作者簡(jiǎn)介：艾曼·哈比卜(Ayman Habib)博士是美國普杜大學(xué)萊勒斯土木工程學(xué)院的教授，可持續(xù)環(huán)境UAS應(yīng)用土木工程中心(CE-CAUSE)主任，聯(lián)合交通研究計(jì)劃(JTRP)副主任。研究領(lǐng)域包括地面/空中移動(dòng)地圖系統(tǒng)、非傳統(tǒng)成像掃描儀的透視幾何建模、自動(dòng)匹配和變化檢測(cè)、低成本數(shù)碼相機(jī)的自動(dòng)校準(zhǔn)、圖像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的對(duì)象識(shí)別、激光雷達(dá)測(cè)圖、攝影測(cè)量數(shù)據(jù)與其他傳感器/數(shù)據(jù)集(如GNSS / INS、GIS、多光譜和高光譜傳感器以及激光雷達(dá))集成。

　　艾曼·哈比卜博士發(fā)表了350多份出版物，并擔(dān)任地理信息和土木工程領(lǐng)域多個(gè)國家和國際期刊的編委會(huì)成員。

　　無人機(jī)市場(chǎng)2020年將達(dá)283億美元

　　使用主/被動(dòng)遙感對(duì)環(huán)境進(jìn)行精確展現(xiàn)和3D重建，已成為各個(gè)制圖應(yīng)用的必備功能。但由于傳統(tǒng)制圖方式(即載人飛機(jī)和地面移動(dòng)制圖)的成本和所需的技術(shù)水平過高，無法滿足這些應(yīng)用的需求。

　　近年來，軟硬件技術(shù)取得了重大突破，現(xiàn)在通過對(duì)低成本數(shù)碼相機(jī)、激光掃描儀和導(dǎo)航系統(tǒng)的集成，可以不再依賴于傳統(tǒng)昂貴的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，就能進(jìn)行精確的3D制圖。

　　隨著傳感器技術(shù)的高速發(fā)展，無人駕駛飛行器(UAV)正在成為一種成本低、實(shí)用性強(qiáng)的移動(dòng)制圖平臺(tái)。無人機(jī)比載人飛機(jī)飛行的更慢，從而能夠獲取的數(shù)據(jù)分辨率更高。另外，無人機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)和部署成本較低，可以減輕重復(fù)覆蓋采集所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。此外，在載人飛機(jī)和地面移動(dòng)制圖系統(tǒng)之間，無人機(jī)平衡了二者在分辨率、覆蓋面和重復(fù)能力等方面的差異。這些優(yōu)勢(shì)使UAV成為既經(jīng)濟(jì)又快速的最佳制圖平臺(tái)。

　　反過來無人機(jī)可以作為制圖平臺(tái)，也促進(jìn)了無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。無人機(jī)市場(chǎng)在2016年估值為13.22億美元，到2020年預(yù)計(jì)將達(dá)到282.7億美元，而這期間的年復(fù)合增長(zhǎng)率為13.51%。

　　UAV作為制圖平臺(tái)任重而道遠(yuǎn)

　　無人機(jī)的潛力毋庸置疑，但若想讓無人機(jī)作為一種可操作的移動(dòng)地圖平臺(tái)而廣泛推廣，那么我們?nèi)匀幻媾R很多挑戰(zhàn)。

　　首先，就是國家對(duì)于無人機(jī)制圖飛行的限制政策。此前，泰伯網(wǎng)曾報(bào)道過全球246個(gè)國家的無人機(jī)法律法規(guī)，各國對(duì)于無人機(jī)的態(tài)度各不相同，尤其是對(duì)于配有導(dǎo)航和主/被動(dòng)成像傳感器的制圖無人機(jī)，如何獲得安全許可仍是一個(gè)主要問題。例如在某些限制空域(商業(yè)/軍事機(jī)場(chǎng)附近)，無人機(jī)制圖飛行是被禁止的。

