航空遥感技术

航空遥感技术

国家测绘地理信息局重点实验室

科技发展年度综述

一、所属学科及研究领域发展概述

航空遥感技术国家测绘地理信息局重点实验室（以下简称“实验室”）的研究方向为航空遥感技术体系研发，包括航空遥感数据获取、处理、应用服务的应用理论、关键技术与装备研究，促进测绘地理信息行业科技进步，为国家重大测绘工程、地理国情监测建设提供航空遥感全流程技术、装备与服务保障。具体包括多视倾斜航空遥感装备与处理技术研究、轻小型民用无人机航空遥感技术研究、海岛礁水下礁盘航空航天遥感综合探测技术研究、应急测绘装备与关键技术研究、地理国情监测关键技术研究、以及智慧城市数字地理信息服务技术研究。

二、国内外发展现状与趋势

倾斜航空摄影测量技术是国际测绘领域近年来快速发展的一项高新技术，从获取来说它颠覆了传统航空摄影只能垂直拍摄的局限，可通过多视角航空摄影获取更加丰富的影像信息；从数据处理来说利用该丰富信息的影像数据可构建多视立体影像，实现多视立体测图；可快速构建城市三维模型，大大降低城市三维建模的成本。

倾斜摄影测量技术国外发达国家的研究和产品化较早，首先是倾斜航空摄影测量数据获取装备的研制，以徕卡的RCD30、美国Pictometry的倾斜数字航摄仪为代表。我国紧跟国

际摄影测量发展的方向，在2010年开始国产的倾斜摄影测量产品的研发。北京四维远见、中测新图、上海航遥等公司陆续开展了倾斜航摄仪研制，开展了系列应用示范，形成SWDC-5、TOPDC-5等为例代表的国产化装备，与国际产品指标相当。

倾斜航空摄影测量技术与系统则以StreetFactory、Skyline、Smart3Dcapture为代表的大场景三维重建技术是将获取的大重叠度的倾斜摄影数据通过大倾角联合空三、密集匹配、3DTIN构建、纹理自动映射、GPU运算等技术将多角度倾斜摄影数据快速地重建三维模型，极大地提高了三维建模效率。“十三五”国家经济建设的重点目标之一是促进城镇化；国家测绘地理信息局的重点任务是全面推动数字城市建设，在未来的三至五年，实现县级市以上数字城市的全面覆盖。互联网地图服务的发展需要，传统2维地图远远满足不了广大民众的需求，急需由二维走向三维实景，而这一步的迈进则需要倾斜摄影获取与处理等技术的支撑。谷歌地图、高德地图等，每年都需要对数据进行实时更新，满足对城市模型的需求量等。上述需求，都迫切要求研制出国产倾斜摄影测量工作站系统，与国产倾斜摄影装备同步，解决城市模型数据的快速高品质获取与高效处理的技术瓶颈。

近年来，民用轻小型无人机遥感系统在测绘、国土监测、灾害应急、地球资源勘探、农林、气象观测等领域得到了广泛的应用，数据获取与处理规模成几何倍数增长。目前从事研究和生产无人机的有美国、俄罗斯、以色列、法国、英国和南非等近30个国家, 无人机基本型数量已增加到300多种。据不完全统计，我国民用轻小型无人机遥感系统已装配400余套，研发生产单位有中测新图（北京）遥感技术有限责任公司等30多家单位。民用轻小型无人机飞行平台将向长航时、大载荷方向发展，飞行控制系统在导航等方面将与北斗技术结合，高精度测姿定位技术的辅助将大大减少地面控制，节约成图周期和成本，传感器将趋于多元化，无人机调度、监控手段更灵活有效。

目前国际上水深测量多以船载声纳测量和机载激光雷达测量方式为主，而利用遥感手段获取水深则集中在利用高分辨率多光谱遥感影像结合实测水深数据的半统计半经验模型反演方法，无需实测水深数据的遥感反演方法则多集中在利用高光谱遥感影像数据的半分析理论模型建立的研究，未见利用该方法的大面积应用的文献或报道。我国水深遥感研究起步相对较晚，二十世纪80年代至90年代初，主要开展水深机理和算法模型研究，而无需实测水深数据的遥感水深反演方法还未有国内相关研究报道公开。

