摘要：無(wú)人機(jī)是未來(lái)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(wú)人機(jī)遙感則是無(wú)人機(jī)應(yīng)用最重要的引領(lǐng)性產(chǎn)業(yè)。本文首先以國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展現(xiàn)狀為背景,重點(diǎn)概述了中國(guó)無(wú)人機(jī)遙感21世紀(jì)以來(lái)“十五”到“十三五”所獲得的具有代表性的國(guó)家支持與推動(dòng)的發(fā)展歷程,闡述了無(wú)人機(jī)遙感定標(biāo)場(chǎng),航空航天定標(biāo)場(chǎng)的建立以及應(yīng)用驗(yàn)證,包括無(wú)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(chǎng)、地物參量引導(dǎo)載荷性能、系統(tǒng)模型為代表的中國(guó)無(wú)人機(jī)遙感的相關(guān)技術(shù)跨越;接著,概略介紹了無(wú)人機(jī)遙感在國(guó)防反恐安全以及跨國(guó)應(yīng)急救援,國(guó)土測(cè)繪與海洋島礁測(cè)繪應(yīng)用,地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用以及國(guó)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(guó)在無(wú)人航空遙感領(lǐng)域展開(kāi)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(tái)自組織冗余容錯(cuò)、遙感大數(shù)據(jù)云處理技術(shù)和無(wú)人機(jī)遙感組網(wǎng)實(shí)用化等內(nèi)容。未來(lái)無(wú)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(wú)人航空器組網(wǎng)觀測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無(wú)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(guó)成為世界遙感強(qiáng)國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略跨越奠定基礎(chǔ)。

　1 發(fā)展歷程

　　1.1 國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)遙感發(fā)展背景

　　無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、機(jī)上無(wú)人駕駛、依靠空氣提供升力、可重復(fù)使用航空器的簡(jiǎn)稱[1]。1917年,世界上第一架無(wú)人駕駛飛機(jī)由英國(guó)皇家航空研究院研制成功。無(wú)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(wú)人機(jī)先后經(jīng)過(guò)了無(wú)人靶機(jī)、控制無(wú)人偵察機(jī)和電子無(wú)人機(jī)、指令遙控?zé)o人偵察機(jī)和復(fù)合控制多用途無(wú)人機(jī)的發(fā)展,技術(shù)日趨成熟。

　　到20世紀(jì)末,各國(guó)制造的無(wú)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(guó)全球鷹為代表的長(zhǎng)航時(shí)高空無(wú)人偵察機(jī)的實(shí)際使用發(fā)起了無(wú)人機(jī)研究的熱潮[2]。而此時(shí)無(wú)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(wú)人機(jī)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展上,美國(guó)掌握核心技術(shù)并長(zhǎng)期處于全球的領(lǐng)先地位,美軍首次于越南戰(zhàn)爭(zhēng)中使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行監(jiān)視偵察,并于海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中進(jìn)行廣泛的應(yīng)用,有效減少美軍人員傷亡。

　　無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)是在無(wú)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(wú)人機(jī)作為遙感平臺(tái),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(zhǎng)、全天候作業(yè)的遙感數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)[5,6]。無(wú)人機(jī)所能搭載的傳感器也是多樣的,澳大利亞利用美國(guó)研制出的“全球鷹”無(wú)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(cè) 等[7]。美國(guó)航空航天局(NASA)也將多種無(wú)人機(jī)應(yīng)用于海洋遙感(包括監(jiān)測(cè)颶風(fēng)和龍卷風(fēng))等研究項(xiàng)目。進(jìn)入21世紀(jì)以后,無(wú)人機(jī)逐步進(jìn)入民用領(lǐng)域并形成產(chǎn)業(yè),美國(guó)能源部在大氣輻射測(cè)量(ARM)計(jì)劃中應(yīng)用Altus無(wú)人機(jī)對(duì)大氣對(duì)流層中的云層進(jìn)行輻射和散射測(cè)量,以研究云層與來(lái)源于太陽(yáng)和大地的輻射的互作用,為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)二氧化碳引起的地表溫室效應(yīng)研究服務(wù)[3,4]。

