無人機市場2020年將達283億美元
使用主/被動遙感對環境進行精確展現和3D重建，已成為各個制圖應用的必備功能。但由于傳統制圖方式(即載人飛機和地面移動制圖)的成本和所需的技術水平過高，無法滿足這些應用的需求。
近年來，軟硬件技術取得了重大突破，現在通過對低成本數碼相機、激光掃描儀和導航系統的集成，可以不再依賴于傳統昂貴的數據采集系統，就能進行精確的3D制圖。
隨著傳感器技術的高速發展，無人駕駛飛行器(UAV)正在成為一種成本低、實用性強的移動制圖平臺。無人機比載人飛機飛行的更慢，從而能夠獲取的數據分辨率更高。另外，無人機系統存儲和部署成本較低，可以減輕重復覆蓋采集所帶來的經濟損失。此外，在載人飛機和地面移動制圖系統之間，無人機平衡了二者在分辨率、覆蓋面和重復能力等方面的差異。這些優勢使UAV成為既經濟又快速的最佳制圖平臺。
反過來無人機可以作為制圖平臺，也促進了無人機產業的發展。無人機市場在2016年估值為13.22億美元，到2020年預計將達到282.7億美元，而這期間的年復合增長率為13.51%。
UAV作為制圖平臺任重而道遠
無人機的潛力毋庸置疑，但若想讓無人機作為一種可操作的移動地圖平臺而廣泛推廣，那么我們仍然面臨很多挑戰。
首先，就是國家對于無人機制圖飛行的限制政策。此前，泰伯網曾報道過全球246個國家的無人機法律法規，各國對于無人機的態度各不相同，尤其是對于配有導航和主/被動成像傳感器的制圖無人機，如何獲得安全許可仍是一個主要問題。例如在某些限制空域(商業/軍事機場附近)，無人機制圖飛行是被禁止的。
其次，專業飛行員需求增加。UAV攜帶的傳感器等設備，通常比無人機本身貴30多倍，相對于載人飛機和地面制圖，UAV制圖可靠性風險更大，需要大量專業飛行員來安全可靠地操作系統。
另外，無人機飛行時效及其有限。對于小微型無人機(距地面低于100米)來說，一般平均電池壽命僅為30~45分鐘，大大限制了采集區域范圍，尤其是在低空飛行獲取高分辨率數據時。
此外，對于小微型(尤其是固定翼)無人機，有效載荷能力(即可搭載的設備數量)也相當有限。盡管多轉子UAV系統具有更高的有效載荷能力，最高可達幾公斤，但增加有效載荷將會減少飛行時間。
無人機上有限的傳感器設備，包括定位定姿導航系統、主被動成像系統，這些設備要求精確地系統校準，如傳感器的固有參數和安裝參數等。
UAV制圖系統需要有更高的平臺集成能力。無人機移動制圖應用范圍甚廣，而一種系統集成配置方案不可能滿足所有應用領域的需求。因此，需要平臺集成人員，既要熟悉應用領域，又要有傳感器集成(例如不同傳感器之間的同步和通信)經驗，根據不同的應用，對平臺進行個性化軟硬件配置。
最后，我們需要針對不同應用領域的需求，提高數據處理能力。尤其是在測繪業界，非?？粗夭煌A段對數據處理質量的控制，以便最終獲得滿足應用需求的數據產品。
輕量級POS單元定位精度可達2厘米
由于無人機移動制圖擁有巨大的發展潛力，所以，專業研究機構一直在積極的探索，在小微型無人機的主/被動數字成像系統的系統開發和數據采集方面，已經取得了重大突破。
首先，得益于全球導航衛星系統(GNSS)和慣性導航系統(INS)軟硬件的持續發展，定位定姿系統(POS)單元的重量可低于100克，定位精度為2~5厘米，姿態精度達到0.02~0.08度。這些進展大大減輕了被動成像系統的地面控制，同時有效地促進機上Lidar派生出更可靠的產品。
無人機上配置的具有GNSS / INS同步功能的數碼相機，像素超過40萬，且成本降低，并可以對拍攝圖像進行精確的時間標記。在生產準確的正射影像和數字表面模型上，這些功能可以減少對地面控制的要求。
激光雷達成本再創新低。由于激光測距和掃描技術的最新發展，使重量小于1公斤的激光雷達，價格降至1萬美元。同時，這些激光雷達每秒可提供超過25萬脈沖，范圍精度達到厘米級。正是由于激光雷達在重量和成本上存在這些優勢，所以我們可以用數字照相機來擴充系統，同時又不會過度增加總有效載荷的成本和重量。
由于數字成像技術的進步，輕量級的多光譜和高光譜成像系統進入了實際應用階段。因此，配備輕量級的多光譜和高光譜成像系統的UAV移動制圖系統，便可以提供比RGB數碼相機更高的光譜分辨率和更寬的光譜范圍的圖像，滿足特殊應用需求。
市場上的圖像數據處理軟件也可為我們所用，提高圖像處理的質量和效率。近年來，由于攝影測量和計算機視覺軟件工具取得了進展，制圖人員可以使用一些商業軟件，這些軟件能夠處理成百上千甚至成千上萬的圖像，最后產生精確的正射影像和密集的數字表面模型。
在系統校準方面，研究機構也在不斷創新，他們已經成功研發出進行準確系統校準的工具，為位置姿態單元(例如GNSS / INS )提供主/被動圖像傳感器的固有參數和相關配置參數，除此之外，還能對校準參數的穩定性進行定量評估。
最后，研究機構一直在探索多傳感器/多平臺數據集成的創新方法，這種解決方案可以在廣泛的電磁頻譜(如RGB、多光譜和高光譜遙感數據以及基于雷達的點云)中，將主動和被動傳感器數據進行集成。
UAV移動制圖系統需要行業標準化的規范
近年來，UAV移動制圖的相關技術和數據處理能力都取得了長足的進步，所以能夠滿足大量應用的需求，例如在測量、基礎設施監測和農業管理等領域，已經開始大范圍應用專業級無人機，這些無人機配有GNSS / INS、以及可以在電磁頻譜的不同波段內運行的主被動數字成像系統。
圖1~圖5展示了多轉子無人機平臺采集的圖像，分別配備了直接地理參照的RGB 、激光雷達、短波紅外(SWIR)成像系統，生成的正射影像和數字表面模型。
多轉子無人機平臺
某農田的RGB正射圖
基于影像的數字表面模型
基于雷達的數字表面模型
短波紅外正射圖
為了在業界獲得廣泛認可，還應該建立一些行業標準化，如用于采購前演示的最佳應用案例、采購后提供的使用指導等，以確保在實際應用中采集數據的有效性，同時降低技術操作難度。
雖然基于無人機的移動制圖系統不太可能取代載人飛機和地面制圖，但是前者在滿足成本效益上對后者進行了補充。此外，無人機采集的圖像和激光雷達數據，將來可能與傳統制圖平臺采集的地理空間數據進行集成，更加能提高成本效益。
本文根據Ayman Habib博士《UAV-based Mobile Mapping: Potential, Challenges and Outlook》(無人機移動制圖：潛力、挑戰和展望)文章進行編譯改編的。
