航測無人機現狀與未來發展趨勢

對于民用無人機而言，平臺本身能夠“飛起來”產生不了多少實際意義，其真正價值體現在能夠完成什么樣的應用任務。目前，民用無人機市場的主要需求之一是用于對地觀測的航測無人機，其表現特征是應急與快速反應能力以及大比例尺、高精度。航測無人機可以協助城市建設、道路修建，土地執法、測繪、災害應急、工程建設、考古等多項工作，改善民生，有著很廣闊的市場應用前景和很強的發展勢頭。為此，本刊特別邀請到中國測繪科學研究院研究員丁曉波接受采訪，介紹并分析我國航測無人機現狀與未來發展趨勢。

航測無人機的優勢

利用衛星和大飛機完成航測工作，一般需要一到兩年的時間才能得到完整行政轄區的遙感圖像，數據滯后，跟不上建設需要，相對而言比較適合宏觀的、基礎性業務，如國家基本地理信息數據庫的更新這類任務。有些區域，如青藏高原、遠海島礁，缺乏機場等基礎設施支持，傳統測繪手段無法很好地獲取到必要信息，人員難以到達，測繪成本高，作業風險極大；衛星觀測則往往受限于拍攝軌道、角度以及云朵（地球上空70%被云朵覆蓋）阻隔，目前的遙感衛星大約需要兩年半的時間才能夠覆蓋全國一次，且得到結果的分辨率較低，精度不足。輕小型無人機不依賴機場起降，飛行過程靈活，且能夠快速反應，適應高海拔等困難地區作業需要。此外，像遠海島礁這類船只無法靠岸、人也無法登陸的敏感區域，無人機也是最好的測繪選擇。

航測無人機的發展史

第一代航測無人機

我國航測無人機的研究最早可以追溯到20世紀90年代初，最初的航測無人機是在航模基礎上改造而來，被業內人士稱作是第一代航測無人機，如中國測繪科學研究院的MARS-1微型航空遙感系統。但是，這種無人機存在著這樣幾個問題：一是沒有自動駕駛儀，需要人工依靠電視圖像和地圖地物標記導航；二是攜帶的相機是膠片式相機，后處理不靈活。從實際應用來看，這一代無人機是可以完成部分科研實驗性的航測任務，但總體而言是“不好用”的。因此，第一代的產品最終沒有進一步推廣。但是這一代航測無人機的出現開拓了航測無人機的應用模式，推出了航測無人機的基本構型和設想，給未來的研究打下了技術基礎。

第二代航測無人機

進入21世紀后，數碼相機技術進步神速，我國的自動駕駛儀技術也得到長足發展，第二代無人機應運而生。2005年前后，航測無人機開始興起，最開始還是試驗階段，后來逐漸投入應用，完成了一系列測繪工作，任務效果與市場反響都不錯。2008年，汶川地震毀壞了很多設施，其他遙感手段很難準確、快速獲取災區信息，無人機在應急救援過程中扮演了至關重要的角色。報道災情、救災現狀等任務效果最好的就是航測無人機。救援人員分析由無人機拍攝照片拼成的完整受災現場圖片，精確地了解了受災人口、受災面積，確定危險區域，在災后重建時無人機也可以很好地明確重建工作以及賑災物資。因此，政府官員與老百姓非常直觀地認識到無人機非常適合應急救援任務中的災情調查，評估，應急決策服務，災后重建等工作。

2009年國家測繪地理信息局決策制定年度計劃，將裝備無人機作為重要任務之一，希望利用無人機增強應急測繪能力，改善以往應急測繪滯后性的問題。國家測繪地理信息局也成為了我國民口部委中第一個批量裝備無人機的行業管理部門，也是第一個以官方名義倡導開啟無人機業務運行項目行業部門，一度占據全國民用專業無人機裝備總數量的近50%，成為國內首屈一指的專業無人機大用戶。

