地学快讯 | 《地球信息科学学报》无人机遥感与组网专辑推介

专辑导言

无人机航空遥感具有机动灵活、数据获取周期短、成本低、可以全天时观测等特点，已在各行业中得到广泛应用。我刊邀请廖小罕研究员、晏磊教授和万志强教授担任特约主编，以“无人机遥感与组网”为主题，组织了2019年第4期专辑，部分论文来自国家重点研发计划项目“高频次迅捷无人航空器区域组网遥感观测技术”的研究成果。

专辑内容分为中国遥感无人机发展历程、高精度无人机遥感影像评价及处理、无人机组网以及平台建设。

《地球信息科学学报》编辑部

 特邀主编介绍

廖小罕，中国科学院地理科学与资源研究所党委书记、副所长，二级研究员，博士生导师。2011-2016年担任国家遥感中心主任，中国GEO组织秘书处主任。参与负责过伽利略卫星导航系统、平方公里阵列射电望远镜等国际合作项目和系列遥感卫星及载荷型号立项规划论证。主持国家遥感中心全国无人机遥感网总体设计。兼任中国科学院无人机应用与管控研究中心主任，中国地理信息产业协会监事长兼无人机应用与管控工委会主任。

晏磊，北京大学地球与空间科学学院遥感所教授，博士生导师，空间信息集成与3S工程应用北京市重点实验室主任，中国感光学会副理事长，中国测绘学会摄影测量与遥感专业委员会副主任，IEEE高级会员。长期从事高分辨率成像与遥感定标、偏振与无人机仿生遥感、时空信息反馈控制与仿生导航等领域的研究。

万志强，北京航空航天大学飞行器设计专业教授，博士生导师。中国力学学会流固耦合专业委员会副主任。美国航空航天学会AIAA Associate Fellow，AIAA自适应结构技术专业委员会委员。主要研究领域为飞行器气动弹性、飞行器总体设计、飞行器结构设计，研究对象包括固定翼飞机、微小型飞行器等。

中国无人机遥感技术突破与产业发展综述

晏  磊，廖小罕，周成虎，等

摘要：首先，以国内外无人机遥感发展现状为背景，重点概述了中国无人机遥感21 世纪以来“十五”到“十三五”所获得的具有代表性的国家支持与推动的发展历程，阐述了无人机遥感定标场，航空航天定标场的建立以及应用验证，包括无人机遥感系统的载荷与系统技术发展；然后，进一步阐述了以遥感定标场、地物参量引导载荷性能、系统模型为代表的中国无人机遥感的相关技术跨越；接着，概略介绍了无人机遥感在国防反恐安全以及跨国应急救援，国土测绘与海洋岛礁测绘应用，地质灾害应用以及国家应急救援等领域的产业应用；最后，介绍了中国在无人航空遥感领域展开的跨越性的工作，包括组网智能控制、精度和实时性度量基础、载荷平台自组织冗余容错、遥感大数据云处理技术和无人机遥感组网实用化等内容。未来无人机遥感发展的总体目标是建立起具备迅捷信息获取能力的无人航空器组网观测系统，实现无人航空器组网技术由项目层面跨越到遥感领域，同时也为中国成为世界遥感强国的国家战略跨越奠定基础。

分辨率2.25cm的无人机航空遥感首飞遥感影像

国内面向遥感应用的垂直起降无人机现状和应用前景分析

杨梦琳，李道春，万志强，等

摘要：本文主要研究内容包括国内垂直起降无人机发展现状调研、面向航空遥感应用市场的无人机分析及典型机型介绍、垂直起降无人机在遥感领域的应用场景及案例分析、垂直起降无人机在遥感领域的应用前景及发展趋势等。分析可知，目前垂直起降固定翼无人机正逐步取代多旋翼飞行器的主导地位；垂直起降无人机占据了遥感应用无人机80.47%的市场份额；动力多元化、系统智能化、布局多样化、尺寸小型化等是面向遥感应用的垂直起降无人机的发展方向。

无人机机型及其市场占比调研统计结果

中国浮空器遥感遥测应用现状与展望

彭桂林，万志强

摘要：浮空器是一种新型的航空遥感遥测平台，适合于中小面积高分辨率的遥感遥测，具有飞行时间长、覆盖面积大、载重能力强、效费比高等特点。本文分析了中国有人飞机、无人机和中低空飞艇、平流层飞艇平台在遥感遥测中应用案例，以及各个航空平台的性能特点、工作方式、技术难点等，对比了各种平台的技术特点；探讨了中小型遥控飞艇平台在遥感遥测中应用的优势，研究了平流层飞艇的发展现状与关键技术；并结合国际相关领域的研究进展，对未来浮空器遥感应用的前景进行了展望。

