基于專利視角的新一代大幅面高精度航空測繪系統(tǒng)發(fā)展趨勢研究

石煜攀 朱曉昕 朱曉杰 劉秀 張昕

隨著航空攝影測試技術的發(fā)展，航空測繪相機逐漸發(fā)展為兩個分支：其一為以搭載在無人機上的輕小型航測相機系統(tǒng)為主流方向，充分發(fā)揮了靈活機動、適應低空拍攝、應用限制小的特點。另一分支是以高分辨率、大幅面為主要特點的高端航空測繪相機，其能夠實現(xiàn)高精度、高效率、高質量的“三高”航空攝影。本文以大幅面高精度航空測繪系統(tǒng)關鍵技術成像模式、測繪相機檢校、光機結構技術、數(shù)據鏈路、圖像處理為主要切入點，通過專利視角對技術發(fā)展方向、技術保護布局及發(fā)展前景等進行研判分析，為我國航空測繪技術的進一步高速發(fā)展提供借鑒和參考。

1.國內外技術發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1專利申請趨勢分析

航空測繪相機的相關專利申請從20世紀20年代開始出現(xiàn)，經歷了萌芽期（1908-1990年）、發(fā)展期（1991-2010年）和快速發(fā)展期（2010年至今）。在萌芽期，年專利申請量不超過6件，Leica是這方面的先驅，之后隨著膠片的廣泛應用，膠片型航空測繪相機也隨之流行開來。隨著技術的不斷進步，CCD （charge coupled device）技術給航空測繪相機發(fā)展帶來了巨大的機遇，在70年代，德國公司DASA創(chuàng)造了世界上第一臺CCD成像系統(tǒng)EOS，CCD作為航空測繪相機成像介質，在當時得到了長足的發(fā)展，在80年代后期，線陣CCD的出現(xiàn)為數(shù)字航空測繪相機的發(fā)展提供了技術支撐。

在發(fā)展期，專利申請開始增長，以美國為代表的世界各國在航空測繪方面投入了大量的資金和研發(fā)力量，制定了長期的發(fā)展計劃，取得了重大的技術進步。90年代中葉數(shù)字航空攝影相機DPA（digital photogrammetry assembly）問世，引起了轟動。DPA的探測器由六條FairChild公司生產的10μm線陣CCD組成，像元12K，80mm焦距，采用三線陣機制實現(xiàn)多光譜和立體測繪功能，實現(xiàn)對大比例尺的測繪需求。從2010年后，隨著中國專利申請的增加，技術呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。成像模式、測繪相機檢校、光機結構技術、數(shù)據鏈路、圖像處理等技術分支的專利申請整體都呈增長趨勢。其中，成像模式技術一直以來都是測繪相機技術的研究焦點，近十年的專利申請量達上千件（圖1）。

航空攝影測量從模擬測量逐步發(fā)展到數(shù)字測量，從原來的膠片式相機已經逐漸轉變?yōu)閿?shù)字相機。2000年以來，在國際上陸續(xù)出現(xiàn)并不同程度投入使用的大幅面高分辨率成像測繪相機，隨著技術進步和發(fā)展，面陣型測繪相機幅面越來越大、測繪精度越來越高。以UltraCam系列相機和DMC系列相機為代表的國外高端航測相機，分別代表了拼接式相機和單一大幅面相機的領先水平。在國內領域，SWDC-4測繪相機也是采用外視場拼接的典型產品，在國內應用較廣泛，但其核心部組件如鏡頭、相機后背等仍以國外成熟產品為主。

1.2專利申請區(qū)域分析

航空測繪相機的專利申請主要來自中國、美國、韓國、日本，這幾個國家總的申請量占總申請量的78%。其中，中國的專利申請最多達到1262件，占總申請量的54%；美國排名第二，共申請了286件專利申請，占總申請量的13%；韓國排名第三，共申請了168件專利申請，占總申請量的8%。日本，歐洲、德國和俄羅斯等也有部分專利申請（圖2）。

