遥感在电子领域应用遥感无人机：“小精灵” 大用处|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

遥感无人机：“小精灵” 大用处

近年来，搭载照相设备等任务载荷、由飞手遥控或利用飞控系统自主控制飞行的无人机平台，在测绘、减灾应急等遥感应用领域日益发挥重要作用，成为遥感家族的新成员。无人机因其小巧机动、低空飞行、时空分辨率高、载荷配置多样灵活等特点，被称为遥感家族的“小精灵”。但，这个“小精灵”却有大用处！

1 百年研发史，应用如火如荼

无人机，通常引用的英文名称为Unmanned Aerial Vehicle（UAV）。一般是指由动力驱动、不搭载操作人员的一种空中飞行器，采用空气动力为飞行器提供所需的升力，能够自主或遥控飞行，既能一次性使用也能进行回收，能够携带杀伤性或非杀伤性任务载荷，如拍照、撒播药物、播放声音等。

无人机不是一个新鲜事物，其发展已历经百年。1917年，英国皇家航空研究院初步将空气动力学、轻型发动机和无线电三者结合起来，研制出了世界上第一架无人驾驶飞机。同年12月，美国发明家埃尔默·斯佩使用自己发明的陀螺仪和美国西部电气公司开发的无线电控制系统完成了“空中鱼雷”的首飞。一开始，无人机主要应用在军事领域。进入21世纪后，随着现代电子、精密机械、导航定位和遥感器等相关技术的快速发展，无人机在民用领域的应用越来越广泛，并形成产业。

无人机可以按使用功能、气动布局、动力类型、大小重量、飞行速度、活动半径、飞行高度等方法进行分类。

按使用功能划分，无人机可分为军用无人机、民用无人机和消费无人机。军用无人机又可分为侦察无人机、电子对抗无人机、通信中继无人机、攻击无人机及无人靶机等类型；民用无人机可分为各种用途的巡查、监视、测绘和探测无人机以及农用无人机等；消费无人机主要用于个人航拍、游戏等休闲用途。

按气动布局划分，无人机可分为固定翼类无人机、旋翼类无人机、扑翼无人机和复合式布局等类型。固定翼类无人机飞行时靠动力装置产生前进的推力或者拉力，产生升力的主翼面相对于机身固定不变，主要有常规布局、鸭式布局、无尾或飞翼布局、三翼面等形式；旋翼类无人机产生升力的旋翼桨叶在飞行时相对于机身是旋转运动的，又可分为无人直升机、多旋翼无人机和无人旋翼机，前两种形式的无人机旋翼由动力装置直接驱动，可垂直起降和悬停，无人旋翼机的旋翼则是无动力驱动；扑翼类无人机靠机翼像小鸟的翅膀一样上下扑动来获取升力和动力，适合于小型和微型的无人机；复合式布局无人机由基本类型组合而成，主要包括倾转旋翼无人机和旋翼/固定翼无人机等。

按照动力类型，无人机主要分为油动力无人机和电动力无人机两种，近几年也有以太阳能和氢燃料电池作为核心动力的无人机不断被研发出来。

按大小重量划分，无人机可分为微型无人机、轻小型无人机、小型无人机、中型无人机和大型无人机。微型无人机重量一般小于1千克，尺寸在15厘米以内。轻小型无人机重量一般在1～7千克之间，小型重量一般在1～200千克之间，中型无人机重量一般在200～500千克。

现在，无人机也成了很多小朋友、大朋友的玩具“新宠”——消费级无人机一般采用成本较低的多旋翼平台，主要用于航拍、游戏等休闲用途。国内消费级无人机市场的爆发在2012年左右。在此之前，无人机主要应用于工业领域，消费级市场主要是一些航模爱好者、发烧友等。目前，我国无人机产业发展呈现“井喷”态势，除航空、航天相关的科研机构和高校外，众多民营企业纷纷加入研发行列中，民用无人机的研发和应用可谓如火如荼，我国无人机在消费娱乐等领域的应用已经走在世界前列。

2 遥感新平台，尽显独特优势

发展迅速的无人机目前已成为一种新兴的遥感平台，在搭载各种遥感器后，被广泛应用于国土航测、农林植保、大气探测、灾害救援、国防安全等领域。

无人机遥感具备超高分辨率、高频次获取能力，可以与卫星遥感形成能力互补。相比于有人机遥感，又具有较高的性价比和机动性。无人机遥感具备的实时观测能力，是目前卫星遥感观测平台很难实现的。

卫星遥感可以提供亚米级别的影像，但是分辨率越高，卫星重访周期越大。无人机影像可以很容易地提供厘米甚至更高分辨率的地面信息，且不存在高空间分辨率和时间分辨率的矛盾，在低成本的基础上实现了空间和时间的辩证统一。可以说，无人机遥感的出现及快速发展，使遥感科学研究从宏观向微观前进了一大步。相较于卫星平台的高成本和集中管理，无人机平台让遥感数据获取进入大众化时代，真正实现to C （使用者）的遥感应用。