浮空器典型应用场景

作物胁迫无人机遥感监测研究评述

黄耀欢，李中华，朱海涛

摘要：随着无人机和各种轻量化传感器的快速发展，其凭借高频、迅捷等优势为各种作物胁迫监测提供了一套全新的解决方案。本文在介绍了目前主流的多种无人机和传感器的基础上，首先对目前无人机遥感用于作物监测的主要胁迫类型进行了梳理，然后重点阐述了基于光谱成像和热红外传感器进行作物胁迫无人机遥感监测的应用和技术方法，最后提出了尚需解决的关键问题，并展望了未来监测的前景。

基于无人飞行平台的小型Ka波段合成孔径雷达系统研制

张 琦，张 雷，郭俊栋，等

摘要：研究了Ka波段SAR雷达系统各项关键技术，介绍了雷达系统及关键模块设计方案、雷达各工作模式的参数设计和实时成像算法，展示了该雷达在轻型飞行平台上获得的高分辨率飞行图像，并对图像进行了指标分析。试验结果表明：该Ka波段雷达系统成像清晰，图像分辨率优于0.2 m，满足设计指标要求；实测雷达重量低于10 Kg，峰值功耗小于100W，适用于轻小型无人飞行平台。

飞行成像试验得到的高分辨率图像局部细节

基于滑模和ESO的四旋翼飞行器遥感机动观测姿态控制

龙诗科，孙山林，赵海盟

摘要：针对四旋翼飞行器运动的欠驱动、强耦合和非线性特性，提出一种基于滑模和扩张状态观测器（ESO）的姿态控制器。实验结果表明，同等情况下，控制器能够实现姿态稳定且跟踪误差减少约20%，同时该控制方法增强了四旋翼的抗干扰能力，悬停时姿态角度波动幅度减少约50%。

四旋翼姿态控制架构

基于DEM的SAR影像几何定位参数校正方法

杨书成，黄国满，程春泉

摘要：针对大范围无地面控制的SAR影像几何纠正，利用在一定时间和空间范围内SAR系统几何定位参数误差具有一定稳定性的特点，提出基于DEM的几何定位参数校正方法。以高分三号影像进行试验，结果显示，同一轨道内的影像定位精度由66.0m提高到9.7 m，不同轨道的影像定位精度由65.0m提高到13.5m。

S2 影像上参数校正参考点分布

基于Dense SIFT特征的无人机影像快速拼接方法

杨佳宾，姜永涛，杨幸彬

摘要：提出一种基于Dense SIFT 特征的无人机影像快速拼接算法。实证结果表明：在影像特征点匹配方面，本文方法获取匹配点数量是SIFT 和SURF算法的5 倍以上，且匹配点分布更加均匀；在影像拼接结果方面，本文方法不仅能够较快完成影像拼接，而且有效避免了拼接影像中的“重影”现象。

Dense SIFT获取特征点过程

无人机倾斜影像自动检索及影像姿态恢复

孙钰珊，艾海滨，许  彪，等

摘要：本文以计算机视觉中基于内容的影像检索方法与改进的渐进式SFM方法为基础，提出一种“三无”影像自动检索、空中三角测量及影像三维重建的方法。选取三组典型试验区大数据量倾斜影像数据进行试验，立体实测控制点中误差可以达到平面0.16m/高程0.18m，验证了方法的稳定性、可靠性和实用性。

影像三维重建效果

利用高精度DLG进行机载LiDAR点云精度评定研究

陶鹏杰，宋孟肖，段延松

摘要：影像几何定位所能达到的精度依赖于几何参考数据自身的精度，本文提出了利用高精度数字线划图（DLG）作为几何参考评定机载LiDAR点云精度的方法。实验结果证明，试验区域Li-DAR点云平面和高程精度分别可达到7.2 cm和8.3 cm，可作为大比例尺无人机航空遥感控制数据的有效选择。

