的機(jī)載成像光譜儀問世,如美國JPL實(shí)驗(yàn)室的AVIRIS,加拿大ITRES公司的CASI、SASI、MASI等。國外無人機(jī)成像光譜儀正朝著質(zhì)量輕,自動(dòng)化程度高,成本低,凝視成像的方向發(fā)展。目前,國內(nèi)成像光譜儀產(chǎn)品主要適用于大飛機(jī)平臺,輕小型化成像光譜儀的研制剛剛起步。2000年,上海技術(shù)物理研究所研制了OMIS機(jī)載成像光譜儀和寬視場PHI[26]。長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所先后承擔(dān)了海洋水色CCD相機(jī)原型樣機(jī)、高分辨率成像光譜儀實(shí)驗(yàn)樣機(jī)等多項(xiàng)研究工作。

　　(5)輕小型無人機(jī)偏振遙感載荷

　　偏振遙感是近年來遙感技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展起來的新方向,有著傳統(tǒng)遙感無可比擬的優(yōu)勢。除了能獲取光的強(qiáng)度信息,偏振遙感還能夠獲得地物的偏振度、偏振方位角等多維度信息,可用于天空偏振導(dǎo)航、圖像去霧、巖石密度反演、海水污染檢測、飛行器尾焰追蹤等[27,28]。目前國際上較為成熟的偏振衛(wèi)星遙感有法國1996年開始的POLDER衛(wèi)星,但實(shí)際上地物的偏振性質(zhì)往往淹沒在大氣的偏振輻射中,而近地觀測的無人機(jī)偏振遙感受大氣的影響較小,且有著較高的分辨率,是未來遙感發(fā)展的主要方向之一。2008年中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所三路并行無人機(jī)載偏振CCD相機(jī),主要針對像方遠(yuǎn)心和抗過載設(shè)計(jì)[29];次年北京大學(xué)設(shè)計(jì)四路并行CCD相機(jī)偏振載荷,并進(jìn)行系統(tǒng)集成及開展航空偏振遙感觀測實(shí)驗(yàn)[30]。未來偏振遙感載荷將向單相機(jī)鍍膜分光的光場成像方式發(fā)展,能夠大大降低載荷體積重量,提高成像的穩(wěn)定性和精度。

　　(6)載荷室內(nèi)外及外場定標(biāo)

　　定標(biāo)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)無人機(jī)遙感的系統(tǒng)誤差主要來自載荷,即獲取地面影像的上端光電儀器系統(tǒng)誤差是高分辨率地學(xué)觀測難以消除的最大誤差源。由于傳統(tǒng)輻射定標(biāo)模型將成像系統(tǒng)視為黑箱,模型參數(shù)與成像系統(tǒng)本身的物理參數(shù)沒有明確的對應(yīng)關(guān)系,無法表達(dá)成像系統(tǒng)各部件的參數(shù)對成像過程的影響,不能為空間信息品質(zhì)的提升提供物理基礎(chǔ)。因此,為了從根本上提升空間信息品質(zhì),必須深入理解光學(xué)成像系統(tǒng)的物理過程以及其對輸出圖像DN值的影響,實(shí)現(xiàn)光電、地學(xué)參量物理貫通,從根源上消除偏差,顛覆空間傳感器誤差室內(nèi)調(diào)整的開環(huán)靜態(tài)模式[31]。

　　光電參量分解是利用成像系統(tǒng)的光學(xué)和電子學(xué)參量來表達(dá)輸出影像的DN值。由此通過連續(xù)調(diào)整成像傳感器光電參量使地物影像觀測誤差最小化,實(shí)現(xiàn)了地學(xué)-光電參量的相互轉(zhuǎn)換,以提升空間信息品質(zhì)。具體是通過外場定標(biāo)實(shí)驗(yàn)獲得的影像DN值,利用地物L(fēng)的校正模型DN=kL+g,調(diào)整光電參量使真實(shí)擬合系數(shù)k逼近1和偏差g逼近0時(shí),影像DN值接近地物真值L;進(jìn)一步地,當(dāng)k偏離1、g偏離0時(shí),地物觀測誤差增大,說明儀器退化。根據(jù)光電參量分解方程可得到儀器退化的具體部件,用空間信息品質(zhì)驗(yàn)證儀器品質(zhì)并改進(jìn),實(shí)現(xiàn)成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)性能退化的監(jiān)測,指標(biāo)和結(jié)構(gòu)的改進(jìn),以及光機(jī)電參量設(shè)計(jì)改型。