由于无人机遥感的独特优势，过去很多基于卫星数据应用效果不佳或者无法实现的领域，目前都可以利用无人机遥感手段很好地实施。例如，利用无人机高光谱遥感可以进行地表物种分类和识别，通过无人机高光谱数据发现并识别外来物种入侵等，为生态环境保护提供数据支持。又如，无人机遥感为极端环境采样和数据获取提供了便利条件，为很多研究提供了第一手的数据，助力多个新的科学发现。2010年以来，美国国家航空航天局使用高空长航时无人机“全球鹰”（GlobalHawk）对大西洋5个飓风的路径监测取得成功后，协助构建了台风精细结构体系。2017年，多国研究团队曾利用安装相机和其他传感器的无人机来拍摄危地马拉火地岛火山的喷发画面，测量相关数据，并对动态过程进行建模。

特别值得一说的是，无人机遥感在灾害遥感监测中发挥了关键作用。在近些年的重大自然灾害应急事件中，都能看到无人机的身影：2008年汶川地震灾后救援中，无人机遥感技术投入使用；之后的重大自然灾害，如四川茂县滑坡、大连泄油事件、天津港重大危化品爆炸事故等应急救灾中，无人机都发挥了重要作用。

在行业应用领域，油气、输电、光伏电场基础设施的无人机巡检已实现常态化。在一些政府部门，无人机正被逐步纳入业务体系，如环保部门利用无人机开展河流排污口排查整治。高频次、迅捷响应的无人机平台和厘米级的无人机图像，有力支持了环保相关业务部门常规作业的日常化运行。

3 “遥感＋”应用，拓展服务领域

由于方便灵活，大众参与度高，无人机创新活跃度也很高，发展迅猛。无人机遥感和其他相关技术领域的深度结合，呈现出大量拓展性的应用，被称为无人机的“遥感＋”应用。例如，在“遥感＋数据”的实时传输方面，无人机遥感对军事、应急减灾救援等非常重要，许多国土安全监测与灾害救援行动依靠无人机遥感与实时传输提供及时信息以进行决策。

在“遥感＋即时定位与地图构建技术（SLAM）”方面，无人机与SLAM的结合使得无人机的导航和避障得到增强，在无人机智能化数据获取与自主飞行上具有重要应用前景。

在“遥感＋决策和执行技术”方面，实现“无人机遥感＋识别＋任务规划＋执行任务”一体化完成。例如，无人机遥感可以实现田野农情遥感监测，形成病虫害处方图，规划合理航线，执行精准农药喷洒，将静态遥感观测与实时决策和执行融为一体。

在“遥感＋低空航路规划”方面，当前无人机多样化应用需求主要在低空，“低、慢、小”无人机绝大部分集中在低于500米的近地面空域，而这个空域地表变化多样、情况复杂，飞行安全和效率问题突出，故低空航路特别是城镇化地区无人机低空公共航路，需要精细化规划。通过传统统计渠道获取数据效率低下，而利用城镇地区高清高动态无人机遥感数据服务低空航路规划构建成为研究前沿，我国在这方面已率先开展积极探索。

在“遥感＋区域组网”方面，尽管无人机遥感能力很强、空间分辨率高，但覆盖区域小，难以满足大区域应用对无人机遥感的需求，必须通过无人机组网遥感的方式发挥聚合作用。比如，通过一定的组织模式和技术体系，把全国分布式的无人机遥感资源规划部署起来，构建大区域、高频次、迅捷响应的厘米分辨率及遥感监测体系，从而完成大面积的测量任务。

总的说来，无人机的应用与发展已经形成了全领域应用的态势，在应用需求的强力牵引和新技术发展的有力支持下，无人机的发展未来可期。

（作者：肖青，系中国科学院空天信息创新研究院研究员）

来源：光明日报

四年磨一剑，他解决了无人机遥感应用领域的一个难题

日前，资环学院定量遥感团队在“无人机热红外遥感”方面取得重要研究进展。 他们在遥感领域顶级期刊《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》（中科院一区，IF：11.774，国际摄影测量与遥感协会ISPRS会刊）发表题为“A robust registration method for UAV thermal infrared and visible images taken by dual-cameras”的学术论文。博士研究生孟令宣为该论文第一作者，周纪教授为通讯作者，电子科技大学为论文第一署名单位。

躬行实践，四年一剑

西北黑河流域是我国第二大内陆河流域，也是国内高校、科研单位的重点数据采集研究地区之一。距离黑河流域花寨子站站点一个小时左右的车程，是资环学院博士生孟令宣与同门师弟师妹进行数据采集时的临时住宿点。

