無人機移動制圖的巨大成本效益將替代傳統(tǒng)制圖方案，預計2020年無人機市場將達282.7億美元。

　　作者簡介：艾曼·哈比卜(Ayman Habib)博士是美國普杜大學萊勒斯土木工程學院的教授，可持續(xù)環(huán)境UAS應用土木工程中心(CE-CAUSE)主任，聯(lián)合交通研究計劃(JTRP)副主任。研究領(lǐng)域包括地面/空中移動地圖系統(tǒng)、非傳統(tǒng)成像掃描儀的透視幾何建模、自動匹配和變化檢測、低成本數(shù)碼相機的自動校準、圖像和點云數(shù)據(jù)的對象識別、激光雷達測圖、攝影測量數(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)集成。

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

　　無人機市場2020年將達283億美元

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

　　近年來，軟硬件技術(shù)取得了重大突破，現(xiàn)在通過對低成本數(shù)碼相機、激光掃描儀和導航系統(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、實用性強的移動制圖平臺。無人機比載人飛機飛行的更慢，從而能夠獲取的數(shù)據(jù)分辨率更高。另外，無人機系統(tǒng)存儲和部署成本較低，可以減輕重復覆蓋采集所帶來的經(jīng)濟損失。此外，在載人飛機和地面移動制圖系統(tǒng)之間，無人機平衡了二者在分辨率、覆蓋面和重復能力等方面的差異。這些優(yōu)勢使UAV成為既經(jīng)濟又快速的最佳制圖平臺。

　　反過來無人機可以作為制圖平臺，也促進了無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。無人機市場在2016年估值為13.22億美元，到2020年預計將達到282.7億美元，而這期間的年復合增長率為13.51%。

　　UAV作為制圖平臺任重而道遠

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

　　首先，就是國家對于無人機制圖飛行的限制政策。此前，泰伯網(wǎng)曾報道過全球246個國家的無人機法律法規(guī)，各國對于無人機的態(tài)度各不相同，尤其是對于配有導航和主/被動成像傳感器的制圖無人機，如何獲得安全許可仍是一個主要問題。例如在某些限制空域(商業(yè)/軍事機場附近)，無人機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，通常比無人機本身貴30多倍，相對于載人飛機和地面制圖，UAV制圖可靠性風險更大，需要大量專業(yè)飛行員來安全可靠地操作系統(tǒng)。

　　另外，無人機飛行時效及其有限。對于小微型無人機(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。

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

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

　　UAV制圖系統(tǒng)需要有更高的平臺集成能力。無人機移動制圖應用范圍甚廣，而一種系統(tǒng)集成配置方案不可能滿足所有應用領(lǐng)域的需求。因此，需要平臺集成人員，既要熟悉應用領(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，根據(jù)不同的應用，對平臺進行個性化軟硬件配置。

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

　　輕量級POS單元定位精度可達2厘米

　　由于無人機移動制圖擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?，所以，專業(yè)研究機構(gòu)一直在積極的探索，在小微型無人機的主/被動數(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)精度達到0.02~0.08度。這些進展大大減輕了被動成像系統(tǒng)的地面控制，同時有效地促進機上Lidar派生出更可靠的產(chǎn)品。

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

　　激光雷達成本再創(chuàng)新低。由于激光測距和掃描技術(shù)的最新發(fā)展，使重量小于1公斤的激光雷達，價格降至1萬美元。同時，這些激光雷達每秒可提供超過25萬脈沖，范圍精度達到厘米級。正是由于激光雷達在重量和成本上存在這些優(yōu)勢，所以我們可以用數(shù)字照相機來擴充系統(tǒng)，同時又不會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)的進步，輕量級的多光譜和高光譜成像系統(tǒng)進入了實際應用階段。因此，配備輕量級的多光譜和高光譜成像系統(tǒng)的UAV移動制圖系統(tǒng)，便可以提供比RGB數(shù)碼相機更高的光譜分辨率和更寬的光譜范圍的圖像，滿足特殊應用需求。

　　市場上的圖像數(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，由于攝影測量和計算機視覺軟件工具取得了進展，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)校準方面，研究機構(gòu)也在不斷創(chuàng)新，他們已經(jīng)成功研發(fā)出進行準確系統(tǒng)校準的工具，為位置姿態(tài)單元(例如GNSS / INS )提供主/被動圖像傳感器的固有參數(shù)和相關(guān)配置參數(shù)，除此之外，還能對校準參數(shù)的穩(wěn)定性進行定量評估。

　　最后，研究機構(gòu)一直在探索多傳感器/多平臺數(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)以及基于雷達的點云)中，將主動和被動傳感器數(shù)據(jù)進行集成。

　　UAV移動制圖系統(tǒng)需要行業(yè)標準化的規(guī)范

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

　　圖1~圖5展示了多轉(zhuǎn)子無人機平臺采集的圖像，分別配備了直接地理參照的RGB 、激光雷達、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。