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年复合增长率13.5% 无人机如何打造一个千亿级市场

泰伯网2017-11-14 09:55:16

摘要: 无人机移动制图的巨大成本效益将替代传统制图方案,预计2020年无人机市场将达282.7亿美元。

年复合增长率13.5% 无人机如何打造一个千亿级市场

  作者简介:艾曼·哈比卜(Ayman Habib)博士是美国普杜大学莱勒斯土木工程学院的教授,可持续环境UAS应用土木工程中心(CE-CAUSE)主任,联合交通研究计划(JTRP)副主任。研究领域包括地面/空中移动地图系统、非传统成像扫描仪的透视几何建模、自动匹配和变化检测、低成本数码相机的自动校准、图像和点云数据的对象识别、激光雷达测图、摄影测量数据与其他传感器/数据集(如GNSS / INS、GIS、多光谱和高光谱传感器以及激光雷达)集成。

  艾曼·哈比卜博士发表了350多份出版物,并担任地理信息和土木工程领域多个国家和国际期刊的编委会成员。

  无人机市场2020年将达283亿美元

  使用主/被动遥感对环境进行精确展现和3D重建,已成为各个制图应用的必备功能。但由于传统制图方式(即载人飞机和地面移动制图)的成本和所需的技术水平过高,无法满足这些应用的需求。

  近年来,软硬件技术取得了重大突破,现在通过对低成本数码相机、激光扫描仪和导航系统的集成,可以不再依赖于传统昂贵的数据采集系统,就能进行精确的3D制图。

  随着传感器技术的高速发展,无人驾驶飞行器(UAV)正在成为一种成本低、实用性强的移动制图平台。无人机比载人飞机飞行的更慢,从而能够获取的数据分辨率更高。另外,无人机系统存储和部署成本较低,可以减轻重复覆盖采集所带来的经济损失。此外,在载人飞机和地面移动制图系统之间,无人机平衡了二者在分辨率、覆盖面和重复能力等方面的差异。这些优势使UAV成为既经济又快速的最佳制图平台。

  反过来无人机可以作为制图平台,也促进了无人机产业的发展。无人机市场在2016年估值为13.22亿美元,到2020年预计将达到282.7亿美元,而这期间的年复合增长率为13.51%。

  UAV作为制图平台任重而道远

  无人机的潜力毋庸置疑,但若想让无人机作为一种可操作的移动地图平台而广泛推广,那么我们仍然面临很多挑战。

  首先,就是国家对于无人机制图飞行的限制政策。此前,泰伯网曾报道过全球246个国家的无人机法律法规,各国对于无人机的态度各不相同,尤其是对于配有导航和主/被动成像传感器的制图无人机,如何获得安全许可仍是一个主要问题。例如在某些限制空域(商业/军事机场附近),无人机制图飞行是被禁止的。

  其次,专业飞行员需求增加。UAV携带的传感器等设备,通常比无人机本身贵30多倍,相对于载人飞机和地面制图,UAV制图可靠性风险更大,需要大量专业飞行员来安全可靠地操作系统。

  另外,无人机飞行时效及其有限。对于小微型无人机(距地面低于100米)来说,一般平均电池寿命仅为30~45分钟,大大限制了采集区域范围,尤其是在低空飞行获取高分辨率数据时。

  此外,对于小微型(尤其是固定翼)无人机,有效载荷能力(即可搭载的设备数量)也相当有限。尽管多转子UAV系统具有更高的有效载荷能力,最高可达几公斤,但增加有效载荷将会减少飞行时间。

  无人机上有限的传感器设备,包括定位定姿导航系统、主被动成像系统,这些设备要求精确地系统校准,如传感器的固有参数和安装参数等。

  UAV制图系统需要有更高的平台集成能力。无人机移动制图应用范围甚广,而一种系统集成配置方案不可能满足所有应用领域的需求。因此,需要平台集成人员,既要熟悉应用领域,又要有传感器集成(例如不同传感器之间的同步和通信)经验,根据不同的应用,对平台进行个性化软硬件配置。