2019-2020年两年时间内，每年5月份到10月份，每个月7-10天，孟令宣都要与同门师弟师妹一起，背上导师周纪教授专门为户外数据采集选购的相机、无人机等实验器材，前往西北黑河流域进行遥感数据采集工作。

还记得第一次来到西北进行户外数据采集时，干燥的气候对孟令宣这个初来乍到的南方人而言略显“苛刻”，但西北好客的风土人情与厚实自然的美食让困难不值一提。每每结束一天的采集工作，课题组会一起去吃西北美食，孟令宣说道：“大家说说笑笑，感觉一天的疲惫烟消云散了，第二天也有气力继续干好工作！”

总共100多天的数据采集工作里，无人机、相机和电脑，这“三大件”是孟令宣时刻相伴的“搭档”。但用无人机进行数据采集工作并不是一件容易事，孟令宣面临的是压力与技术两只“拦路虎”。

无人机飞得越高，相机分辨率就会降低，但覆盖地物范围越广，飞行航次就会减少，从而节省作业时间。为了平衡飞行航次与分辨率二者的要求，在得到分辨率较高的数据的同时保证每天作业的效率，孟令宣与师弟师妹最后多次试验确定无人机的飞行高度控制在100-300米之间为宜。

但无人机飞偏、拍摄照片模糊等小问题在最初几次飞行中还是常常出现，“飞得不顺不好，意味着我们在外面待的时间就更久。我不能因为自己无人机操作影响了大家按时返回！”心理压力驱使孟令宣在每次无人机飞行中，时刻注意少犯、不犯之前的操作失误，提升操作无人机的技术。100米到300米的高度飞2公里×1.5公里的范围，对10天飞行之后的孟令宣来说已不在话下。

遥感领域的数据采集工作需要利用无人机、相机在天上取代人眼来“看”，如何让它“看”得不仅广而且准，这就要依赖于无人机搭载的——配备热红外和可见光传感器的相机，它可以拍摄无人机热红外和可见光图像，从而获得对应的光信号和温度信息，通过配准和图像处理，进而达到“看”得清楚准确的目的。

脚踏实地，敢于创新

在整个课题组历时两年的数据采集与初步处理工作得到的数千组数据的基础上，孟令宣选择了热红外与可见光图像配准研究方向，因为图像配准是诸多后续应用的基础。

所谓图像配准，是指把图像的点对应起来。多镜头的位置不同导致其拍摄的图像之间存在偏差，孟令宣所要做的，便是将这些偏移的点更准确地对应在相同的像素位置。孟令宣在三个站点的数据中各抽取了150张、傍晚和夜间拍摄的150张，共600张数据作为测试集，进行图像配准。

配准工作并没有看上去那么轻松。热红外和可见光图像之间存在着明显的辐射间隙、形状间隙和纹理间隙，这使得传统基于区域的方法不能同时满足位置的精度和鲁棒性，而基于图像金字塔的方法计算成本较高。

孟令宣构建了一种新的配准方法，利用相似度图聚合的思想来同时提升影像间对应点的鲁棒性和准确性，有效克服了特征匹配方法中关键点重复率低和模板匹配方法中定位精度低的问题，成功实现了无人机热红外与可见光影像间亚像素级的配准精度。经过测试，该配准方法在不同地面场景和光照条件下均达到最优表现。

该研究成果有效地解决了无人机遥感同时获取高配准精度多源遥感影像的难题，保证了多源遥感影像的协同使用。

小有成果，服务社会

研究成果最终需要落地为生产生活创造价值，研究的正确性也需要实践的反复验证。据孟令宣介绍，该成果正在接受应急管理部国家自然灾害防治研究院的相关应用论证，希望能在管涌问题上得到突破。该成果同时还在中国科学院西北生态环境资源研究院等单位得到应用，相关无人机遥感影像已通过国家青藏高原科学数据中心公开发布。

管涌检测作为老大难问题，其检测方法一直有待突破。单纯使用遥感影像，无法准确判定渗水的位置，在遥感影像确定的模糊范围内，通过借助热红外影像观察到温度差异，二者通过图像配准，便可以定位到管涌的具体位置。两者的匹配精度越准确，管涌的具体位置就越具体，耗费的人财物力就越小。孟令宣的方法被国家自然灾害防治研究所研究人员孙洪泉注意到，在与孟令宣的导师周纪教授取得联系之后，其方法很快被应用到关于管涌检测领域。

除管涌检测以外，孟令宣在论文检索中发现他的研究成果也可以应用在监控和瓦斯检测等方面，他研究的热红外、可见光图像配准是遥感领域里的基础工作，在定量遥感反演和图像信息提取等方面具有广泛的应用潜力。

起航成电，意气风发