进入21世纪后，GIS主要的基础理论和技术研究热点方向主要包括WebGIS、ComGIS、时空GIS、3DGIS等。近年来，随着网络技术的飞速发展与移动技术的融合发展，智慧城市与移动GIS已成为GIS领域研究的新热点。其一，移动GIS以移动互联网为支撑、以智能手机或平板电脑为终端、结合北斗、GPS或基站为定位手段的GIS系统。随着移动互联网的高速发达和手持终端设备的普及，“移动设备+服务”的应用模式正在向测绘、国土等专业领域发展，已经在移动政务通、移动土地督察、移动普查、移动执法等领域得到应用。面向智能移动端的各类移动GIS应用将成为未来地理信息服务的新模式。其二，智慧城市是利用物联网、云计算等新一代信息技术全面感知城市的运行状态，提高人与物、物与物之间交互的明确性和执行效率;对物理现实空间中的各种实体对象更加精确和直观的控制和展现，实现信息虚拟空间和物理现实空间的同步互动；深入挖掘各种系统间的联系、发现规律，为更智慧的决策提供支持。国务院及相关部门出台了一些关于智慧城市的政策措施，智慧城市建设将遍及各个区域、各级城市。未来我国智慧城市将呈现更加重视以人为本、更加强调生态文明

建设、服务功能呈现多元化趋势、多种开发建设组合模式并进等发展模式。

三、国内外发展状况比较

国外倾斜航空摄影技术发展已逾10年，但其数据服务对象一直以来都为对精度要求不高的公共大众，因此采用的传感器多为非量测型，这在一定程度上限制了其在高精度需求领域的应用，也降低了航摄装备在国内的适用性。同时国外公司以其特有的销售策略，或采用只销售设备无数据管理与处理解决方案，或只销售技术与服务，即使进口设备，装备与数据的使用都具备极大的局限性。因此依赖国外进口将会使得倾斜摄影技术的发展进程缓慢。国内自主研制倾斜数字航摄仪的单位只有两到三家，还在不断摸索技术、进行设备测试验证与完善阶段，如各自装备在传感器参数优化、多相机同步性、高性能、高可靠性存储等方面都存在不足，因此研制具有我国自主产权的产品，降低成本，满足现有和潜在的数字航摄需求，不断提升我国基础测绘装备与技术，已成为亟待解决的问题。

由于国外倾斜摄影测量技术发展较早，成熟度较高。目前StreetFactory、Photomesh、Smart3Dcapture已经实现了市场销售，其成果均为大场景连续三维模型，国内开展相应研究的主要有中国测绘科学研究院和武汉大学，但都还处于研究阶段。实验室在大场景三维模型研究的同时对大场景三维模型的应用进行了研究和相应软件开发，形成了倾斜多视影像多视查看与量测功能的实景影像系统、大场景三维模型单体化系统、大场景三维模型和单体模型GIS平台展示与属性编辑系统，完善了倾斜数据处理流程，实现了数据到应用的衔接。

我国民用轻小型无人机遥感系统在平台方面与国外有一定的差距，国外超长航时的续航时间可达到19到39个小时之间，国内有效载荷在5公斤以内的无人机，续航时间普遍在2-3小时之间，无人机的续航时间普遍较短，超长航时无人机遥感系统发展并不多，续航时间10小时以上，有效载荷15公斤以上的无人机将成为今后几年无人机遥感领域的迫切需求。在飞控系统方面，国外的飞控系统比较成熟，技术较为稳定，能够应付一般的下雨、刮风天气，我国现有飞控技术还有很大差距，将北斗技术与现有无人机飞控系统的有效结合，实现北斗导航与现有GPS导航的导航切换，提升系统稳定性与可靠性将有十分重要的意义。在传感器方面，国外无人机航摄从可见光到近红外区段的高精度航空摄影均应用广泛，超常规视角的拍摄也发展迅猛，我国的无人机倾斜摄影系统才刚刚起步，正从传统正射摄影到倾斜摄影、单一下视到多镜头多视方向发展，从多个角度完整地获取地物表面完整信息。

国外在移动GIS领域发展较早，也比较成熟。如在硬件方面，已有IBM等多家公司参与

生产和研究与移动计算相关的产品。在应用系统开发方面，麻省理工学院等都积极在各个行业的移动计算领域进行应用系统的设计与研发。在理论方面，提出了动态、可定制的IMA（智能地图代理）架构；将电子地图转换为简单空间格式的算法。这些技术促进了移动GIS技术的发展。国内由于起步晚，加上硬件技术的不成熟，移动GIS的发展相对较弱。多家推出了移动GIS平台，比如超图公司的SuperMap iMobile、中地数码集团的MapGIS K9等。其特点有提供常用GIS组件，可以进行查询分析等功能；图形化显示功能，可以把查询分析结果以图形或表格的形式显示；提供与常用数据库的接口，可以把空间数据、属性数据等存放在专业数据库中；支持分布式应用，可以通过Internet访问各类服务等。