　　在此基礎(chǔ)上,通過室內(nèi)外偏振精密光學(xué)精密校正和外場定標(biāo)方法,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研制的高光譜儀能夠在5 nm帶寬下達(dá)到0.1~0.3 nm的定標(biāo)精度[32]。外場定標(biāo)發(fā)現(xiàn),除了要考慮大氣影響,傳感器輻射及光譜定標(biāo)參數(shù)(中心波長與帶寬)的變化也會扭曲傳感器接收的信號,降低空間信息品質(zhì)。中心波長的改變會導(dǎo)致傳感器入瞳光譜輻亮度測量的誤差,進(jìn)而影響到后續(xù)的反射率反演。同時(shí),帶寬變化也會影響傳感器對光譜吸收特征的刻畫[29]。上述成果,經(jīng)中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所儀器研制與試驗(yàn)驗(yàn)證有效,用于追蹤儀器參數(shù)品質(zhì)退化并改進(jìn);在中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和西安光學(xué)精密機(jī)械研究所新型寬譜段高光譜載荷實(shí)驗(yàn)中使用,為高品質(zhì)航空航天載荷的研制提供了新的手段[33]。圖6是校標(biāo)并完善光電參量的部分載荷系統(tǒng)。

圖6 經(jīng)地表參數(shù)校標(biāo)并完善光電參量的部分遙感載荷

　　2.4 無人機(jī)遙感系統(tǒng)性能飛行驗(yàn)證

　　基于遙感整機(jī)系統(tǒng)外場定標(biāo)的地面驗(yàn)證技術(shù),中國構(gòu)建了無人機(jī)遙感地面驗(yàn)證系統(tǒng)。以此為依托,研制高性能無人機(jī)遙感設(shè)備系統(tǒng),可以通過地面驗(yàn)證,提高無人機(jī)遙感整機(jī)系統(tǒng)的效率和可靠性,實(shí)現(xiàn)在飛行次數(shù)、保障人員、時(shí)間和安全性等方面的產(chǎn)業(yè)化效能數(shù)量級的提升,并推廣實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本降低20%,可靠性增加10%的直接效益,推動(dòng)地面驗(yàn)證設(shè)備的工程化設(shè)計(jì)(表2)[34]。

　　表2 無人機(jī)遙感系統(tǒng)飛行驗(yàn)證結(jié)果

　　以此為基礎(chǔ)研發(fā)的工業(yè)級無人機(jī)遙感系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化成熟度得到了驗(yàn)證,正在成為航空遙感的主要裝備。例如,中航貴州飛機(jī)公司鷂鷹系列無人機(jī)的使用,創(chuàng)造了我國批量生產(chǎn)無人機(jī)安全飛行記錄,證明了國內(nèi)無人機(jī)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)、飛行鑒定、培訓(xùn)使用和售后服務(wù)等產(chǎn)業(yè)化環(huán)節(jié)的產(chǎn)品技術(shù)與制造工藝基本成熟。為了展示國內(nèi)工業(yè)級無人機(jī)系統(tǒng)的綜合性能,中航貴飛公司組織鷂鷹無人機(jī)開展了金沙江“死亡河谷”特殊測繪飛行驗(yàn)證。此次飛行的海拔在3950~4550 m,高差達(dá)600 m,在35~78 m的峽谷底部實(shí)現(xiàn)單次飛行超10 h的壯舉,并在貼近山巔蜿蜒曲折的百公里航線上往返飛行多條航線完成測繪及測圖拼接。金沙江飛行驗(yàn)證了無人機(jī)系統(tǒng)耐候安全性能(圖7),在視距限制區(qū)通過衛(wèi)星中繼的遙測遙控遠(yuǎn)程作業(yè)性能,機(jī)載系統(tǒng)優(yōu)良的抗峽谷疾風(fēng)突變的控制性能。鷂鷹無人機(jī)采用寬角測繪相機(jī),解決了低空測繪兼顧效率的要求,證明無人機(jī)具備低空作業(yè)安全性優(yōu)勢且兼?zhèn)錅y繪效率和質(zhì)量的航測綜合能力。