　　中國(guó)無(wú)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(guó)家相比有明顯差距,但發(fā)展迅速。20世紀(jì)50年代中國(guó)正式開(kāi)始研制無(wú)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(zhǎng)虹”以及“長(zhǎng)空1號(hào)”無(wú)人機(jī)。直到21世紀(jì)以后,中國(guó)的無(wú)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(ài)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(wú)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(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院開(kāi)始民用無(wú)人機(jī)的研制,較早應(yīng)用于測(cè)繪領(lǐng)域[9]。21世紀(jì)起,無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在中國(guó)起步并快速發(fā)展起來(lái)。

　　值得一提的是,2012年開(kāi)始國(guó)內(nèi)消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)市場(chǎng)出現(xiàn)了爆炸性增長(zhǎng),深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司將多旋翼的無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)推向消費(fèi)級(jí)市場(chǎng),也將航拍變成了普通大眾的一種愛(ài)好[10]。

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

　　中國(guó)工業(yè)型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)研制始于2000年。2002年貴州蓋克無(wú)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(tái)中的CMOS成像與信息處理系統(tǒng)”(02C26215200750),是國(guó)家早期支持民用無(wú)人機(jī)遙感載荷平臺(tái)研制的重要代表[11]。項(xiàng)目完成了無(wú)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(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)及其支持子系統(tǒng)。地面部分包括航跡規(guī)劃子系統(tǒng)、無(wú)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(wú)人機(jī)遙感的關(guān)鍵技術(shù)研究等[12,13]。

　　在國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目“多用途無(wú)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(guó)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(guó)大型多用途無(wú)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(guó)家多部委、教育部、航空總公司、科技部國(guó)家遙感中心、“863”計(jì)劃有關(guān)專家組、國(guó)防科工局和多軍兵種出席試飛活動(dòng)。次日國(guó)家CCTV1新聞聯(lián)播加以報(bào)道。飛行試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(guò)預(yù)編程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制,達(dá)到了無(wú)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(guó)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(wú)人駕駛空中對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)能力建設(shè)”(國(guó)發(fā)改辦高技[2005]1534號(hào))的支撐下,實(shí)驗(yàn)完成了無(wú)人機(jī)航空遙感的自動(dòng)化作業(yè),解決了大型無(wú)人機(jī)平臺(tái)、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(zhǎng)航時(shí)遙感作業(yè)飛行,為中國(guó)無(wú)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(guó)高端無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的開(kāi)端,填補(bǔ)了我國(guó)工業(yè)型民用無(wú)人機(jī)遙感領(lǐng)域的空白。

　1.3 國(guó)家支持的十一五到十三五(2006-2020)無(wú)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(guó)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(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)共同合作,承擔(dān)了國(guó)家“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“無(wú)人機(jī)遙感載荷綜合驗(yàn)證系統(tǒng)”(2008AA121800)。由此實(shí)現(xiàn)無(wú)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(guó)內(nèi)首個(gè)無(wú)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(chǎng),推動(dòng)了高分辨率無(wú)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(guó)首個(gè)航空航天定標(biāo)場(chǎng),為拓展無(wú)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(guó)科學(xué)院光電研究院、中國(guó)測(cè)繪院、中電科技集團(tuán)54所等開(kāi)展了“863”計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“無(wú)人機(jī)遙感安全檢測(cè)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)示范體系研究”(2013AA122100),該項(xiàng)目在無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)測(cè)控可靠性評(píng)估技術(shù)、遙感載荷性能與數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)、無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)安全檢測(cè)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(wú)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(guó)首款基于中繼衛(wèi)星的無(wú)人機(jī)單Ka機(jī)載終端設(shè)備,實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的高速異地實(shí)時(shí)傳輸,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白,為無(wú)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(zhǎng)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(guó)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(cè)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(cè)試與驗(yàn)證,為無(wú)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(chǎng)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(guó)首個(gè)輕小型無(wú)人機(jī)遙感定標(biāo)場(chǎng),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(chǎng)和培訓(xùn)基地,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)武警無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援的空白。該驗(yàn)證場(chǎng)后來(lái)成為國(guó)家遙感中心的應(yīng)急救援部。