利用建筑物立面点到DLG的平面距离评价LiDAR点云平面精度

基于区域特征分割的密集匹配点云渐进形态学滤波

张  刚，刘文彬，张  男

摘要：本文在渐进形态学滤波算法上添加了特征条件，将点云和图像结合成深度图像，并对深度图像按典型地物类型进行语义分割，从而对与图像平面坐标一致的点云进行标记和首次滤波；然后按几何特征将场景简单分类，按分类结果对应的参数滤波构建地面点三角网；最后综合初滤波结果和语义分割类型标记对特征相似的区域进行优化确认，得到最终的滤波结果，并与布料模拟滤波（CSF）算法进行了对比验证实验。结果表明，基于特征的渐进形态学滤波其I类误差在1.98%以内，Ⅱ类误差在2.33%以内，较适宜对精度要求较高的应用，尤其是混合地形的滤波。

0.5 m分辨率CSF布料模拟滤波后的地面点

Retinex图像增强在GPU平台上的实现

王  浩，王含宇，杨名宇，等

摘要：当前对无人机海量数据处理的实时性要求越来越高。本文在GPU（Graphic Processing Unit）平台上实现了Retinex 图像增强算法的并行处理，提升了Retinex 图像增强算法处理高分辨率数字图像的处理速度。研究表明，对于不同分辨率的图像，Retinex 图像增强算法的处理速度相比于CPU平台均有数十倍的提高。

图像增强效果

无人机组网遥感实时任务观测的冗余容错控制方案

Sana Ullah，冯朝晖，晏  磊，等

摘要：本文将基于冗余的容错控制技术引入无人机网络设计中，多无人机网络作为冗余容错体系结构时可以通过添加多个无人机作为备份使得系统可以容错，而无人机在不同极端条件下的位置和视角则可以作为冗余容错的场景设置。当组网方案中的无人机位置和视角超过设定的阈值时可以被认为是故障的，其将被分离并不考虑进一步分析。通过以上方式，无人机网络可以在极端条件下得到组网控制方案的有效输出，进而保证遥感观测任务的顺利进行。

冗余并联功能模块的并联系统故障分析

基于大数据的无人机云交换平台统计分析技术研究

柏艺琴，陈新锋，原军锋

摘要：本文阐述了民航局无人机云交换平台的运行大数据的现状，分析了传统无人机运行数据统计分析存在的技术瓶颈，提出了基于大数据进行无人机运行数据统计分析方法，建立了无人机云数据交换平台大数据统计和分析系统的设计框架，并概述了如何基于Apache Spark 和Cassandra 数据库的大数据分析方法将无人机云交换平台生产的海量数据快速处理、存储、统计和分析的研究思路和方法，以及实现各类无人机运行特征分析的情况。

无人机云数据分析数据源

基于改进蚁群算法的无人机低空公共航路构建方法

徐晨晨，廖小罕，岳焕印，等

摘要：以天津市为例，基于地理信息技术构建以多源地理空间数据为基础的无人机低空飞行环境，包括低空蜂窝网络环境、大气环境和政策空域环境等，并改进传统蚁群算法以搜索无人机最优路径，得到该区无人机低空公共航路网。研究结果表明，改进的蚁群算法大大提高了路径搜索效率，满足无人机航路规划的高时效性、动态更新等要求；天津市航路长度符合市场上现有的无人机最远航程要求，基本满足现有的无人机运输要求。

算法改进结果对比

轻小型无人机遥感组网飞行的高程安全监测冗余容错算法研究

王勇军，李  智，孙山林，等

摘要：针对轻小型无人机遥感组网应用时复杂多变的工作环境对高程可靠性与容错能力的要求，设计了基于INS/GPS/气压计的多源信息冗余容错测量方案，采用了联邦滤波算法进行了多传感器冗余信息融合。通过计算得出了系统的信息分配系数取值原则，并在此基础上提出一种基于故障特征信息熵的Pignistic 概率转换容错信息分配方法。通过算例仿真验证了不同信息分配系数对子系统和联邦主滤波器的影响，并进行了无人机定高悬停实验证明了该方法的有效性。

不同信息分配策略下的无人机高程误差

专辑文章全文可从期刊官网或中国知网下载。

 期刊简介 

《地球信息科学学报》由中国科学院地理科学与资源研究所和中国地理学会联合主办，月刊，是中国科学引文数据库(CSCD)核心期刊、中国科技核心期刊、全国中文核心期刊、北大《中文核心期刊要目总览》来源期刊。《2018年版中国科技期刊引证报告(核心版)》显示，《地球信息科学学报》影响因子位列测绘科学技术期刊第3名，综合评价总分位列第4名。

欢迎国内外学者踊跃赐稿，欢迎国家重大科研项目、国内外学术会议组织专辑或专栏。

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资料来源：地理信息科学学报   中国地理资源期刊网  

整理、排版：范佳鑫

责任编辑：张英浩

审核：任宇飞  王波涛

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