圖7 金沙江峽谷影像以及高光譜航測影像(“863”專項(xiàng)成果)

　　3 產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

　　自“十一五”計(jì)劃實(shí)施以來,基于中國無人機(jī)遙感的技術(shù)突破,其產(chǎn)業(yè)在我國軍事應(yīng)用、國土安全上實(shí)現(xiàn)重大突破,在國防、地理與海洋監(jiān)測、國土測繪與海洋島礁測繪上引發(fā)巨大應(yīng)用效益。在民生安全、社會發(fā)展上也帶來技術(shù)變革,在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、應(yīng)急救援及各行業(yè)普及層面具備不可替代的作用。

　　3.1 國防應(yīng)用

　　3.2 海洋監(jiān)測、國土-島礁測繪應(yīng)用

　　3.3 地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用

　　無人機(jī)遙感在地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括：

　　(1)地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)調(diào)查與分析

　　(2)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測繪、救援與災(zāi)情評估

　　(3)地質(zhì)災(zāi)害地表形變監(jiān)測與早期預(yù)警

　　(4)地質(zhì)災(zāi)害場景三維重建

　　3.4 國家應(yīng)急救援

　　無人機(jī)遙感在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用主要是提供了一種輕便、隱蔽、視角特別的工具,確保安全領(lǐng)域工作人員人身安全的同時(shí)能夠得到有價(jià)值的線索和情報(bào),對時(shí)效性和圖像分辨率要求較高,對無人機(jī)系統(tǒng)的出勤率要求較高。近10年來,無人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在跨國救援,偵察反恐等公共安全領(lǐng)域展開廣泛應(yīng)用[51]。2015年1月13日,中國人民武裝警察部隊(duì)警種學(xué)院與科技部國家遙感中心簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,正式成立國家遙感中心應(yīng)急救援部。

　　(1)自然災(zāi)害應(yīng)急救援

　　(2)國際救援

　　2015年4月25日14時(shí)11分,尼泊爾中部發(fā)生8.1級特大地震。應(yīng)尼泊爾緊急援助請求,經(jīng)國務(wù)院、中央軍委批準(zhǔn),武警部隊(duì)緊急組建中國武警交通救援大隊(duì)協(xié)6架無人機(jī),執(zhí)行中尼、吉加公路的搶通保通任務(wù)。這是中國國第一次官方授權(quán)軍事力量在境外使用無人機(jī)開展應(yīng)急偵測任務(wù)。此次災(zāi)害救援任務(wù)中使用的無人機(jī)能夠在2000 m的高空航拍到較清晰的遙感圖像,為后期的成圖及災(zāi)害體量測提供諸多便利,為武警部隊(duì)日后定標(biāo)技術(shù)在無人機(jī)應(yīng)急偵測領(lǐng)域應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　(3)邊防領(lǐng)域反恐演習(xí)

　　2016年7月,武警部隊(duì)使用無人機(jī)偵測系統(tǒng)第一次在中國、阿富汗、巴基斯坦、塔吉克斯坦四國交界的恐怖分子活躍區(qū)-瓦罕走廊開展了反恐實(shí)戰(zhàn)作業(yè),生成了世界上第一幅瓦罕走廊衛(wèi)星/無人機(jī)融合影像圖,實(shí)現(xiàn)比地面?zhèn)刹炜s短80%時(shí)間的快速精確偵察。

　　3.5 農(nóng)田監(jiān)測

　　遙感在農(nóng)業(yè)遙感領(lǐng)域有著不可替代的作用,而其中農(nóng)田遙感有明確客觀的觀測對象,即耕種的田地。農(nóng)田是生產(chǎn)農(nóng)作物的土地,生產(chǎn)的糧食是基礎(chǔ)性的國家戰(zhàn)略資源,因而農(nóng)田監(jiān)測則是保障糧食安全的根基所在。而利用遙感技術(shù)來監(jiān)測作物生長,加強(qiáng)作物生長田間管理,是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)。