美國的專利申請出現(xiàn)最早，從20世紀20年代就開始出現(xiàn)，雖然美國的專利申請總量不多，但基礎專利較多，是航空測繪技術整體實力最強的國家。日本的專利申請從20世紀80年代開始出現(xiàn)，近兩年來日本株式會社公司申請了較多的關于航拍路線數(shù)據采集的專利。中國的專利申請出現(xiàn)較晚，第一件專利申請是關于航空攝影機電子激光測速儀，一種檢定航空攝影機光學系統(tǒng)特性和成像質量的設備。從2008年開始，專利申請快速增長，一方面是由于我國近年來加大了對航空測繪技術的投入，產生了一定的技術成果，另一方面是由于在國家知識產權戰(zhàn)略的驅動下，中國企業(yè)的知識產權意識在增強（圖3）。

1.3 典型重點專利解讀

本項目對檢索到的相關專利申請，以專利申請人、同族專利、被引證信息、公開日期、政府資助專利情況等為重要參考指標，逐件閱讀發(fā)明創(chuàng)造內容，最終確定重點專利技術100余件。本文共選取8件典型專利進行分析（表1），這些專利對新一代大幅面高精度航空測繪系統(tǒng)發(fā)展趨勢技術研發(fā)、技術路線和發(fā)展趨勢研判具有重要參考作用。

公開號為US20090268983A1的美國專利涉及多相機拼接的圖像處理方式，每個相機具有光軸與其他相機鏡頭的光軸平行排列的鏡頭，以及具有一個或多個非相鄰像素化傳感器的數(shù)字圖像傳感器陣列。由一組傳感器成像的部分完全填充在由其他傳感器組成像的其他部分之間找到的圖像間隙，從而可以產生目標區(qū)域的無縫鑲嵌圖像。

公開號為TWI383666的中國臺灣專利為多重鏡頭相機系統(tǒng)之先進式動態(tài)接圖方法，主要解決針對存在于多重鏡頭相機系統(tǒng)中的視差（parallax）現(xiàn)象，接圖點隨著物體距離而變化的問題，降低傳統(tǒng)找尋接圖點的區(qū)塊比對方法所需要的高運算能力，可動態(tài)地調整接圖點。

公開號為US6694064的美國專利涉及一種用于對齊多個數(shù)字圖像以形成馬賽克圖像的計算機實現(xiàn)的方法和系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于計算和應用幾何變換來對齊圖像，從而形成無縫拼接。

公開號為EP0466979的德國專利涉及相機檢校技術，用位置測量系統(tǒng)、光柵相機和光柵相機的處理裝置在照明光線路徑中使用移動針孔光闌進行共焦和同時圖像生成，同步讀出針孔膜片的像素，該專利申請人為Leica，申請時間較早，但仍具有一定的參考價值。

公開號為US9313411B2的美國專利涉及一種相機的失真校正裝置和校正方法，通過重新映射畸變圖像的像素來執(zhí)行畸變圖像的電子變焦和畸變校正。按照一個指定的電子變焦倍率，重映射控制單元控制重新映射由電子變焦和變形校正處理部，使得所述失真的校正因子除了電子變焦處理的電子變焦因子之外，校正處理被改變。公開號為US9940717B2的美國專利也屬于校驗技術，涉及一種幾何相機自我校準質量評估的方法和系統(tǒng)，具有代表性。

公開號為US20210350618A1的美國專利為光機技術領域，涉及一種使用飛行器改進空中測繪的系統(tǒng)和方法，為與感興趣區(qū)域的空中掃描相關聯(lián)的UAV的UAV任務生成一組任務參數(shù)；控制無人機執(zhí)行任務；生成與任務相對應的圖像子組件；在顯示器處呈現(xiàn)圖像子組件。

公開號為JP2005252804A的日本專利涉及圖像處理技術，通過使用多個投影儀，在相鄰投影圖像具有重疊區(qū)域的狀態(tài)下，能夠在執(zhí)行平鋪投影中適當?shù)仄ヅ渲丿B區(qū)域。