目前，很多国家已经开始智慧的建设，主要集中分布在美国、欧洲的瑞典、爱尔兰、德国、法国，以及亚洲的中国、新加坡、日本、韩国，大部分国家的智慧城市建设都处于有限规模、小范围探索阶段。韩国作为全球第四大电子产品制造国，物联网国际标准制定主导国之一，通过智慧城市建设培育新产业。美国将智慧城市建设上升到国家战略的高度，并在基础设施、智能电网等方面进行重点投资与建设。新加坡被公认为政府服务最好的国家，信息通信技术促进经济增长与社会进步方面都处于世界领先地位，智慧城市建设注重服务公众。我国的智慧城市建设刚刚起步，城市信息化建设正处于重要的结构转型期，即从信息技术推广应用阶段转向了信息资源的开发利用阶段。中国正在通过“两化融合”、“五化并举”、“三网融合”等战略部署，积极利用物联网、云计算等最新技术，推进智慧城市建设。目前，我国智慧城市建设主要有三种建设模式，分别是：以物联网产业发展为驱动的建设模式，如无锡;以信息基础设施建设为先导的建设模式，如武汉;以社会服务与管理应用为突破口的建设模式，如北京、重庆。

四、展望与建议

1）开展航空多视立体倾斜航空摄影测量技术研究，研制集倾斜多视立体空中三角测量、密集匹配与快速建模、一体化测图等功能于一体的摄影测量工作站系统；研究航空倾斜摄影测量点云与地面移动测量点云配准融合技术，实现城市三维模型的快速信息采集与空地一体化精细建模；研究倾斜摄影测量标准体系，规范数据获取、处理与产品流程与工艺。

2）开展miniSAR、轻小型定姿定位系统、超长航时无人机夜间起降技术研究，开展无人机遥感网构建技术与装备研究，进一步提升无人机遥感系统的数据获取能力、效率与安全保障。升级完善低空无人机遥感数据获取、内外业数据处理行业标准，开展轻小型无人机遥

感测绘标准体系研究。

3）深入开展轻小型无人机远离大陆岛礁测绘遥感数据获取能力升级、开展基于轻小型无人机遥感数据的稀少（无）控制测图技术方法与指标研究、开展水下礁盘航空航天遥感综合探测技术研究与系统开发，形成工程化生产能力。

4）在三维大场景地理信息服务的基础上，研究二三维一体化数据组织与管理方法，开发移动GIS系统，加强遥感影像、地形/地表点云、矢量线划等多源数据深度融合技术研究，提高系统的专题信息深层次趋势分析与预测能力。

五、年度进展总结

2014年3月，在北京召开了第一届学术委员会第二次会议，会议审议了实验室2013年工作总结及2014年度工作要点、2014年度开放基金资助课题以及2015年度开放基金研究课题申请指南。4月开展开放基金课题立项工作，共设置开放基金课题12项，其中2项为重点课题。

本年度实验室共承担“国家863计划”、“科技支撑”等国家级科研课题5项，其中课题级牵头3项。研究领域涉及灾害应急数据快速获取与处理技术、倾斜数字航空摄影测量技术、低空轻小型无人机遥感系统组网技术等。

在关键技术突破方面，研究解决了“垂直影像的快速密集匹配技术”、“基于密集点云实现多层次非结构化单体模型提取技术”，以及无人机监管北斗短报文通讯技术等关键技术，为倾斜摄影测量工作站系统研发、无人机遥感系统监管奠定基础。

在科研成果转化方面，完成“TOPDC系列数字航摄系统”在江西、内蒙等四个区域开展工程化应用，在江西、四川销售2套；低空无人机遥感系统在山西完成地质灾害点监测。

2014年申请专利10项，受理2项，往年申请2014年授权4项；完成软件著作权登记2项；发表论文12篇（其中3篇EI检索）。获得国家发明二等奖1项、中国地理信息产业协会等省部级科技进步奖3项；李英成主任荣获突出贡献中青年专家/国家百千万人才工程奖。