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

　　2016年至今的國(guó)家第十三個(gè)“五年計(jì)劃”期間,國(guó)家科技部擴(kuò)大了無(wú)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(guó)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(wú)人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測(cè)技術(shù)”(2017YFB 0503000),面向需求,突破多元平臺(tái)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)集成組網(wǎng)觀測(cè)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(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)臺(tái)站為無(wú)人航空器空港的組網(wǎng)觀測(cè)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(cè)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(wú)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(cè)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(cè)與應(yīng)急服務(wù)技術(shù)體系;高頻次迅捷無(wú)人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測(cè)技術(shù),重特大災(zāi)害空天地一體化協(xié)同監(jiān)測(cè)應(yīng)急響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范,國(guó)土資源與生態(tài)環(huán)境安全監(jiān)測(cè)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(wú)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(cè)空間信息服務(wù)以及應(yīng)用示范;全球綜合觀測(cè)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“地球觀測(cè)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(wú)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(wú)人航空遙感的跨越,為全國(guó)厘米級(jí)分辨率獲取能力建設(shè)、從而為世界遙感強(qiáng)國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略跨越奠定基礎(chǔ)。

　　2 技術(shù)突破

　　無(wú)人機(jī)遙感的技術(shù)關(guān)鍵要點(diǎn)歸結(jié)起來(lái)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(wú)人機(jī)遙感做一個(gè)標(biāo)尺,以實(shí)現(xiàn)“度量”。無(wú)人機(jī)定標(biāo)場(chǎng)的建立為無(wú)人機(jī)航空遙感提供了精細(xì)標(biāo)尺,為實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高分辨率應(yīng)用提供技術(shù)突破;航空航天定標(biāo)場(chǎng)的建立則在上述基礎(chǔ)上,為實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)遙感平臺(tái)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(jiǎn)易自動(dòng)控制;在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一體化無(wú)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(cè)。

　　2.1 無(wú)人機(jī)定標(biāo)場(chǎng)建立與應(yīng)用驗(yàn)證

　　為了保證無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用的精準(zhǔn)程度,需要對(duì)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(wú)法直接修復(fù)。無(wú)人機(jī)遙感以無(wú)人機(jī)為平臺(tái),搭載相應(yīng)的傳感器對(duì)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(wú)人機(jī)成像與控制過(guò)程的自動(dòng)化也是有人機(jī)難以具備的優(yōu)勢(shì)。

　　在童慶禧、李傳榮、樊邦奎推動(dòng)下,中國(guó)在“十一五”計(jì)劃期間建設(shè)了首個(gè)無(wú)人機(jī)遙感定標(biāo)場(chǎng)[16](圖4)。作為無(wú)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)了不確定度優(yōu)于6%的光學(xué)載荷絕對(duì)定標(biāo),不確定度優(yōu)于5%的光學(xué)載荷相對(duì)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(jí)的同步成像計(jì)量及曝光度量。經(jīng)過(guò)精確定標(biāo)的傳感器在農(nóng)業(yè)遙感、測(cè)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(wú)人機(jī)定標(biāo)場(chǎng)設(shè)計(jì)、使用及各種靶標(biāo)示意

　　2.2 航空航天定標(biāo)場(chǎng)建立與應(yīng)用驗(yàn)證

　　航空航天載荷定標(biāo)是無(wú)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(chǎng)是國(guó)內(nèi)首個(gè)航空航天載荷綜合地面定標(biāo)場(chǎng),可以完成幾何與輻射定標(biāo)、衛(wèi)星在軌測(cè)試等任務(wù)。幾何定標(biāo)的結(jié)果取決于地面檢校場(chǎng)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(chǎng)的灰度標(biāo)準(zhǔn)及灰度梯度對(duì)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(kāi)始籌建該定標(biāo)場(chǎng)。最終選定以河南登封市為基地,在武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)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(kāi)始建設(shè)嵩山地面定標(biāo)場(chǎng)[20,21]。目前,嵩山遙感地面定標(biāo)場(chǎng)主要包括航空檢校場(chǎng),航天幾何定標(biāo)場(chǎng)、固定靶標(biāo)場(chǎng)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(cè)的一體化度量。