　　溫度是影響農(nóng)作物生長的關(guān)鍵因素,以農(nóng)田溫度監(jiān)測為例,熱紅外遙感技術(shù)是獲取農(nóng)田溫度的重要手段,而目前國際上已有的多種地表溫度產(chǎn)品的空間尺度多為千米級,難以實(shí)現(xiàn)對我國廣泛存在的行間播種模式的精確監(jiān)測。而未來借助于無人機(jī)監(jiān)測的手段,能夠提高熱紅外數(shù)據(jù)的空間分辨率,通過合成衛(wèi)星與無人機(jī)的影像數(shù)據(jù),提供數(shù)米甚至厘米級別的農(nóng)田溫度產(chǎn)品,有利于研究更小尺度研究區(qū)域的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),在農(nóng)田的干旱監(jiān)測,蒸散發(fā)估算以及作物估產(chǎn)等方面大有用處。

　　其次是作物的氮磷鉀含量水平,通過無人機(jī)高光譜和偏振觀測,可以得到氮磷鉀的不同比率,為施加農(nóng)肥提供指導(dǎo)。同時(shí),中國化肥使用率約為1/3,比西方高水平農(nóng)業(yè)化肥使用率低1到2成,這將導(dǎo)致更大的土地化學(xué)污染。利用無人機(jī)遙感監(jiān)測,可以較大降低農(nóng)業(yè)土地的化學(xué)污染。

　　3.6 公眾安全與宣傳

　　無人機(jī)在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用主要是提供了一種輕便,隱蔽且高效的工具,在確保工作人員人身安全的同時(shí),能夠得到最有價(jià)值的線索和情報(bào)。例如,針對大地震發(fā)生后城鎮(zhèn)交通系統(tǒng)、通信系統(tǒng)破壞嚴(yán)重甚至中斷,次生災(zāi)害多發(fā)等情況,無人機(jī)航拍可以獲得有序高效的建筑物破壞等級、遇難或受傷或被困人員地點(diǎn)分布、滑坡體塌方、道路破壞分布等專題圖件,為現(xiàn)場救援任務(wù)展開與決策提供技術(shù)支持。其次,可將無人機(jī)及時(shí)獲取的災(zāi)情信息和救災(zāi)進(jìn)展在第一時(shí)間向社會公布,產(chǎn)出無人機(jī)航拍路線及現(xiàn)場等圖件,讓社會公眾及時(shí)了解災(zāi)情分布和救災(zāi)行動(dòng),安撫群眾,消除謠言及猜測引發(fā)的不安。無人機(jī)也能根據(jù)社會公眾的實(shí)際應(yīng)用需求開展一些切合實(shí)際的工作,服務(wù)于社會公眾。

　　4 未來跨越

　　基于中國無人機(jī)遙感的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢,以2017年立項(xiàng)的科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高頻次迅捷無人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測技術(shù)”為重要依托,未來無人機(jī)遙感應(yīng)具備3大特點(diǎn)： ① 融合5G低空通訊技術(shù)的低空覆蓋與網(wǎng)絡(luò)切片的組網(wǎng)智能控制;② 智能感知、智能認(rèn)知、智能行動(dòng)一體化;③ 云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊、人工智能(AI)相結(jié)合的一體化。實(shí)現(xiàn)由單機(jī)向組網(wǎng)的跨越,由人為控制向?qū)崟r(shí)化智能化的跨越,由區(qū)域局部觀測向全球多層次觀測的跨越。

