遙感無人機：“小精靈” 大用處

　　作者：肖 青（中國科學院空天信息創新研究院研究員）

　　近年來，搭載照相設備等任務載荷、由飛手遙控或利用飛控系統自主控制飛行的無人機平臺，在測繪、減災應急等遙感應用領域日益發揮重要作用，成為遙感傢族的新成員。無人機因其小巧機動、低空飛行、時空分辨率高、載荷配置多樣靈活等特點，被稱為遙感傢族的“小精靈”。但，這個“小精靈”卻有大用處！

　　照片為無人機攝影。張銀杏攝/光明圖片

　　1 百年研發史，應用如火如荼

　　無人機，通常引用的英文名稱為Unmanned Aerial Vehicle（UAV）。一般是指由動力驅動、不搭載操作人員的一種空中飛行器，采用空氣動力為飛行器提供所需的升力，能夠自主或遙控飛行，既能一次性使用也能進行回收，能夠攜帶殺傷性或非殺傷性任務載荷，如拍照、撒播藥物、播放聲音等。

　　無人機不是一個新鮮事物，其發展已歷經百年。1917年，英國皇傢航空研究院初步將空氣動力學、輕型發動機和無線電三者結合起來，研制出瞭世界上第一架無人駕駛飛機。同年12月，美國發明傢埃爾默·斯佩使用自己發明的陀螺儀和美國西部電氣公司開發的無線電控制系統完成瞭“空中魚雷”的首飛。一開始，無人機主要應用在軍事領域。進入21世紀後，隨著現代電子、精密機械、導航定位和遙感器等相關技術的快速發展，無人機在民用領域的應用越來越廣泛，並形成產業。

　　河道污水排放無人機監測獲取的圖像。姚延娟攝/光明圖片

　　無人機可以按使用功能、氣動佈局、動力類型、大小重量、飛行速度、活動半徑、飛行高度等方法進行分類。

　　按使用功能劃分，無人機可分為軍用無人機、民用無人機和消費無人機。軍用無人機又可分為偵察無人機、電子對抗無人機、通信中繼無人機、攻擊無人機及無人靶機等類型；民用無人機可分為各種用途的巡查、監視、測繪和探測無人機以及農用無人機等；消費無人機主要用於個人航拍、遊戲等休閑用途。

　　按氣動佈局劃分，無人機可分為固定翼類無人機、旋翼類無人機、撲翼無人機和復合式佈局等類型。固定翼類無人機飛行時靠動力裝置產生前進的推力或者拉力，產生升力的主翼面相對於機身固定不變，主要有常規佈局、鴨式佈局、無尾或飛翼佈局、三翼面等形式；旋翼類無人機產生升力的旋翼槳葉在飛行時相對於機身是旋轉運動的，又可分為無人直升機、多旋翼無人機和無人旋翼機，前兩種形式的無人機旋翼由動力裝置直接驅動，可垂直起降和懸停，無人旋翼機的旋翼則是無動力驅動；撲翼類無人機靠機翼像小鳥的翅膀一樣上下撲動來獲取升力和動力，適合於小型和微型的無人機；復合式佈局無人機由基本類型組合而成，主要包括傾轉旋翼無人機和旋翼/固定翼無人機等。

　　按照動力類型，無人機主要分為油動力無人機和電動力無人機兩種，近幾年也有以太陽能和氫燃料電池作為核心動力的無人機不斷被研發出來。

　　按大小重量劃分，無人機可分為微型無人機、輕小型無人機、小型無人機、中型無人機和大型無人機。微型無人機重量一般小於1千克，尺寸在15厘米以內。輕小型無人機重量一般在1～7千克之間，小型重量一般在1～200千克之間，中型無人機重量一般在200～500千克。

　　現在，無人機也成瞭很多小朋友、大朋友的玩具“新寵”——消費級無人機一般采用成本較低的多旋翼平臺，主要用於航拍、遊戲等休閑用途。國內消費級無人機市場的爆發在2012年左右。在此之前，無人機主要應用於工業領域，消費級市場主要是一些航模愛好者、發燒友等。目前，我國無人機產業發展呈現“井噴”態勢，除航空、航天相關的科研機構和高校外，眾多民營企業紛紛加入研發行列中，民用無人機的研發和應用可謂如火如荼，我國無人機在消費娛樂等領域的應用已經走在世界前列。

　　2 遙感新平臺，盡顯獨特優勢

　　發展迅速的無人機目前已成為一種新興的遙感平臺，在搭載各種遙感器後，被廣泛應用於國土航測、農林植保、大氣探測、災害救援、國防安全等領域。

　　無人機遙感具備超高分辨率、高頻次獲取能力，可以與衛星遙感形成能力互補。相比於有人機遙感，又具有較高的性價比和機動性。無人機遙感具備的實時觀測能力，是目前衛星遙感觀測平臺很難實現的。