圖5 嵩山定標(biāo)場(chǎng)

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

　　2.3 載荷發(fā)展

　　伴隨著輕小型無(wú)人機(jī)平臺(tái)的發(fā)展,涌現(xiàn)了大量的輕小型無(wú)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(kāi)發(fā)成本較低,在我國(guó)有較大的應(yīng)用需求,目前,輕小型無(wú)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(wú)人機(jī)光學(xué)遙感載荷

　　在光學(xué)遙感載荷方面,國(guó)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(guó)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(chǎng)、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(guó)家“863”計(jì)劃期間,中國(guó)科學(xué)院成都光電研究所與解放軍測(cè)繪學(xué)院聯(lián)合設(shè)計(jì)了一種“3+1”大面陣CCD航測(cè)相機(jī)SPC-1。在輕小型無(wú)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(wú)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(cè)各種姿態(tài)下的連續(xù)成像效果[22]。

　　(2)輕小型無(wú)人機(jī)紅外譜段遙感載荷

　　在典型的紅外載荷中,紅外探測(cè)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(cè)器分為紅外光量子探測(cè)和熱探測(cè)兩類,當(dāng)前高性能紅外焦平面探測(cè)器主要是量子效率較高的光伏型探測(cè)器。目前正在研發(fā)的第三代紅外焦平面探測(cè)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(wú)人機(jī)遙感載荷的發(fā)展重點(diǎn)。由于熱紅外面陣探測(cè)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(guó)外以機(jī)載系統(tǒng)為主。近年來(lái),隨著焦平面探測(cè)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(lái)越受重視。

　　(3)輕小型無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)載荷

　　機(jī)載激光雷達(dá)是近年來(lái)快速發(fā)展的一項(xiàng)高分辨率對(duì)地觀測(cè)技術(shù),它突破了傳統(tǒng)地面三維數(shù)據(jù)獲取周期長(zhǎng)、工作量大等問(wèn)題,是繼GPS技術(shù)之后測(cè)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(chǎng)大。自20世紀(jì)90年代,中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所李樹(shù)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(lái),我國(guó)該方面工作飛速發(fā)展。中國(guó)科學(xué)院光電研究院研制了飛行相對(duì)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(duì)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(chǎng)飛行試驗(yàn)[24]。中國(guó)科學(xué)院植物研究所郭慶華等開(kāi)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(wú)人機(jī)成像光譜遙感載荷

　　近年來(lái)隨著輕小型無(wú)人機(jī)的迅猛發(fā)展,成像光譜儀作為重要的對(duì)地觀測(cè)載荷,也不斷地走向輕小型化。國(guó)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(wèn)世,如美國(guó)JPL實(shí)驗(yàn)室的AVIRIS,加拿大ITRES公司的CASI、SASI、MASI等。國(guó)外無(wú)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(guó)內(nèi)成像光譜儀產(chǎn)品主要適用于大飛機(jī)平臺(tái),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(chǎng)PHI[26]。長(zhǎng)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(wú)人機(jī)偏振遙感載荷

　　偏振遙感是近年來(lái)遙感技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的新方向,有著傳統(tǒng)遙感無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。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(cè)、飛行器尾焰追蹤等[27,28]。目前國(guó)際上較為成熟的偏振衛(wèi)星遙感有法國(guó)1996年開(kāi)始的POLDER衛(wèi)星,但實(shí)際上地物的偏振性質(zhì)往往淹沒(méi)在大氣的偏振輻射中,而近地觀測(cè)的無(wú)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(lái)遙感發(fā)展的主要方向之一。2008年中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所三路并行無(wú)人機(jī)載偏振CCD相機(jī),主要針對(duì)像方遠(yuǎn)心和抗過(guò)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(kāi)展航空偏振遙感觀測(cè)實(shí)驗(yàn)[30]。未來(lái)偏振遙感載荷將向單相機(jī)鍍膜分光的光場(chǎng)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(chǎng)定標(biāo)