　　4.1 組網(wǎng)智能控制體系

　　基于定時(shí)定點(diǎn)智能化管理的無人機(jī)燈光秀已成最為大眾熟悉的無人機(jī)組網(wǎng),展示了單個(gè)無人機(jī)通過組網(wǎng)可以釋放出巨大的潛力[52]?！笆晃濉逼陂g單一無人航空器遙感系統(tǒng)特別是輕小型無人機(jī)遙感系統(tǒng)可以發(fā)揮的作用在許多領(lǐng)域已得到應(yīng)用檢驗(yàn)[53],“十二五”期間多無人機(jī)組網(wǎng)測繪也開展了初步試驗(yàn)[54]。面向國家科技研發(fā)及重大應(yīng)用的高效率無人航空器組網(wǎng)遙感觀測需要相互通信和任務(wù)協(xié)同智能計(jì)算?！笆濉逼陂g國家安排的科研任務(wù)包括,圍繞特定的應(yīng)用區(qū)域,有中心自組織移動(dòng)網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi),解決多類別無人航空器高速高帶寬蜂群自組網(wǎng)遙感任務(wù)協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)。借助GIS技術(shù)和AI技術(shù)相結(jié)合,無人航空器將具備地理位置超精準(zhǔn)定位、周邊環(huán)境快速識別和智能組網(wǎng)任務(wù)協(xié)同的遙感能力。特別是無人航空器組網(wǎng)遙感應(yīng)用技術(shù)研究既包括通信協(xié)議、通信制式、頻譜資源等研究[55],也包含無人航空器資源綜合評估與調(diào)度、公共航路規(guī)劃與構(gòu)建[56](如蟻群算法應(yīng)用)、組網(wǎng)任務(wù)協(xié)同(如蜂群戰(zhàn)術(shù))等研究。低空作為無人航空器開發(fā)利用最頻繁的空域,通過ICT技術(shù)、GIS技術(shù)和AI技術(shù)相結(jié)合,即將進(jìn)入數(shù)字化低空網(wǎng)絡(luò)時(shí)代[57]。應(yīng)該說除了專門的局域網(wǎng),目前商業(yè)化運(yùn)行的地面移動(dòng)通信網(wǎng)在支持無人航空器發(fā)揮高頻迅捷機(jī)動(dòng)能力上面還有局限性。隨著地面移動(dòng)基站未來升級到5G,基站移動(dòng)信號在低空的覆蓋將從目前的離地面200~300 m左右拓展到1000 m左右,同時(shí)具備超高帶寬和低延遲通訊能力。為充分利用5G帶來的通信能力,產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)提出網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)的概念[58]。衛(wèi)星通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將使無人航空器在低空移動(dòng)信號和衛(wèi)星通信信號之間低成本無縫切換[59]。融合空域技術(shù)發(fā)展將讓無人航空器能夠安全和高效地進(jìn)入中高空空域,地拓展無人航空器組網(wǎng)范圍[60]。由于無人航空器管理的規(guī)范化,法律要求所有無人航空器都需要登記注冊[61]和接入一定的云端管控系統(tǒng)并能實(shí)時(shí)飛行在線[62],這為無人航空器遙感組網(wǎng)提供了制度保障。未來無人機(jī)遙感應(yīng)用越來越具有大眾化的趨勢[63],無人航空器擁有者和使用者量大面廣,如何在科技上解決個(gè)體之間組網(wǎng)協(xié)同和智能化運(yùn)行,將成為未來無人航空器及其遙感應(yīng)用研究的重要方向(圖11)。

　　圖11 無人航空器遙感系統(tǒng)組網(wǎng)智能化發(fā)展趨勢

　　4.2 智能觀測度量基準(zhǔn)體系

　　無人機(jī)遙感最大的特點(diǎn)是高分辨率下的姿態(tài)迅捷“自動(dòng)智能”的自適應(yīng)變化,包括觀測大角度、變角度和觀測距離(矢徑)的自動(dòng)快速變化,同時(shí)也要求高效準(zhǔn)實(shí)時(shí)處理。因此,一種適應(yīng)于高分辨率無人機(jī)遙感影像快速迅捷自動(dòng)處理的極坐標(biāo)基準(zhǔn)新體系[64,65],是一種值得探討的適應(yīng)無人機(jī)“智能遙感”發(fā)展的智能處理坐標(biāo)基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)從本質(zhì)上降低對初始航空影像誤差的敏感性,完成減少地面控制點(diǎn)的高精度影像定位,為復(fù)雜條件下的精準(zhǔn)飛行提供角度和射線矢徑變化并直接計(jì)算的靈活性。此基準(zhǔn)以 (φ,θ) 表示方位角和高程角,確定特征點(diǎn)方向,等價(jià)于極角;以 ω 表示視差角,依據(jù)深度信息源于視差的特點(diǎn),等價(jià)于極徑(圖12(a))。該觀測度量基準(zhǔn)用角度取代平面直角,形成平面與高程的不同量綱,與國際開源最好的直角坐標(biāo)體系處理算法比較,極坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理體系的數(shù)據(jù)度量處理的效率、精度、抗干擾能力顯著提升[66]。

