·1092 工程科学学报，第42卷.第9期 配套软件也正向智能化、自动化的趋势发展. 一 技术大幅提升无人机飞行定位定姿系统数据测量 方面基于视觉、激光、声呐、超声等传感器无人机 精度，预期将在无地面控制点(GCPs)的情况下可 可实现障碍物智能感知、碰撞预警、自主避障，避 获得cm级精度成果，进一步简化工作流程；此外 免因撞击发生坠落意外，有效降低了操作难度：另 有研究者指出在人工难以获取地面控制点的高 一方面，无人机航测软件可实现在手机、平板电脑 危环境下，地面光扫描点云数据可替代作为地面 等移动端规划同步航线，实时维护航测区域、航 控制点.在处理算法方面，商用软件在重叠率、飞 线、航高、重叠率等飞行参数，使其自主完成飞行 行速度、仰角等最优参数选取上缺乏通用依据，算 任务 法调校及验证难度高，研究者与软件厂商应开放 (3)提升续航时间 对话合作，研发适用特定应用场景的无人机遥感 市面上多数中小型无人机采用高容量电池驱 建模算法.同时，由于摄影测量重建计算量巨大， 动，续航时间难以得到保证，尤其是旋翼型无人机 后处理软件往往对系统硬件配置需求严苛，高性 功耗巨大飞行时间常限制在20~40min,难以胜任 能并行计算、云计算、全工作流程自动化处理等 矿山大规模应用场景.除研制高效锂离子电池、 技术框架研发迫在眉睫 电力与燃料混动系统、低功耗微型电子器件、减 (5)拓展应用场景 轻无人机重量等方法外，固定翼与旋翼混合飞行 无人机遥感在矿业领域应用仍处于探索阶段 模式、太阳能电池、无人机集群化协同作业、以及 随着产业转型、技术革新与应用场景拓展，无人机 无人船或无人车一体化联合作业，亦正成为化解 遥感势必在智慧矿山建设中扮演重要角色.在矿 无人机续航难题的解决方案 区水文地质勘查、航磁异常调查方面的应用，趋向 (4)改善成果精度 于工作自动化、平台集成化、成果多元化、数据精 无人机遥感成果精度是行业应用中最引人关 准化的趋势发展；矿山生产管理方面，在采场爆破 注的指标，也是当前该技术饱受质疑的痛点.成果 设计、设备健康度巡查、运输调度、采空区探测、 精度取决于任务规划、相机分辨率、相机校准、重 巷道质量检测等场景的创新应用研究备受瞩目； 建算法与地面参照等，Sanz-Ablanedo等6研究了 矿区环境监测方面，搭载多光谱、热红外等传感器 地面参照因素中地面控制点数量和位置对于成果 模块的无人机遥感在废弃物管理、污染物监测、 精度的影响规律，分别对比4000个、400个、65个 复垦复绿、塌陷区调查中的应用仍较少见，技术应 控制点下的重建成果检验均方根误差，结论表明 用关键难题亟需解决；在矿山应急管理方面，融合 高密度地面控制点（每100张照片中至少3个控制 图像智能识别、增强现实/虚拟现实(ARVR)、数 点)才可达到高精度测量需求，且地面控制点应尽 值仿真技术，无人机遥感在隐患排查、紧急疏散、 量均匀分布在测量区域内；Balek与Blahut!+8以捷 安全培训、应急救援决策支持中的应用仍需深入 克境内一处滑坡体为研究对象，对比分析无人机 系统研究.此外，降雨、强风、严寒、低能见度等恶 摄影测量、全站仪、地面激光扫描3种方法监测体 劣气候条件作业限制，同样是制约无人机遥感技 积年变化量的效果，指出无人机遥感精度虽逊于 术应用场景扩展的关键因素，而随着防水、抗风等 其他方法，但其仍可满足监测需求且具备较大应 特种无人机飞行平台制造工艺成熟与传感器技术 用潜力，着重强调了相机校准参数以及摄影测量 日益革新，全天候作业的无人机遥感技术应用场 基础理论知识对于重建成果精度的重要性； 景将进一步丰富 Beretta等s指出相比于激光雷达、RTK基站等传 总之，更加智能化、集群化的工作方式、更强 统测量手段，无人机遥感可减少地表植被、移动机 的环境适应能力、更长的续航时间、更精准的机 械、水体反射等带来的测量误差.无人机遥感数 载测量设备是当前无人机技术革新的主要方向 据采集与处理是决定成果质量的最直接环节，当 无人机制造产业正发生着日新月异的变化，碳纤 前仍然面临诸多挑战：如高速飞行时电子快门易 维轻质材料的使用、电子器件微型化与低功耗 产生图像畸变、飞行姿态滚转时成像连续性差、 化、电池技术成熟化、机载定位组件精准化、操控 成果精度受地表植被影响、地面控制点布设采集 方式智能化、搭载传感器多样化、处理算法高效 工作量大等.硬件方面，可搭载的各类高分辨率数 化、计算设备云端化，以及与5G通信技术、虚拟 码相机、雷达、多光谱、热红外传感器技术革新飞 现实、大数据、人工智能等前沿技术的交叉融合， 速，将进一步拓展了无人机应用场景：机载RTK 将为解决数据传输带宽、协同时延、位置校验、复配套软件也正向智能化、自动化的趋势发展. 