　　定標(biāo)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)遙感的系統(tǒng)誤差主要來(lái)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(cè)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(méi)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系,無(wú)法表達(dá)成像系統(tǒng)各部件的參數(shù)對(duì)成像過(guò)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(guò)程以及其對(duì)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(kāi)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(lái)表達(dá)輸出影像的DN值。由此通過(guò)連續(xù)調(diào)整成像傳感器光電參量使地物影像觀測(cè)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(guò)外場(chǎng)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(cè)誤差增大,說(shuō)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(cè),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(guò)室內(nèi)外偏振精密光學(xué)精密校正和外場(chǎng)定標(biāo)方法,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)與帶寬)的變化也會(huì)扭曲傳感器接收的信號(hào),降低空間信息品質(zhì)。中心波長(zhǎng)的改變會(huì)導(dǎo)致傳感器入瞳光譜輻亮度測(cè)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(huì)影響傳感器對(duì)光譜吸收特征的刻畫(huà)[29]。上述成果,經(jīng)中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)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(guó)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(wú)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(chǎng)定標(biāo)的地面驗(yàn)證技術(shù),中國(guó)構(gòu)建了無(wú)人機(jī)遙感地面驗(yàn)證系統(tǒng)。以此為依托,研制高性能無(wú)人機(jī)遙感設(shè)備系統(tǒng),可以通過(guò)地面驗(yàn)證,提高無(wú)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(jí)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(wú)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(jí)無(wú)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(wú)人機(jī)的使用,創(chuàng)造了我國(guó)批量生產(chǎn)無(wú)人機(jī)安全飛行記錄,證明了國(guó)內(nèi)無(wú)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(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的綜合性能,中航貴飛公司組織鷂鷹無(wú)人機(jī)開(kāi)展了金沙江“死亡河谷”特殊測(cè)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(cè)繪及測(cè)圖拼接。金沙江飛行驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)耐候安全性能(圖7),在視距限制區(qū)通過(guò)衛(wèi)星中繼的遙測(cè)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(wú)人機(jī)采用寬角測(cè)繪相機(jī),解決了低空測(cè)繪兼顧效率的要求,證明無(wú)人機(jī)具備低空作業(yè)安全性優(yōu)勢(shì)且兼?zhèn)錅y(cè)繪效率和質(zhì)量的航測(cè)綜合能力。

圖7 金沙江峽谷影像以及高光譜航測(cè)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(lái),基于中國(guó)無(wú)人機(jī)遙感的技術(shù)突破,其產(chǎn)業(yè)在我國(guó)軍事應(yīng)用、國(guó)土安全上實(shí)現(xiàn)重大突破,在國(guó)防、地理與海洋監(jiān)測(cè)、國(guó)土測(cè)繪與海洋島礁測(cè)繪上引發(fā)巨大應(yīng)用效益。在民生安全、社會(huì)發(fā)展上也帶來(lái)技術(shù)變革,在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、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(guó)防應(yīng)用

　　3.2 海洋監(jiān)測(cè)、國(guó)土-島礁測(cè)繪應(yīng)用

　　3.3 地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用

　　無(wú)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(cè)繪、救援與災(zāi)情評(píng)估

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

　　(4)地質(zhì)災(zāi)害場(chǎng)景三維重建

　　3.4 國(guó)家應(yīng)急救援

　　無(wú)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(duì)時(shí)效性和圖像分辨率要求較高,對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的出勤率要求較高。近10年來(lái),無(wú)人機(jī)應(yīng)急監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)在跨國(guó)救援,偵察反恐等公共安全領(lǐng)域展開(kāi)廣泛應(yīng)用[51]。2015年1月13日,中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)警種學(xué)院與科技部國(guó)家遙感中心簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,正式成立國(guó)家遙感中心應(yīng)急救援部。