圖12 無人機(jī)遙感極坐標(biāo)高時(shí)空分辨率觀測度量體系

　　4.3 智能載荷平臺自組織與冗余容錯(cuò)體系

　　無人航空器遙感載荷正遵循標(biāo)準(zhǔn)化和智能化發(fā)展。標(biāo)準(zhǔn)化本質(zhì)上是模塊化、通用化,在制造環(huán)節(jié)降低成本并在應(yīng)用環(huán)節(jié)中能夠做到“高頻、迅捷”。標(biāo)準(zhǔn)化、智能化載荷技術(shù)主要包括快速安裝和插拔、智能識別和檢校、智能感知和作業(yè)、數(shù)據(jù)智能預(yù)處理等[68],將提高應(yīng)用效率。目前遙感載荷作業(yè)定姿定位和曝光控制模塊有與平臺飛控結(jié)合的,也有不依靠平臺飛控系統(tǒng)而是載荷自成一體的。未來智能化將是包容性的,并且可以按需切換和相互備份。遙感載荷和專業(yè)作業(yè)將更加智能化地融合在一起,特別是在精準(zhǔn)、高效無(少)公害農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。如通過農(nóng)情遙感獲得病蟲害處方圖快速分析,確定病灶準(zhǔn)確位置,再實(shí)施精確噴灑作業(yè)。這樣的農(nóng)情遙感和噴灑作業(yè)“查打一體”系統(tǒng)將成為未來重要發(fā)展方向[69]。載荷智能化發(fā)展還將與平臺智能化相向而行,并相互拓展到載荷平臺一體化設(shè)計(jì)[70],構(gòu)建系統(tǒng)冗余容錯(cuò)體系,實(shí)現(xiàn)平臺組合冗余,載荷組合冗余,以及兩者交叉組合冗余,推動(dòng)無人航空器智能感知、智能認(rèn)知、智能行動(dòng)的一體化協(xié)同發(fā)展。

　　基于無人機(jī)載荷、平臺組合冗余的容錯(cuò)體系是未來智能控制環(huán)境下對地觀測的必要系統(tǒng)模塊。以飛艇、氣球、大型無人機(jī)、多架輕小型無人機(jī)等多平臺為依托,搭載多光譜、高光譜、偏振、紅外以及激光雷達(dá)等多載荷,實(shí)現(xiàn)無人機(jī)群組網(wǎng)冗余智能觀測,滿足平臺可替代,載荷可替代,組合工作流可替代,即滿足冗余重構(gòu),達(dá)到提高整體觀測保險(xiǎn)系數(shù)的目的,避免在某一平臺出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)崩潰或失效。圖14是無人機(jī)群組的智能控制冗余容錯(cuò)對地觀測系統(tǒng)的示例。

圖14 無人機(jī)群組冗余容錯(cuò)對地觀測系統(tǒng)以及多傳感器件的冗余容錯(cuò)系統(tǒng)