一 方面基于视觉、激光、声呐、超声等传感器无人机 可实现障碍物智能感知、碰撞预警、自主避障，避 免因撞击发生坠落意外，有效降低了操作难度；另 一方面，无人机航测软件可实现在手机、平板电脑 等移动端规划同步航线，实时维护航测区域、航 线、航高、重叠率等飞行参数，使其自主完成飞行 任务. （3）提升续航时间. 市面上多数中小型无人机采用高容量电池驱 动，续航时间难以得到保证，尤其是旋翼型无人机 功耗巨大飞行时间常限制在 20～40 min，难以胜任 矿山大规模应用场景. 除研制高效锂离子电池、 电力与燃料混动系统、低功耗微型电子器件、减 轻无人机重量等方法外，固定翼与旋翼混合飞行 模式、太阳能电池、无人机集群化协同作业、以及 无人船或无人车一体化联合作业，亦正成为化解 无人机续航难题的解决方案. （4）改善成果精度. 无人机遥感成果精度是行业应用中最引人关 注的指标，也是当前该技术饱受质疑的痛点. 成果 精度取决于任务规划、相机分辨率、相机校准、重 建算法与地面参照等，Sanz-Ablanedo 等[64] 研究了 地面参照因素中地面控制点数量和位置对于成果 精度的影响规律，分别对比 4000 个、400 个、65 个 控制点下的重建成果检验均方根误差，结论表明 高密度地面控制点（每 100 张照片中至少 3 个控制 点）才可达到高精度测量需求，且地面控制点应尽 量均匀分布在测量区域内；Balek 与 Blahůt[48] 以捷 克境内一处滑坡体为研究对象，对比分析无人机 摄影测量、全站仪、地面激光扫描 3 种方法监测体 积年变化量的效果，指出无人机遥感精度虽逊于 其他方法，但其仍可满足监测需求且具备较大应 用潜力，着重强调了相机校准参数以及摄影测量 基 础 理 论 知 识 对 于 重 建 成 果 精 度 的 重 要 性 ； Beretta 等[65] 指出相比于激光雷达、RTK 基站等传 统测量手段，无人机遥感可减少地表植被、移动机 械、水体反射等带来的测量误差. 无人机遥感数 据采集与处理是决定成果质量的最直接环节，当 前仍然面临诸多挑战：如高速飞行时电子快门易 产生图像畸变、飞行姿态滚转时成像连续性差、 成果精度受地表植被影响、地面控制点布设采集 工作量大等. 硬件方面，可搭载的各类高分辨率数 码相机、雷达、多光谱、热红外传感器技术革新飞 速[1] ，将进一步拓展了无人机应用场景；机载 RTK 技术大幅提升无人机飞行定位定姿系统数据测量 精度，预期将在无地面控制点（GCPs）的情况下可 获得 cm 级精度成果，进一步简化工作流程；此外 有研究者[16] 指出在人工难以获取地面控制点的高 危环境下，地面光扫描点云数据可替代作为地面 控制点. 在处理算法方面，商用软件在重叠率、飞 行速度、仰角等最优参数选取上缺乏通用依据，算 法调校及验证难度高，研究者与软件厂商应开放 对话合作，研发适用特定应用场景的无人机遥感 建模算法. 同时，由于摄影测量重建计算量巨大， 后处理软件往往对系统硬件配置需求严苛，高性 能并行计算、云计算、全工作流程自动化处理等 技术框架研发迫在眉睫. （5）拓展应用场景. 无人机遥感在矿业领域应用仍处于探索阶段. 随着产业转型、技术革新与应用场景拓展，无人机 遥感势必在智慧矿山建设中扮演重要角色. 在矿 区水文地质勘查、航磁异常调查方面的应用，趋向 于工作自动化、平台集成化、成果多元化、数据精 准化的趋势发展；矿山生产管理方面，在采场爆破 设计、设备健康度巡查、运输调度、采空区探测、 巷道质量检测等场景的创新应用研究备受瞩目； 矿区环境监测方面，搭载多光谱、热红外等传感器 模块的无人机遥感在废弃物管理、污染物监测、 复垦复绿、塌陷区调查中的应用仍较少见，技术应 用关键难题亟需解决；在矿山应急管理方面，融合 图像智能识别、增强现实/虚拟现实（AR/VR）、数 值仿真技术，无人机遥感在隐患排查、紧急疏散、 安全培训、应急救援决策支持中的应用仍需深入 系统研究. 此外，降雨、强风、严寒、低能见度等恶 劣气候条件作业限制，同样是制约无人机遥感技 术应用场景扩展的关键因素，而随着防水、抗风等 特种无人机飞行平台制造工艺成熟与传感器技术 日益革新，全天候作业的无人机遥感技术应用场 景将进一步丰富. 总之，更加智能化、集群化的工作方式、更强 的环境适应能力、更长的续航时间、更精准的机 载测量设备是当前无人机技术革新的主要方向. 无人机制造产业正发生着日新月异的变化，碳纤 维轻质材料的使用、电子器件微型化与低功耗 化、电池技术成熟化、机载定位组件精准化、操控 方式智能化、搭载传感器多样化、处理算法高效 化、计算设备云端化，以及与 5G 通信技术、虚拟 现实、大数据、人工智能等前沿技术的交叉融合， 将为解决数据传输带宽、协同时延、位置校验、复 · 1092 · 工程科学学报，第 42 卷，第 9 期