　　(1)自然災(zāi)害應(yīng)急救援

　　(2)國(guó)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(jí)特大地震。應(yīng)尼泊爾緊急援助請(qǐng)求,經(jīng)國(guó)務(wù)院、中央軍委批準(zhǔn),武警部隊(duì)緊急組建中國(guó)武警交通救援大隊(duì)協(xié)6架無(wú)人機(jī),執(zhí)行中尼、吉加公路的搶通保通任務(wù)。這是中國(guó)國(guó)第一次官方授權(quán)軍事力量在境外使用無(wú)人機(jī)開(kāi)展應(yīng)急偵測(cè)任務(wù)。此次災(zāi)害救援任務(wù)中使用的無(wú)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(cè)提供諸多便利,為武警部隊(duì)日后定標(biāo)技術(shù)在無(wú)人機(jī)應(yīng)急偵測(cè)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(wú)人機(jī)偵測(cè)系統(tǒng)第一次在中國(guó)、阿富汗、巴基斯坦、塔吉克斯坦四國(guó)交界的恐怖分子活躍區(qū)-瓦罕走廊開(kāi)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(wú)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(cè)

　　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(cè)對(duì)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(guó)家戰(zhàn)略資源,因而農(nóng)田監(jiān)測(cè)則是保障糧食安全的根基所在。而利用遙感技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng),加強(qiáng)作物生長(zhǎng)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(zhǎng)的關(guān)鍵因素,以農(nóng)田溫度監(jiān)測(cè)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(guó)際上已有的多種地表溫度產(chǎn)品的空間尺度多為千米級(jí),難以實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)廣泛存在的行間播種模式的精確監(jiān)測(cè)。而未來(lái)借助于無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的手段,能夠提高熱紅外數(shù)據(jù)的空間分辨率,通過(guò)合成衛(wèi)星與無(wú)人機(jī)的影像數(shù)據(jù),提供數(shù)米甚至厘米級(jí)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(cè),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(guò)無(wú)人機(jī)高光譜和偏振觀測(cè),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(guó)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(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè),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(wú)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(duì)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(wú)人機(jī)航拍可以獲得有序高效的建筑物破壞等級(jí)、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(chǎng)救援任務(wù)展開(kāi)與決策提供技術(shù)支持。其次,可將無(wú)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(huì)公布,產(chǎn)出無(wú)人機(jī)航拍路線及現(xiàn)場(chǎng)等圖件,讓社會(huì)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(cè)引發(fā)的不安。無(wú)人機(jī)也能根據(jù)社會(huì)公眾的實(shí)際應(yīng)用需求開(kāi)展一些切合實(shí)際的工作,服務(wù)于社會(huì)公眾。

　　4 未來(lái)跨越

　　基于中國(guó)無(wú)人機(jī)遙感的技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì),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(wú)人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測(cè)技術(shù)”為重要依托,未來(lái)無(wú)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(cè)向全球多層次觀測(cè)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(wú)人機(jī)燈光秀已成最為大眾熟悉的無(wú)人機(jī)組網(wǎng),展示了單個(gè)無(wú)人機(jī)通過(guò)組網(wǎng)可以釋放出巨大的潛力[52]?！笆晃濉逼陂g單一無(wú)人航空器遙感系統(tǒng)特別是輕小型無(wú)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(wú)人機(jī)組網(wǎng)測(cè)繪也開(kāi)展了初步試驗(yàn)[54]。面向國(guó)家科技研發(fā)及重大應(yīng)用的高效率無(wú)人航空器組網(wǎng)遙感觀測(cè)需要相互通信和任務(wù)協(xié)同智能計(jì)算?！笆濉逼陂g國(guó)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(wú)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(wú)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(shí)別和智能組網(wǎng)任務(wù)協(xié)同的遙感能力。特別是無(wú)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(wú)人航空器資源綜合評(píng)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(wú)人航空器開(kāi)發(fā)利用最頻繁的空域,通過(guò)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(shuō)除了專門(mén)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(wú)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(lái)升級(jí)到5G,基站移動(dòng)信號(hào)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(lái)的通信能力,產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)提出網(wǎng)聯(lián)無(wú)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(wú)人航空器在低空移動(dòng)信號(hào)和衛(wèi)星通信信號(hào)之間低成本無(wú)縫切換[59]。融合空域技術(shù)發(fā)展將讓無(wú)人航空器能夠安全和高效地進(jìn)入中高空空域,地拓展無(wú)人航空器組網(wǎng)范圍[60]。由于無(wú)人航空器管理的規(guī)范化,法律要求所有無(wú)人航空器都需要登記注冊(cè)[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(wú)人航空器遙感組網(wǎng)提供了制度保障。未來(lái)無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用越來(lái)越具有大眾化的趨勢(shì)[63],無(wú)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(lái)無(wú)人航空器及其遙感應(yīng)用研究的重要方向(圖11)。