　　河道污水排放無人機監測獲取的圖像。姚延娟攝/光明圖片

　　衛星遙感可以提供亞米級別的影像，但是分辨率越高，衛星重訪周期越大。無人機影像可以很容易地提供厘米甚至更高分辨率的地面信息，且不存在高空間分辨率和時間分辨率的矛盾，在低成本的基礎上實現瞭空間和時間的辯證統一。可以說，無人機遙感的出現及快速發展，使遙感科學研究從宏觀向微觀前進瞭一大步。相較於衛星平臺的高成本和集中管理，無人機平臺讓遙感數據獲取進入大眾化時代，真正實現to C （使用者）的遙感應用。

　　由於無人機遙感的獨特優勢，過去很多基於衛星數據應用效果不佳或者無法實現的領域，目前都可以利用無人機遙感手段很好地實施。例如，利用無人機高光譜遙感可以進行地表物種分類和識別，通過無人機高光譜數據發現並識別外來物種入侵等，為生態環境保護提供數據支持。又如，無人機遙感為極端環境采樣和數據獲取提供瞭便利條件，為很多研究提供瞭第一手的數據，助力多個新的科學發現。2010年以來，美國國傢航空航天局使用高空長航時無人機“全球鷹”（GlobalHawk）對大西洋5個颶風的路徑監測取得成功後，協助構建瞭臺風精細結構體系。2017年，多國研究團隊曾利用安裝相機和其他傳感器的無人機來拍攝危地馬拉火地島火山的噴發畫面，測量相關數據，並對動態過程進行建模。

　　特別值得一說的是，無人機遙感在災害遙感監測中發揮瞭關鍵作用。在近些年的重大自然災害應急事件中，都能看到無人機的身影：2008年汶川地震災後救援中，無人機遙感技術投入使用；之後的重大自然災害，如四川茂縣滑坡、大連泄油事件、天津港重大危化品爆炸事故等應急救災中，無人機都發揮瞭重要作用。

　　在行業應用領域，油氣、輸電、光伏電場基礎設施的無人機巡檢已實現常態化。在一些政府部門，無人機正被逐步納入業務體系，如環保部門利用無人機開展河流排污口排查整治。高頻次、迅捷響應的無人機平臺和厘米級的無人機圖像，有力支持瞭環保相關業務部門常規作業的日常化運行。

　　3 “遙感＋”應用，拓展服務領域

　　由於方便靈活，大眾參與度高，無人機創新活躍度也很高，發展迅猛。無人機遙感和其他相關技術領域的深度結合，呈現出大量拓展性的應用，被稱為無人機的“遙感＋”應用。例如，在“遙感＋數據”的實時傳輸方面，無人機遙感對軍事、應急減災救援等非常重要，許多國土安全監測與災害救援行動依靠無人機遙感與實時傳輸提供及時信息以進行決策。

　　在“遙感＋即時定位與地圖構建技術（SLAM）”方面，無人機與SLAM的結合使得無人機的導航和避障得到增強，在無人機智能化數據獲取與自主飛行上具有重要應用前景。

　　在“遙感＋決策和執行技術”方面，實現“無人機遙感＋識別＋任務規劃＋執行任務”一體化完成。例如，無人機遙感可以實現田野農情遙感監測，形成病蟲害處方圖，規劃合理航線，執行精準農藥噴灑，將靜態遙感觀測與實時決策和執行融為一體。

　　在“遙感＋低空航路規劃”方面，當前無人機多樣化應用需求主要在低空，“低、慢、小”無人機絕大部分集中在低於500米的近地面空域，而這個空域地表變化多樣、情況復雜，飛行安全和效率問題突出，故低空航路特別是城鎮化地區無人機低空公共航路，需要精細化規劃。通過傳統統計渠道獲取數據效率低下，而利用城鎮地區高清高動態無人機遙感數據服務低空航路規劃構建成為研究前沿，我國在這方面已率先開展積極探索。

　　在“遙感＋區域組網”方面，盡管無人機遙感能力很強、空間分辨率高，但覆蓋區域小，難以滿足大區域應用對無人機遙感的需求，必須通過無人機組網遙感的方式發揮聚合作用。比如，通過一定的組織模式和技術體系，把全國分佈式的無人機遙感資源規劃部署起來，構建大區域、高頻次、迅捷響應的厘米分辨率及遙感監測體系，從而完成大面積的測量任務。

　　總的說來，無人機的應用與發展已經形成瞭全領域應用的態勢，在應用需求的強力牽引和新技術發展的有力支持下，無人機的發展未來可期。