第三代航測無人機

上述第二代航測無人機依靠數碼相機和簡單的自動駕駛儀可以完成簡單航測任務。2010年之后，當這一批無人機裝備到各單位運營之后產生了一批應用，逐步為社會和國家管理部門認可，數量開始大規模增長，大量無人機公司涌現，2015年統計達到3000架數量（摘自科學出版社《輕小型無人機發展報告》），無人機航測相關研究機構需要研究更高新技術來提升無人機航測應用效率和精度，中國測繪科學研究院和中測新圖（北京）遙感技術有限責任公司（簡稱“中測新圖”）著手對航測無人機進行升級換代，新一代航測無人機出現。第三代無人機向更專業級方向發展，強調快速監測與快速反應，追求高精度，向大飛機遙感系統技術靠攏，不再使用改造的民用數碼相機，而是配備高精度專業測量相機。此外，還要升級復雜的自動控制系統、圖像傳輸系統以及集成圖像處理軟件，與專業工作車、生活保障車、指揮車、衛通、聯網設備一體化集成，形成全流程任務調度、指揮控制、數據流轉、遠程會商、信息分析服務、輔助決策等互聯互通，信息化智能化工作模式。

在此背景之下，中國測繪科學研究院中測新圖推出了長航時民用無人機，可以持續飛行30h，飛過了釣魚島與西沙群島部分島礁等，參與了抓捕糯康跨境反恐禁毒行動。研究院的一些小型無人機還航測了青藏高原地區的30余座縣城，測制了填補空白的大比例尺地形圖。這一代航測無人機不再是航模改型概念了，已經正式邁入了專業無人機行列。

第四代航測無人機

2017年以來，國家希望進一步發展無人機，升級無人機應急服務能力，包括像軍用遙感無人機技術看齊，如戰略/戰術無人機將具有強大的測繪與圖像傳輸能力，可以獲取國內任意地區的數據，在突發事件和災害發生時，可以調用這種飛機與輕小型民用測繪無人機搭配組網運行。目前，國家發改委已經立項大力發展這類無人機應急航空體系能力，采購專業級無人機，進行規模化裝備，滿足應急、測繪、工程建設等地形圖生產更新需求。

中國測繪科學研究院中測新圖也在發展用于對地觀測的新一代無人機，保證續航時間達到6～7h，任務載重20kg，能夠攜帶大面陣航測相機、慣性測量單元（IMU）、穩定云臺、光電吊艙等多個傳感器與200km遠程通信鏈路。此外，也在研究無人機空管技術，希望能夠形成無人機遙感網，建立優于0.2m精度的高分辨率、覆蓋全國的影像數據庫，構建厘米級甚至毫米級精度的數字中國。

航測無人機的關鍵技術

從當前的測繪與災害應急等行業需求來看，航測任務對無人機平臺本身要求并不高，不需要高精尖飛行性能，經濟適用足矣。任務過程需要保證平臺飛行姿態四平八穩，具備最基本的可靠性和續航能力，適應特定的地理環境。對于航測無人機而言，最關鍵的技術還是測量相機等測繪傳感器技術和自動駕駛儀多任務控制技術。此外，還有圖像傳輸技術、稀少無控制測圖技術、傾斜攝影建模技術、快速和高精度數據處理軟件技術等。

測繪傳感器

由于任務要求，航測無人機需要具有高精度的對地觀測能力，用于地理觀測的高精度測量相機是非常重要的。過去的遙感測繪精度都在幾米甚至幾十米級別，亞米級別已經屬于很高的質量。未來，測繪相機精度將向分米級甚至厘米級發展，這不是遙不可及的夢想，因為目前已經出現精度達到1～2cm的測繪成果。當對地觀測精度達到厘米級后，信息量將變得非常豐富，觀測人員可以實現區域完整覆蓋，可以精確地觀察到包括門牌號、社區布局、公共設施等在內的各類細節，類似城市全息成像，觀測者還可以在所有感興趣的點上標注。此外，測繪相機也會向立體建模方向發展，可以讓城市所有建筑都“立起來”，以上這些是航測無人機的日間任務。在夜間，無人機可以利用激光雷達（LiDAR）與迷你合成孔徑雷達（SAR）應急光電吊艙等完成對地觀測任務，得到的圖像分辨率也達到了分米級。隨著國產相關技術進步，我國航測無人機將會實現晝夜不間斷的對地觀測。

自動駕駛儀

自動駕駛儀對于無人機而言是至關重要的，隨著傳感器種類的增加，自動駕駛儀需要很好地控制不同傳感器，保證任務完成。對于航測無人機，為了更好地適應使用環境，自駕儀還需要控制無人機進行垂直起降和固定翼飛行模式切換等。當發生特殊情況，如信號喪失、器件故障等，自駕儀也需要具備一定的容錯能力，控制無人機原地盤旋、迫降或返航安全保護措施。另外，在組網運行條件下，具備多任務上傳與切換功能，具備空管控制協調機制。