　　其次，專業(yè)飛行員需求增加。UAV攜帶的傳感器等設(shè)備，通常比無人機(jī)本身貴30多倍，相對(duì)于載人飛機(jī)和地面制圖，UAV制圖可靠性風(fēng)險(xiǎn)更大，需要大量專業(yè)飛行員來安全可靠地操作系統(tǒng)。

　　另外，無人機(jī)飛行時(shí)效及其有限。對(duì)于小微型無人機(jī)(距地面低于100米)來說，一般平均電池壽命僅為30~45分鐘，大大限制了采集區(qū)域范圍，尤其是在低空飛行獲取高分辨率數(shù)據(jù)時(shí)。

　　此外，對(duì)于小微型(尤其是固定翼)無人機(jī)，有效載荷能力(即可搭載的設(shè)備數(shù)量)也相當(dāng)有限。盡管多轉(zhuǎn)子UAV系統(tǒng)具有更高的有效載荷能力，最高可達(dá)幾公斤，但增加有效載荷將會(huì)減少飛行時(shí)間。

　　無人機(jī)上有限的傳感器設(shè)備，包括定位定姿導(dǎo)航系統(tǒng)、主被動(dòng)成像系統(tǒng)，這些設(shè)備要求精確地系統(tǒng)校準(zhǔn)，如傳感器的固有參數(shù)和安裝參數(shù)等。

　　UAV制圖系統(tǒng)需要有更高的平臺(tái)集成能力。無人機(jī)移動(dòng)制圖應(yīng)用范圍甚廣，而一種系統(tǒng)集成配置方案不可能滿足所有應(yīng)用領(lǐng)域的需求。因此，需要平臺(tái)集成人員，既要熟悉應(yīng)用領(lǐng)域，又要有傳感器集成(例如不同傳感器之間的同步和通信)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的應(yīng)用，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行個(gè)性化軟硬件配置。

　　最后，我們需要針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，提高數(shù)據(jù)處理能力。尤其是在測(cè)繪業(yè)界，非?？粗夭煌A段對(duì)數(shù)據(jù)處理質(zhì)量的控制，以便最終獲得滿足應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

　　輕量級(jí)POS單元定位精度可達(dá)2厘米

　　由于無人機(jī)移動(dòng)制圖擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?，所以，專業(yè)研究機(jī)構(gòu)一直在積極的探索，在小微型無人機(jī)的主/被動(dòng)數(shù)字成像系統(tǒng)的系統(tǒng)開發(fā)和數(shù)據(jù)采集方面，已經(jīng)取得了重大突破。

　　首先，得益于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)軟硬件的持續(xù)發(fā)展，定位定姿系統(tǒng)(POS)單元的重量可低于100克，定位精度為2~5厘米，姿態(tài)精度達(dá)到0.02~0.08度。這些進(jìn)展大大減輕了被動(dòng)成像系統(tǒng)的地面控制，同時(shí)有效地促進(jìn)機(jī)上Lidar派生出更可靠的產(chǎn)品。

　　無人機(jī)上配置的具有GNSS / INS同步功能的數(shù)碼相機(jī)，像素超過40萬，且成本降低，并可以對(duì)拍攝圖像進(jìn)行精確的時(shí)間標(biāo)記。在生產(chǎn)準(zhǔn)確的正射影像和數(shù)字表面模型上，這些功能可以減少對(duì)地面控制的要求。

　　激光雷達(dá)成本再創(chuàng)新低。由于激光測(cè)距和掃描技術(shù)的最新發(fā)展，使重量小于1公斤的激光雷達(dá)，價(jià)格降至1萬美元。同時(shí)，這些激光雷達(dá)每秒可提供超過25萬脈沖，范圍精度達(dá)到厘米級(jí)。正是由于激光雷達(dá)在重量和成本上存在這些優(yōu)勢(shì)，所以我們可以用數(shù)字照相機(jī)來擴(kuò)充系統(tǒng)，同時(shí)又不會(huì)過度增加總有效載荷的成本和重量。