　　4.4 無人機(jī)遙感大數(shù)據(jù)云處理平臺

　　未來無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的獲取和處理基本可以實(shí)現(xiàn)按需定制,數(shù)據(jù)產(chǎn)品在時(shí)相、分辨率、類型和實(shí)時(shí)性上都可以滿足用戶需求[71]。與遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的集中獲取、處理和對外服務(wù)方式不同,無人航空器遙感數(shù)據(jù)來源多樣,質(zhì)量參差不齊、時(shí)空基準(zhǔn)不一致、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、傳感器精度無法保證。建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化的無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取、匯聚和分享體系,通過“滴水成海、匯流成川”的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集,可以充分發(fā)揮其“聚變能”的重要作用。在這種體系下,存量數(shù)據(jù)可以高效利用、增量數(shù)據(jù)可按需獲取、所有數(shù)據(jù)在線快速處理并按需供應(yīng);通過任務(wù)訂單的方式激勵(lì)用戶參與廣泛的數(shù)據(jù)獲取任務(wù),大區(qū)域甚至全國范圍的覆蓋、高頻次、超高分辨率的無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)的獲取也不再困難。這種體系下的數(shù)據(jù)與服務(wù)具備更高的商業(yè)價(jià)值和幾乎無限應(yīng)用潛力?；靖拍钍?通過國家、行業(yè)或者社會力量建設(shè)全國無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)匯聚和分享網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)匯聚和交換樞紐超級平臺-無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)航母,使得單一的遙感無人機(jī)有一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)“航母”?？俊Ｍㄟ^公益性服務(wù)或者商業(yè)化運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)按需定制飛行區(qū)域,可快速實(shí)現(xiàn)全國范圍的數(shù)據(jù)覆蓋、突發(fā)事件的應(yīng)急響應(yīng)以及遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值的深度挖掘。公眾可以從無人機(jī)數(shù)據(jù)航母中得到高分辨率的數(shù)據(jù)、產(chǎn)品及計(jì)算環(huán)境服務(wù),數(shù)據(jù)擁有者可以利用航母平臺向他人共享數(shù)據(jù),也可以利用航母平臺的數(shù)據(jù)和計(jì)算環(huán)境支撐自己擁有數(shù)據(jù)的深加工,研究者可以利用航母提供的數(shù)據(jù)和計(jì)算資源運(yùn)算研究模型。構(gòu)建無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)航母需要解決諸多關(guān)鍵技術(shù),主要包括：① 可持續(xù)運(yùn)行的無人機(jī)遙感網(wǎng)組織模式;② 無人機(jī)遙感組網(wǎng)觀測關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;③ 海量分布無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)虛擬匯聚、儲存與訪問技術(shù);④ 多源異構(gòu)遙感數(shù)據(jù)的分布式高精度自動(dòng)平差技術(shù);⑤ 跨平臺、跨遙感器的海量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)快速拼接、勻光勻色、自動(dòng)濾波、鑲嵌、拼接、融合、信息提取、專題分析及在線可視化技術(shù);⑥ 基于云計(jì)算平臺的高性能分布式計(jì)算技術(shù);⑦ 數(shù)據(jù)知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)技術(shù)等。

　　4.5 無人機(jī)組網(wǎng)遙感觀測在國家對地觀測體系中的重大作用

　　無人航空器組網(wǎng)遙感觀測可以從以“天”為頻率的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測常態(tài)化應(yīng)用,到以“小時(shí)”為頻率的自然災(zāi)害遙感評估,再到近實(shí)時(shí)的國土安全監(jiān)測應(yīng)用。高分辨率、迅捷機(jī)動(dòng)、不受云覆蓋限制是無人航空器的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn),使其成為國家“空-天-地”一體的遙感監(jiān)測體系中不可或缺的重要組成部分。與衛(wèi)星不同,無人航空器遙感觀測地域性較強(qiáng),通?！斑h(yuǎn)水解不了近渴”,任何業(yè)務(wù)化運(yùn)行的無人航空器觀測系統(tǒng)必須依靠就近部署的無人航空器遙感系統(tǒng)資源開展工作才能做到迅捷響應(yīng)。依托遍布全國優(yōu)化布局的無人航空器遙感網(wǎng),建設(shè)全國無人航空器組網(wǎng)觀測高頻迅捷響應(yīng)體系,是國家自然資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)和國土安全日常管理和應(yīng)急監(jiān)測的明確需求,也是地球觀測與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域未來的一個(gè)重要研究發(fā)展方向。