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

　　4.2 智能觀測(cè)度量基準(zhǔn)體系

　　無(wú)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(cè)大角度、變角度和觀測(cè)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(wú)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(wú)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(duì)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(cè)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(guó)際開(kāi)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(wú)人機(jī)遙感極坐標(biāo)高時(shí)空分辨率觀測(cè)度量體系

　　4.3 智能載荷平臺(tái)自組織與冗余容錯(cuò)體系

　　無(wú)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(shí)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(tái)飛控結(jié)合的,也有不依靠平臺(tái)飛控系統(tǒng)而是載荷自成一體的。未來(lái)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(wú)(少)公害農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。如通過(guò)農(nóng)情遙感獲得病蟲(chóng)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(lái)重要發(fā)展方向[69]。載荷智能化發(fā)展還將與平臺(tái)智能化相向而行,并相互拓展到載荷平臺(tái)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(tái)組合冗余,載荷組合冗余,以及兩者交叉組合冗余,推動(dòng)無(wú)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(wú)人機(jī)載荷、平臺(tái)組合冗余的容錯(cuò)體系是未來(lái)智能控制環(huán)境下對(duì)地觀測(cè)的必要系統(tǒng)模塊。以飛艇、氣球、大型無(wú)人機(jī)、多架輕小型無(wú)人機(jī)等多平臺(tái)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(wú)人機(jī)群組網(wǎng)冗余智能觀測(cè),滿足平臺(tái)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(cè)保險(xiǎn)系數(shù)的目的,避免在某一平臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)崩潰或失效。圖14是無(wú)人機(jī)群組的智能控制冗余容錯(cuò)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的示例。

圖14 無(wú)人機(jī)群組冗余容錯(cuò)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)以及多傳感器件的冗余容錯(cuò)系統(tǒng)

　　4.4 無(wú)人機(jī)遙感大數(shù)據(jù)云處理平臺(tái)

　　未來(lái)無(wú)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(duì)外服務(wù)方式不同,無(wú)人航空器遙感數(shù)據(jù)來(lái)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(wú)法保證。建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化的無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)獲取、匯聚和分享體系,通過(guò)“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(guò)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(guó)范圍的覆蓋、高頻次、超高分辨率的無(wú)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(wú)限應(yīng)用潛力?；靖拍钍?通過(guò)國(guó)家、行業(yè)或者社會(huì)力量建設(shè)全國(guó)無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)匯聚和分享網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)匯聚和交換樞紐超級(jí)平臺(tái)-無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)航母,使得單一的遙感無(wú)人機(jī)有一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)“航母”?？?。通過(guò)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(guó)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(wú)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(tái)向他人共享數(shù)據(jù),也可以利用航母平臺(tái)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(wú)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(wú)人機(jī)遙感網(wǎng)組織模式;② 無(wú)人機(jī)遙感組網(wǎng)觀測(cè)關(guān)鍵技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范;③ 海量分布無(wú)人機(jī)遙感數(shù)據(jù)虛擬匯聚、儲(chǔ)存與訪問(wèn)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(tái)、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(tái)的高性能分布式計(jì)算技術(shù);⑦ 數(shù)據(jù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)技術(shù)等。