圖像傳輸技術

圖像傳輸技術也是航測無人機重要技術之一。在應急救援中，航測無人機實時面臨著各式各樣的風險，地面人員需要無人機能夠將采集的圖像數據及時傳輸回來進行后續處理，高效的圖像傳輸可以顯著提高任務效率。此外，萬一無人機在任務過程損失了，但是只要數據傳送回來，任務依然是成功的。目前，航測無人機應用了部分類似軍用數據鏈路，如C波段、L波段等鏈路，允許信號指令和遙感數據的備份多路傳輸，一方面直接從無人機傳輸至地面站，另一方面可以經過衛星再傳輸到后方省一級或者國家一級指揮控制大廳等。

稀少無控制測圖技術

稀少無控制測圖技術通常用在測繪人員無法到達的區域，如沙漠戈壁、高原、原始森林、沿海島礁，利用該技術可以得到具有一定精度的地形圖，精度可以達到1～2m的級別。為了實現稀少無控制測圖，無人機除了正常測繪掃描式航線外，還會飛一些橫向交叉航線，也叫構架航線，用于改善定位精度。與此同時，在拍攝照片時，還會通過北斗或GPS確定拍攝位置，并利用慣導確定無人機姿態，最后，空中三角測量計算軟件一并對這幾種手段得到的數據進行聯合計算得到最終的成果圖。此外，目前已經具備一些獨特功能，例如在水域比較清澈時，采用遙感水深反演和雙介質水深測量綜合測量技術還可以得到50m處的水下地形。

傾斜攝影技術

傾斜攝影技術是國際測繪領域近些年發展起來的一項高新技術，它顛覆了以往正射影像只從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多鏡頭立體傳感器，同時從多個不同的角度采集影像。當前，很多無人機都可以攜帶3頭甚至5頭相機，利用傾斜攝影對城鎮建筑物進行三維建模，達到厘米級分辨率，換句話說，相當于對城市進行了一次三維全息照相，人們可以提取所有感興趣的信息。這一發展趨勢目前來看非常明顯，結合地面一些采集手段彌補一些遮擋地區，可以對未來進行展望，將來人們是可以立體三維化地球上任一城市的任何一個角落，將整個地球搬進辦公室電腦，實現智慧社區、智慧城市、智慧中國乃至智慧地球。

存在的問題

丁曉波研究員認為，當前有可能制約航測無人機乃至整個民用無人機市場發展的問題主要有兩個，一個是無人機監管政策問題，另一個是市場沒有很好地整合研發資源，重復建設太多。

無人機監管制定

民用無人機的大發展也給我國無人機空域管理方面帶來了一定的混亂，肆意亂飛的無人機影響人們生活生產安全，增大反恐壓力，擾亂空中秩序。

現行的空管體制對無人機監管是不太有效的，雖然有相關技術監管，但是仍然很難防住無人機亂飛、黑飛。無人機管理是一個跨部門、跨行業問題，無人機既屬于航空器，又涉及材料、機械電子等多學科，還在測繪、災害應急、植保、物流、影視文化等多個行業都有應用，還可以是個人玩具。目前仍然沒有一家政府單位能對無人機的監管完全說了算。從管理者方面考慮，軍隊有管理制度，民航有管理制度，工信部對電子裝備、對無線電也有一套管理制度，測繪局從事測繪任務時需要資質管理，公安等執法部門使用時需要管理，科技研究、試驗與教育教學也需要管理，這些都造成了目前無人機管理辦法很難出臺。

盡管如此，相關機構也在努力探尋合理的、有利于無人機發展的管理辦法。但是這并不是一件容易的事情。國家空管委管理所有空域，軍用無人機自成體系很好管理，而民用無人機出現多重跨界，造成了無法以一個部門一套管理辦法完全適用，如果倉促出臺一刀切的管理政策，將會危害民用無人機行業領域應用的發展。比如為了安全，目前所有無人機飛行都必須要申報，這會造成新的問題：如果像大飛機一樣進行申報，周期會很長，對于普通遙感測繪任務還好，對于應急救援這類快速反應任務進行申報走流程是絕對來不及的，這將喪失無人機本來具有的機動靈活與快速反應技術優勢，喪失低成本的經濟優勢。