上述幾個專利是重點專利的典型代表，通過所有重點專利的標引分析研究，現(xiàn)階段國內外大幅面航空測繪領域的主要知識產權布局包括以下幾個方面：相機/焦面組合構建大幅面拼接式相機的模式；拼接式/組合式相機的安裝及測試裝置；相機控制及環(huán)控技術；基于監(jiān)測和圖像處理方式實現(xiàn)的高精度影像拼接技術；針對相機特殊結構的仿真測試和檢校環(huán)境搭建等。測繪系統(tǒng)的成像方式包括線陣、面陣、線面結合等方式，視場擴展拼接包含內視場、外視場、混合拼接等，測繪星際系統(tǒng)技術復雜度高，難度大，技術涵蓋總體、光、機、電、熱、算法等各個方面，美國、德國、日本等技術領先。

2我國新一代大幅面高精度航空測繪系統(tǒng)發(fā)展趨勢與對策建議研究

2.1推動大幅面航空測繪相機技術產業(yè)化發(fā)展

高端航測系統(tǒng)是地理信心產業(yè)鏈中的高精尖設備，是國家遙感技術進步的重要體現(xiàn)，市場上對于高分辨率航空相機的需求處于上升的狀態(tài)。目前，我國相關單位研制的超大幅面航空測繪相機能夠獲得畫幅9億像素級大幅面面陣圖像數(shù)據，具有高分辨率、大基高比、大視場角等特點。但整體上，我國相關技術與國外相比仍有較大差距，對于市場競爭優(yōu)勢的產品和技術專利布局還不夠，對于相關技術的產業(yè)化研制能力考慮不足。要基于產業(yè)化發(fā)展的思路，完善大幅面航空測繪相機的關鍵技術，實現(xiàn)體系化的知識產權保護布局。

2.2開展針對性大幅面航空測繪相機關鍵技術攻關

隨著測繪地理信息發(fā)展進入了全面構建數(shù)字中國的關鍵期，測繪產品需求的旺盛期、地理信息產業(yè)發(fā)展的機遇期，航空測繪市場發(fā)展正處于大有作為、能夠作為的黃金戰(zhàn)略機遇期，要求盡快圍繞大幅面航空測繪相機關鍵技術難題，開展靈活、有針對性的研發(fā)攻關。現(xiàn)有研究主要集中于大幅面航空測繪相機理論研究和試驗驗證，距離產品化、產業(yè)化還有諸多關鍵技術需要攻關，如內外視場混合拼接技術、相機控制和控溫環(huán)節(jié)中的技術瓶頸等。

2.3加強國內創(chuàng)新主體的產學研合作

通過專利分析發(fā)現(xiàn)，美國、日本等發(fā)達國家創(chuàng)新主體開展航空測繪相機研究較早，在全球專利布局方面深耕多年，形成了一些基礎專利，具有穩(wěn)固的先發(fā)優(yōu)勢，且有些創(chuàng)新主體之間存在合作關系。我國各創(chuàng)新主體之間研究相對獨立，雖然近年來專利申請量增加明顯，但技術整體實力還不夠，建議創(chuàng)新主體圍繞技術研發(fā)需求，在自主創(chuàng)新渠道之外，在國內靈活采取專利技術合作研發(fā)、專利收購、專利轉讓和許可等多種技術交易和運營策略，構建完善的產學研合作網絡。

2.4加強產業(yè)化發(fā)展的專利布局

總體上，我國的大幅面航空測繪相機專利布局處于理論研究和試驗驗證階段的多，市場化特征不鮮明。隨著大幅面航空測繪相機的產業(yè)化發(fā)展，各單位要繼續(xù)完善在大幅面航空測繪相機技術領域的專利布局。根據自身研發(fā)情況，結合同領域內現(xiàn)有專利申請情況，選擇重點領域，有序開展專利布局，建議基于產業(yè)化發(fā)展關鍵技術圖譜和發(fā)展規(guī)劃，根據不同技術的創(chuàng)新方向或是技術方案，進行具體的布局策略和挖掘方法，形成具有自主知識產權的大幅面高精度航空測繪產品。

（作者單位：石煜攀，朱曉昕，朱曉杰，劉秀，北京空間機電研究所；張昕，航天東方紅衛(wèi)星有限公司）