无人机正处于技术快速突破与应用快速增长的重要时期,将成为低空经济发展的重要推手。低空智联网是无人机产业发展的基石,是在低空空域实现“人—机—物”三元融合万物智能互联的重要基础设施。低空智联网体系架构就是依托天空地海网络基础设施,实现传统互联网络向万物智能互联网络演进,形成适合低空业务数字化、智能化运营的实体网络空间,可为无人机产业发展提供一个网络化、数字化、智能化的运营环境,对促进低空经济发展具有重要意义。
日益增长的无人机飞行需求与有限的低空空域之间的矛盾愈发激烈,世界各国都在推进无人机管控政策和技术手段研究,即便在最自由的美国G类非管制空域,管理当局也在制定更为严格的无人机管控措施。无人机云端管理系统作为一种新型的数字化监管手段,其系统建设框架和技术路线得到了国内外学者和监管部门的广泛关注与研究。地理信息技术作为云端管理系统的应用技术之一,具体体现在以下几方面:利用全球导航卫星系统(GNSS)实现无人机精准空间定位;通过遥感技术(RS)获取影响无人机飞行安全的地理约束要素信息;基于地理信息系统(GIS)对低空地理空间数据进行组织管理以及构建低空虚拟地理环境等。论文结合团队在无人机低空应用上的研究进展,指出地理信息技术可以在云端管理和航路规划方面为无人机运行管理提供解决方案。
无人机组网遥感数据是指在无人机组网条件下获取的遥感观测数据。随着无人机组网系统的复杂化,获取的遥感数据呈几何量级增长,迫切需要一种与无人机组网技术相匹配的标准化无人机组网遥感数据管理体系。遗憾的是,迄今为止,国内外还没有完善的无人机组网遥感数据体系,也没有相关文献系统地介绍无人机组网遥感数据体系的发展历程。论文依次对无人机组网遥感数据的发展历史、数据特点、数据界定和分类标准、获取和处理流程、不同场景下的应用进行了系统的梳理,指出了无人机组网遥感数据体系未来的研究方向。研究成果是无人机组网遥感数据体系研究的一次探索,将为无人机组网条件下相关行业标准的制定提供参考依据,也为无人机组网遥感数据的深层次应用提供借鉴。
针对无人机在遥感遥测领域组网过程中存在的随机故障,进而导致无人机在任务执行过程中任一约束的及时响应缺失,将会影响任务总体结果或导致整个任务部分及完全失败的问题,论文提出无人机遥感组网冗余容错方法。该方法采用领航—跟随的无人机编队飞行模式,多台组网无人机稳定可靠完成指定的飞行任务,验证了冗余容错方法,解决了无人机遥感组网冗余容错技术中的有和无的问题。
随着民用无人机在物流配送、地理信息探测和应急救援等领域的快速发展,美国联邦航空局(FAA)和美国航空航天局(NASA)合作开发了无人机交通管理系统(UTM),并开展了大量的验证试验。根据技术难度,NASA将运行技术和相关的飞行验证试验分为4个技术能力水平阶段,其中第三和第四阶段是UTM试验的核心阶段,也是技术难度最高的2个阶段。论文整理了美国无人机交通管理系统第三和第四技术能力水平阶段的飞行验证试验,根据各项关键技术,对试验内容及运行场景等进行了概述,总结了相关试验经验,对中国无人机运行管理系统的试验设计提出了建议。
无人机应用日益广泛,但随着城市环境建设的不断推进,无人机在城市中安全运行的问题也日益突出,因此无人机低空障碍物环境风险评估成为无人机领域研究的关键问题之一。论文按照不同类型无人机及运行高度将低空空域划分为微型、轻型和小型无人机风险评估区域,在充分考虑无人机自身形状大小、运动约束以及障碍物约束等条件的基础上,提出一种近似点扩张算法,基于障碍物原始边界生成扩张边界,并将其作为低空飞行环境中高风险与低风险之间的风险过渡区。以京津新城为例,分别提取不同风险评估区内的障碍物要素,并基于风险评估技术生成面向微型、轻型和小型无人机多高度层的低空飞行障碍物环境风险地图,按其对无人机威胁程度分为高风险区、高风险过渡区、中风险区和低风险区。实验结果表明:研究区内微型、轻型、小型无人机风险评估区内的风险过渡区分别占10.9%、7.3%、9.0%,该方法可以在考虑无人机与障碍物相互影响的基础上,计算飞行区域内无人机潜在碰撞风险区域,实现对低空障碍物环境风险的科学有效评估,为不同机型的无人机在飞行区域内的可航行性提供科学参考。
为解决无人机数量的快速增长导致其对地面尤其是城市内运行风险的提升,提高无人机的运行效率,减少无人机对地面人群造成的威胁,需基于人群密度对无人机制定特定的路径规划。然而,现阶段对无人机进行路径规划时仍以静态人口统计数据作为地面风险的分析依据,未能根据人群密度的时空变化特征对无人机进行实时路径规划。论文首先分析城市路网人群密度时空数据特征;其次,利用卷积神经网络对不同区域的人群密度进行预测;最后,根据已预测的人群密度数据,利用改进A*算法对无人机进行实时路径规划及风险评估。使用该模型对北京上空无人机路径进行规划,结果显示,无人机运行风险降低了76%,可为无人机交通管理系统实时路径规划功能的建立提供理论参考。
