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轻小微型无人机技术与机载遥感技术研究现状与发展趋势

摘要：随着轻小微型无人机技术的不断发展，研究基于轻小微型无人机平台的遥感技术对发展测绘产业，提高监测作业效率具有重要意义。本文主要分析了轻小微型无人机技术的基本情况，同时介绍了轻小微型无人机平台所搭载的主要遥感载荷以及遥感辅助载荷，并对当前轻小微型无人机遥感的主要问题以及改进方式进行了探讨，以期使其可以更好适应田间工作环境，获得精度更高的数据，适应无人机遥感市场的发展前景。

关键词：无人机，遥感，航空遥感

Recearch Status and Development Trends of Light UAV and Light-UAV-Based Remote Sensing Techniques

Abstract: With the continuous development of light UAV, itrsquo;s of great importance to optimize remote sensing industry and improve the efficiency of remote sensing jobs by doing researches related to remote sensing techniques based on light UAV. This article would analyse the situation about light UAV nowadays and include the main and auxiliary loads about remote sensing techniques based on the light UAV platform. This article would also show some serious problems about remote sensing based on light UAV, and discuss the ways to handle them, with the aim of making it much more suitable for real field operation environment getting data with higher precision, and be adapted to the development prospect.

Keywords: Unmanned Aerial Vehicle, remote sensing, aerial remote sensing

0. 引言

摄影测量与遥感学作为基于影像的空间信息科学,是地球空间信息学( geospatial info rmation,或称Geomatics) 的核心。李德仁等认为，地球空间信息学是空间数据的采集、量测、分析、存贮、管理、显示和应用的集成科学与技术，属于现代空间信息科学与技术的范畴^[1]。

秦占飞等分析后认为，以往的遥感学研究多是基于单一遥感平台，实现地面非成像光谱数据的“点”尺度研究，而通过低空无人机实现“面”尺度的反演研究鲜有涉及。同时，无人机可以通过降低飞行高度的方式，获取其他遥感方式难以取得的精度，且相较于直接由人工进行地面监测，无人机作业依旧可以获得很高的作业效率^[2]。

据马凌等统计，飞行机器人、无人机的研究和应用在近些年得到越来越多的重视^[3]。美国研制开发了全球鹰、捕食者、扫描鹰等一系列军用固定翼无人机, 并在实战中完成了搜索、侦察和攻击任务;研制了无人直升机MQ-8 火力侦察兵,可在海军舰船上的起飞和着舰。美国波音公司的两架X45A无人机完成了编队飞行和协同攻击任务的模拟演练。此外,美国还在研制X37B、X43等新型高空高超声速无人飞行系统。欧洲联合研制了无人战斗机NEURON。日本、以色列等国也研制开发了大量无人机系统。国内北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学、上海大学、中国科学院自动化研究所、华南理工大学、浙江大学、国防科学技术大学、上海交通大学等单位在固定翼飞行器、旋翼飞行器、飞艇等飞行机器人方面开展了大量工作。北京航空航天大学研制了固定翼wz-5型无人机、“海鸥”M22无人驾驶直升机、折叠投放微小型无人机等。南京航空航天大学研制了CK-1无人机、西北工业大学研制了ASN系列无人机以及小型无人旋翼直升机等。上海大学研制了旋翼无人直升机和无人飞艇^[4]。中国科学院沈阳自动化研究所^[5]研制了多款旋翼无人直升机,起飞重量可达120公斤,有效载荷40公斤,最大巡航速度每小时100km,最长续航时间４小时。总参60所研制的Z-5型无人直升机最大起飞重量450公斤,可携带60sim;100公斤的各种装备连续飞行3sim;6小时。武警工程学院研制了“天眼2”无人驾驶直升机。此外,国内在高超声速飞行器控制方面也开展了很多工作^[6]。

传统的生物量、叶面积指数和产量等表型参数的获取大多还停留在人工操作的阶段，耗时耗力，效率低且准确度差，限制了现代农业科学的发展^[7-8]。在国外，Holland最先提出微型飞机平台的概念，随后便开启了民用UAV的探索研究。在这一段科学研究时期，Herwitz.Lee等将UAV与摄影测量技术相结合，应用于农业遥感领域^[9]；Dugan与Piotrowski等将无人机遥感技术使用在海洋环境快速评估中的应用^[10]；美国Becker等利用氢气球和单引擎无人机两种遥感平台，获得高分辨率遥感影像，并应用于黄石国家森林公园的成图^[11]；LuisMerino等提出集合多种传感器、集合多种影像处理功能的低空遥感系统，利用多种无人机协作完成可以进行实时目标检测任务^[12]；2002年美国NASA宇航局使用Pathfinder-Plus无人机监测了夏威夷1500公顷的种植园，被证明无人机可以对农业进行周期监测^[13]。国内方面，无人机早期主要应用在军事方面,后来民用无人机逐渐发展起来。1999年中国测绘科学院研制出UAVRS-I型无人遥感监测飞机，2003刘先林院士和林宗坚教授研制了UAVRS-11型无人遥感监测飞机,并且研制出一套测绘遥感系统^[14]。随着无人机研究在国内快速的发展，已经有学者将无人机遥感应用于各个方面的行业，如线路测量^[15]、大比例尺测绘、土地利用调查^[16]等等。但目前的分类定义规则仅仅依靠光谱、纹理、形状等，如何使用采集数据挖掘更多信息是下一步的研究对象^[17]。

轻小型无人机受天气、起飞环境等限制较少，作业灵活方便。且相较于卫星与载人机，其成本甚至可以忽略不计。无人机受空域管制少，可实现高时间分辨率对人员难以涉足的地区进行观测^[18]。