  最后,我们需要针对不同应用领域的需求,提高数据处理能力。尤其是在测绘业界,非常看重不同阶段对数据处理质量的控制,以便最终获得满足应用需求的数据产品。

  轻量级POS单元定位精度可达2厘米

  由于无人机移动制图拥有巨大的发展潜力,所以,专业研究机构一直在积极的探索,在小微型无人机的主/被动数字成像系统的系统开发和数据采集方面,已经取得了重大突破。

  首先,得益于全球导航卫星系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)软硬件的持续发展,定位定姿系统(POS)单元的重量可低于100克,定位精度为2~5厘米,姿态精度达到0.02~0.08度。这些进展大大减轻了被动成像系统的地面控制,同时有效地促进机上Lidar派生出更可靠的产品。

  无人机上配置的具有GNSS / INS同步功能的数码相机,像素超过40万,且成本降低,并可以对拍摄图像进行精确的时间标记。在生产准确的正射影像和数字表面模型上,这些功能可以减少对地面控制的要求。

  激光雷达成本再创新低。由于激光测距和扫描技术的最新发展,使重量小于1公斤的激光雷达,价格降至1万美元。同时,这些激光雷达每秒可提供超过25万脉冲,范围精度达到厘米级。正是由于激光雷达在重量和成本上存在这些优势,所以我们可以用数字照相机来扩充系统,同时又不会过度增加总有效载荷的成本和重量。

  由于数字成像技术的进步,轻量级的多光谱和高光谱成像系统进入了实际应用阶段。因此,配备轻量级的多光谱和高光谱成像系统的UAV移动制图系统,便可以提供比RGB数码相机更高的光谱分辨率和更宽的光谱范围的图像,满足特殊应用需求

  市场上的图像数据处理软件也可为我们所用,提高图像处理的质量和效率。近年来,由于摄影测量和计算机视觉软件工具取得了进展,制图人员可以使用一些商业软件,这些软件能够处理成百上千甚至成千上万的图像,最后产生精确的正射影像和密集的数字表面模型。

  在系统校准方面,研究机构也在不断创新,他们已经成功研发出进行准确系统校准的工具,为位置姿态单元(例如GNSS / INS )提供主/被动图像传感器的固有参数和相关配置参数,除此之外,还能对校准参数的稳定性进行定量评估。

  最后,研究机构一直在探索多传感器/多平台数据集成的创新方法,这种解决方案可以在广泛的电磁频谱(如RGB、多光谱和高光谱遥感数据以及基于雷达的点云)中,将主动和被动传感器数据进行集成

  UAV移动制图系统需要行业标准化的规范

  近年来,UAV移动制图的相关技术和数据处理能力都取得了长足的进步,所以能够满足大量应用的需求,例如在测量、基础设施监测和农业管理等领域,已经开始大范围应用专业级无人机,这些无人机配有GNSS / INS、以及可以在电磁频谱的不同波段内运行的主被动数字成像系统。

  图1~图5展示了多转子无人机平台采集的图像,分别配备了直接地理参照的RGB 、激光雷达、短波红外(SWIR)成像系统,生成的正射影像和数字表面模型。

年复合增长率13.5% 无人机如何打造一个千亿级市场

多转子无人机平台

年复合增长率13.5% 无人机如何打造一个千亿级市场

某农田的RGB正射图
年复合增长率13.5% 无人机如何打造一个千亿级市场

基于影像的数字表面模型

年复合增长率13.5% 无人机如何打造一个千亿级市场

基于雷达的数字表面模型
年复合增长率13.5% 无人机如何打造一个千亿级市场

短波红外正射图

  为了在业界获得广泛认可,还应该建立一些行业标准化,如用于采购前演示的最佳应用案例、采购后提供的使用指导等,以确保在实际应用中采集数据的有效性,同时降低技术操作难度。

  虽然基于无人机的移动制图系统不太可能取代载人飞机和地面制图,但是前者在满足成本效益上对后者进行了补充。此外,无人机采集的图像和激光雷达数据,将来可能与传统制图平台采集的地理空间数据进行集成,更加能提高成本效益。

  本文根据Ayman Habib博士《UAV-based Mobile Mapping: Potential, Challenges and Outlook》(无人机移动制图:潜力、挑战和展望)文章进行编译改编的。

[责任编辑:陈丽君]
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