　　科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高頻次迅捷無人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測技術(shù)”面向國家重大需求,依托全國無人航空器空港優(yōu)化布局,構(gòu)建無人航空器遙感網(wǎng)技術(shù)體系,圍繞3項(xiàng)重大應(yīng)用示范：① 全國生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、土壤水分、植被覆蓋等監(jiān)測,開展天頻率重點(diǎn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用示范;② 典型區(qū)域洪澇災(zāi)害事件,快速監(jiān)測水域面積和洪水影響范圍,提取洪澇災(zāi)害特征,完成洪澇災(zāi)情快速評估,實(shí)現(xiàn)小時(shí)級洪澇災(zāi)害監(jiān)測與災(zāi)情信息分析應(yīng)用示范;③ 敏感區(qū)域?qū)崟r(shí)觀測并鎖定重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行精確定位,實(shí)現(xiàn)全天候無間斷偵察,開展智能組網(wǎng)和厘米級遙感數(shù)據(jù)獲取,數(shù)據(jù)匯聚到無人航空器遙感數(shù)據(jù)航母進(jìn)行快速處理和信息提取,最終可以按需生成遙感產(chǎn)品和分析報(bào)告(原型系統(tǒng)參見圖15)。項(xiàng)目的實(shí)施旨在為國家從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)角度最終建立業(yè)務(wù)化運(yùn)行的全國無人航空器遙感組網(wǎng)觀測系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),提供面向國家重大需求和各行業(yè)應(yīng)用的可業(yè)務(wù)化運(yùn)行的技術(shù)體系。

圖15 中科天網(wǎng)無人航空器資源調(diào)度與組網(wǎng)遙感觀測管控平臺

　　5 結(jié)語

　　本文介紹了中國無人機(jī)遙感本世紀(jì)以來 “十五”到“十三五”所獲得的有代表性意義成果。闡述了無人機(jī)遙感定標(biāo)場,航空航天定標(biāo)場的建立以及應(yīng)用驗(yàn)證,包括無人機(jī)遙感系統(tǒng)的載荷與系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展;講述了無人機(jī)遙感在國防反恐安全以及跨國應(yīng)急救援,國土測繪與海洋島礁測繪應(yīng)用,地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用以及國家應(yīng)急救援等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用;介紹了代表未來方向的無人機(jī)遙感組網(wǎng)集群技術(shù)的進(jìn)展。

　　中國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)走過近60年的歷程,而中國無人機(jī)遙感已經(jīng)走過了20年的歷程,未來無人機(jī)的發(fā)展方向呈現(xiàn)多樣性,其中集群和組網(wǎng)化發(fā)展是無人機(jī)遙感釋放潛力發(fā)揮作用的重要方向。從高分辨率對地觀測體系建設(shè)來說,未來無人機(jī)遙感的跨越發(fā)展需要面向兩個(gè)重大需求,第一是建立起滿足區(qū)域和全國的生態(tài)環(huán)境資源監(jiān)測、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)監(jiān)測以及國土安全突發(fā)事件監(jiān)測的無人航空器組網(wǎng)技術(shù); 第二是在能開展上述監(jiān)測的遙感應(yīng)用業(yè)務(wù)網(wǎng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和有效驗(yàn)證。未來無人機(jī)遙感發(fā)展的總體目標(biāo)就是建立起具備區(qū)域高頻次迅捷信息獲取能力的無人航空器組網(wǎng)觀測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無人航空器組網(wǎng)技術(shù)由項(xiàng)目層面跨越到遙感領(lǐng)域?qū)嵱貌⒊掷m(xù)地發(fā)展,同時(shí)也為我國成為世界遙感強(qiáng)國的國家戰(zhàn)略跨越奠定基礎(chǔ)。

　　致謝：感謝童慶禧、劉先林、王家騏院士,曹健林、李傳榮研究員的長期指點(diǎn)幫助。感謝岳煥印、羅祥勇、王劍、詹學(xué)麗、萬志強(qiáng)等專家學(xué)者為本文提供資料和素材。

來源：晏磊，廖小罕，周成虎，樊邦奎， 龔健雅，崔鵬，鄭玉權(quán)，譚翔.《地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)》2019第4期