從未來發展來看，成立或授權一個綜合管理民用無人機的機構統一管理，再或者對無人機進行科學的分級分類研究并分別管理，這是比較適應當前民用無人機應用發展趨勢的舉措。當前，人們在劃分無人機界線上有著很大的爭議，大型無人機爭議比較小，因為這類無人機和國家相關政策、空管技術是兼容的，難就難在輕小型無人機的劃分。有的人主張116kg以下就算輕小型無人機，這一級別無人機數量可觀，也可以帶來很大的經濟價值。相關人員正在研究無人機分級分類體系，希望能夠分級分類管理，但是仍然要避免多部門混合管理的現象出現，如九龍治水那般，這會給行業應用和經濟產值帶來沉重打擊。

我國的北斗技術可以將接收的無人機位置信息發送到地面站，或者發送到后方指揮大廳，從而完全實現無人機在全國空域內的無障礙監管。目前漁船大多都是裝備北斗導航與通信模塊的，海事管理部門與漁業部門可以實時監控到各漁船情況，當漁船出現問題時也可以隨時發送求救信號告知相關部門，非常有效。此外，把這項技術應用于無人機空管，除了管理政策，沒有任何技術難度。

我國空管部門采用的是全國雷達聯網技術體系，無人機的“低、慢、小”特點以及采用大量非金屬材料造成雷達探測困難，給空管部門監控帶來了極大困難。部隊由于其特殊性，自成體系，標準會有所不同。當前我國民航標準采用國際通用標準的，每更改一部分都非常困難，民航采用的是空管雷達和廣播式自動相關監視（ADS-B），也沒有利用北斗技術。無論是軍隊空管還是民航空管體系，目前都不利于輕小型無人機管控。丁曉波認為，將北斗技術融入到空管體制內將是十分有意義的突破，不僅因為北斗是國產技術，擁有完整的自主權，還因為可以根據需要隨時加密。一旦該技術在管理部門得以全面鋪開，無人機將和手機一樣，實時處于信號網絡內，只要無人機處于北斗短報文信號覆蓋的區域內，監管人員都可以進行監管。另外，移動通信數據傳輸技術及網絡、天通衛星等資源，都是可以充分利用的監管無人機的技術手段。哪怕是玩具無人機也可以有效管理。那時，真正的黑飛就容易被剝離，嚴格禁止，通過法律嚴厲打擊制裁。

市場資源分配

目前，民用市場上包括風投資金在內的大量資金都注入到了無人機的硬件研發，沒有真正從無人機應用上出發。無人機的應用才能真正產生價值的，無論是社會效益還是經濟效益，目前國內無人機應用水平居于國際領先地位，有著廣闊的投資市場。但是，相比于研發投入較低，產量巨大的消費類無人機，擁有高精尖技術的研究單位更應該、更希望研發能夠代表國家水平的高端無人機和專業無人機。丁曉波認為，對于普通老百姓而言，小型無人機這種能改善生活、能“干事”的工具才是最重要的，互聯網會迅速推高消費級無人機應用。雖然每一件事產生的價值很小，但是積累起來后所具有的產業價值將是非常可觀的。而對行業應用，就需要科學決策，每個行業都需要有一個牽頭者能夠從應用層面推動無人機發展，使整個行業合理合法的運轉，滿足業務化需要，充分利用專業無人機解決工作中的實際問題，提升行業生產效率，提高信息化，智能化水平。

消費級無人機有其市場保有量，終歸是會飽和的，但是行業應用卻是沒有天花板的，是有無限發展空間的，且可以帶來巨大的經濟價值。在丁曉波看來，當前市場過分追求產品外觀和個別不實用的技術噱頭，實際上目前國內無人機技術短板仍然在發動機上，與國外先進水平相比有不小的差距，部分傳感器，主要在成像器件上也依然依賴于國外技術。未來，無人機的發展應該由行業應用來驅動，補齊技術上的短板，形成包括大、中、小型號在內的完整無人機技術體系。

丁曉波希望相關機構能夠統一思想，整合多種技術，建立更新完善空管制度和技術體系，讓輕小型無人機在相對集中的監管環境下管理，順暢開展專業應用服務，服務國民經濟建設和社會發展，只有這樣才能更有利于我國民用無人機未來發展，21世紀才能真正成為無人機世紀。