　　4.5 無(wú)人機(jī)組網(wǎng)遙感觀測(cè)在國(guó)家對(duì)地觀測(cè)體系中的重大作用

　　無(wú)人航空器組網(wǎng)遙感觀測(cè)可以從以“天”為頻率的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)常態(tài)化應(yīng)用,到以“小時(shí)”為頻率的自然災(zāi)害遙感評(píng)估,再到近實(shí)時(shí)的國(guó)土安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用。高分辨率、迅捷機(jī)動(dòng)、不受云覆蓋限制是無(wú)人航空器的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn),使其成為國(guó)家“空-天-地”一體的遙感監(jiān)測(cè)體系中不可或缺的重要組成部分。與衛(wèi)星不同,無(wú)人航空器遙感觀測(cè)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(wú)人航空器觀測(cè)系統(tǒng)必須依靠就近部署的無(wú)人航空器遙感系統(tǒng)資源開(kāi)展工作才能做到迅捷響應(yīng)。依托遍布全國(guó)優(yōu)化布局的無(wú)人航空器遙感網(wǎng),建設(shè)全國(guó)無(wú)人航空器組網(wǎng)觀測(cè)高頻迅捷響應(yīng)體系,是國(guó)家自然資源調(diào)查、環(huán)境保護(hù)和國(guó)土安全日常管理和應(yīng)急監(jiān)測(cè)的明確需求,也是地球觀測(cè)與導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)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(wú)人航空器區(qū)域組網(wǎng)遙感觀測(cè)技術(shù)”面向國(guó)家重大需求,依托全國(guó)無(wú)人航空器空港優(yōu)化布局,構(gòu)建無(wú)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(guó)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、土壤水分、植被覆蓋等監(jiān)測(cè),開(kāi)展天頻率重點(diǎn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用示范;② 典型區(qū)域洪澇災(zāi)害事件,快速監(jiān)測(cè)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(píng)估,實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè)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(cè)并鎖定重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行精確定位,實(shí)現(xiàn)全天候無(wú)間斷偵察,開(kāi)展智能組網(wǎng)和厘米級(jí)遙感數(shù)據(jù)獲取,數(shù)據(jù)匯聚到無(wú)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(jiàn)圖15)。項(xiàng)目的實(shí)施旨在為國(guó)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(guó)無(wú)人航空器遙感組網(wǎng)觀測(cè)系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ),提供面向國(guó)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(wú)人航空器資源調(diào)度與組網(wǎng)遙感觀測(cè)管控平臺(tái)

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹了中國(guó)無(wú)人機(jī)遙感本世紀(jì)以來(lái) “十五”到“十三五”所獲得的有代表性意義成果。闡述了無(wú)人機(jī)遙感定標(biāo)場(chǎng),航空航天定標(biāo)場(chǎng)的建立以及應(yīng)用驗(yàn)證,包括無(wú)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(wú)人機(jī)遙感在國(guó)防反恐安全以及跨國(guó)應(yīng)急救援,國(guó)土測(cè)繪與海洋島礁測(cè)繪應(yīng)用,地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)用以及國(guó)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(lái)方向的無(wú)人機(jī)遙感組網(wǎng)集群技術(shù)的進(jìn)展。

　　中國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)走過(guò)近60年的歷程,而中國(guó)無(wú)人機(jī)遙感已經(jīng)走過(guò)了20年的歷程,未來(lái)無(wú)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(wú)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(duì)地觀測(cè)體系建設(shè)來(lái)說(shuō),未來(lái)無(wú)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(guó)的生態(tài)環(huán)境資源監(jiān)測(cè)、災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)監(jiān)測(cè)以及國(guó)土安全突發(fā)事件監(jiān)測(cè)的無(wú)人航空器組網(wǎng)技術(shù); 第二是在能開(kāi)展上述監(jiān)測(cè)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(lái)無(wú)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(wú)人航空器組網(wǎng)觀測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無(wú)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(guó)成為世界遙感強(qiáng)國(guó)的國(guó)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(zhǎng)期指點(diǎn)幫助。感謝岳煥印、羅祥勇、王劍、詹學(xué)麗、萬(wàn)志強(qiáng)等專家學(xué)者為本文提供資料和素材。

來(lái)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