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。
多转子无人机平台
某农田的RGB正射图
基于影像的数字表面模型
基于雷达的数字表面模型
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。
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