　　由于數(shù)字成像技術(shù)的進(jìn)步，輕量級(jí)的多光譜和高光譜成像系統(tǒng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。因此，配備輕量級(jí)的多光譜和高光譜成像系統(tǒng)的UAV移動(dòng)制圖系統(tǒng)，便可以提供比RGB數(shù)碼相機(jī)更高的光譜分辨率和更寬的光譜范圍的圖像，滿足特殊應(yīng)用需求。

　　市場(chǎng)上的圖像數(shù)據(jù)處理軟件也可為我們所用，提高圖像處理的質(zhì)量和效率。近年來，由于攝影測(cè)量和計(jì)算機(jī)視覺軟件工具取得了進(jìn)展，制圖人員可以使用一些商業(yè)軟件，這些軟件能夠處理成百上千甚至成千上萬的圖像，最后產(chǎn)生精確的正射影像和密集的數(shù)字表面模型。

　　在系統(tǒng)校準(zhǔn)方面，研究機(jī)構(gòu)也在不斷創(chuàng)新，他們已經(jīng)成功研發(fā)出進(jìn)行準(zhǔn)確系統(tǒng)校準(zhǔn)的工具，為位置姿態(tài)單元(例如GNSS / INS )提供主/被動(dòng)圖像傳感器的固有參數(shù)和相關(guān)配置參數(shù)，除此之外，還能對(duì)校準(zhǔn)參數(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行定量評(píng)估。

　　最后，研究機(jī)構(gòu)一直在探索多傳感器/多平臺(tái)數(shù)據(jù)集成的創(chuàng)新方法，這種解決方案可以在廣泛的電磁頻譜(如RGB、多光譜和高光譜遙感數(shù)據(jù)以及基于雷達(dá)的點(diǎn)云)中，將主動(dòng)和被動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行集成。

　　UAV移動(dòng)制圖系統(tǒng)需要行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)范

　　近年來，UAV移動(dòng)制圖的相關(guān)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理能力都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，所以能夠滿足大量應(yīng)用的需求，例如在測(cè)量、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)和農(nóng)業(yè)管理等領(lǐng)域，已經(jīng)開始大范圍應(yīng)用專業(yè)級(jí)無人機(jī)，這些無人機(jī)配有GNSS / INS、以及可以在電磁頻譜的不同波段內(nèi)運(yùn)行的主被動(dòng)數(shù)字成像系統(tǒng)。

　　圖1~圖5展示了多轉(zhuǎn)子無人機(jī)平臺(tái)采集的圖像，分別配備了直接地理參照的RGB 、激光雷達(dá)、短波紅外(SWIR)成像系統(tǒng)，生成的正射影像和數(shù)字表面模型。

多轉(zhuǎn)子無人機(jī)平臺(tái)

某農(nóng)田的RGB正射圖

基于影像的數(shù)字表面模型

基于雷達(dá)的數(shù)字表面模型

短波紅外正射圖

　　為了在業(yè)界獲得廣泛認(rèn)可，還應(yīng)該建立一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，如用于采購前演示的最佳應(yīng)用案例、采購后提供的使用指導(dǎo)等，以確保在實(shí)際應(yīng)用中采集數(shù)據(jù)的有效性，同時(shí)降低技術(shù)操作難度。

　　雖然基于無人機(jī)的移動(dòng)制圖系統(tǒng)不太可能取代載人飛機(jī)和地面制圖，但是前者在滿足成本效益上對(duì)后者進(jìn)行了補(bǔ)充。此外，無人機(jī)采集的圖像和激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，將來可能與傳統(tǒng)制圖平臺(tái)采集的地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，更加能提高成本效益。

　　本文根據(jù)Ayman Habib博士《UAV-based Mobile Mapping: Potential, Challenges and Outlook》(無人機(jī)移動(dòng)制圖：潛力、挑戰(zhàn)和展望)文章進(jìn)行編譯改編的。