随着中国低空空域的陆续开放,依靠现有的低空飞行气象保障技术为低空安全飞行提供服务略有不足,对飞行影响最大的风进行预报也有一定的困难。论文基于WRF(Weather Research and Forecasting Model)中尺度数值模式,对2015—2019年京津冀地区的风速风向进行模拟,并将模拟结果与气象站观测数据进行对比分析,可为该地区无人机低空航路飞行安全提供保障。结果表明:WRF模式能够较好地模拟风速的季节变化趋势,平原地区的模拟效果优于山区,山区模拟的风速偏大,但误差在可接受的范围内(RMSE<1.5 m·s-1)。平均风速、最大风速最小值均出现在夏末,平均风速最大值出现在春季(山区4.43 m·s-1、平原4.13 m·s-1);最大风速在冬、春、夏初呈波动递增,夏季中旬开始减少,夏末秋初降至最小。京津冀地区风速呈西北向东南递减,泊头站(-0.02 m·s-1·(5 a)-1)和天津站(-0.02 m·s-1·(5 a)-1)平均风速呈下降趋势,其余站点风速呈上升趋势,唐山站上升率最大(0.08 m·s-1·(5 a)-1);在风速季节空间分布中,平均风速以上升趋势为主,站点所占比例为春季45.45%、夏季90.91%、秋季63.63%、冬季81.81%。平原地区盛行风呈东北—西南向;山区站点怀来站风向以WNW(18.70%)和W(15.01%)为主,蔚县站风向以N(16.79%)和NNW(12.03%)为主,相较于平原地区,山地地区风速8.0 m·s-1的大风数量显著上升。1000 m高度的平原地区大风出现频率显著增加,增长速度高于山地地区,不利于无人机飞行,风速17.0 m·s-1以上出现的概率明显高于山地地区。
论文结合民用机场净空保护需求,针对无人机监测系统在民用机场的应用可行性和有效性进行定量评估。首先,深入分析了无人机监测系统的多维度评价指标,从系统的功能、性能、可靠性、安全性、可部署性5个评价维度设计了10个方面的系统特征,包括监测覆盖区域、有效探测距离、空间定位精度、俯仰精度、目标跟踪能力、即时性度量、报警提示置信程度、目标识别能力、可靠性度量、信息安全和可部署性度量等。然后,结合这10个系统评价特征,建立基于模糊集和模糊测度的综合评估模型,设计多类无人机监测设备在机场真实场景的实验验证。实验结果表明,该方法可有效度量无人机监测系统对民用机场的适用性和有效性等,对不同类型的技术具有较好的兼容性,评价结果对民用机场无人机监测系统选择具有较高的参考价值。
无人机是低空领域准确、灵活、高效获取多种类型高分辨率遥感数据的重要载体,无人机遥感技术在行业应用创新和管理部门科学决策之间构筑起信息沟通的关键桥梁。随着科技的进步、大数据时代的来临,无人机遥感系统的硬件设备、信息提取方法都取得了飞速的发展;同时其在国民经济主要行业领域的应用也面临着前所未有的机遇和挑战。论文首先介绍了无人机遥感系统的硬件研发进展,并指出轻小型、高精度、标准化与集成化是未来无人机遥感系统发展的总体趋势。其次,详细介绍了目前轻小型无人机遥感应用在农业、林草业、电力、测绘、大气探测和地质灾害等行业的应用现状,指出实现无人机多源遥感数据获取、融合、分析和提取的综合平台是未来轻小型无人机在民用领域行业应用创新的关键所在。最后,针对载荷与飞行平台的一体化集成应用、无人机组网作业、海量数据管理和信息自动化提取等发展趋势提出了几点思考。轻小型无人机遥感在国民经济各行业应用的普及化和标准化,将有助于国家和区域社会经济的健康发展。
流域输沙过程是地貌学和地表动力学的重要研究内容,但传统的输沙过程监测方法仅能得到某个区域的总输沙率,无法推算其空间分布。论文以黄土高原绥德县窑家湾小流域为例,利用无人机摄影测量技术得到其2006年和2019年2期数字高程模型(DEM)并计算地形变化量;然后,根据质量守恒原理和多流向算法建立泥沙在空间上的输送模型,进而计算小流域输沙率的空间分布。实验结果表明,该模型能有效模拟泥沙在空间上的输送情况,输沙率出现质量不守恒的区域面积占比小于4%,且不守恒区域多为人类活动影响区。同时,论文讨论了DEM的选择和不同地形变化检测水平对模型结果的影响。当使用第一期DEM进行泥沙搬运路径推算时,质量不守恒区域的面积显著降低。使用误差空间分布图进行地形变化检测得到的输沙率结果鲁棒性更强。使用中误差进行地形检测得到的结果在不同置信度下变化较大。基于无人机地形变化检测的空间输沙模型能方便、快捷地提供详尽的输沙率空间分布,为地表过程研究带来了新的机遇。
位于横断山区的梅里雪山地区,受地形与气候的影响,该地区光学遥感及微波遥感应用较为受限。论文基于大疆精灵4RTK无人机搭配中海达UBase,于2018年11月9日和2019年11月12日对梅里雪山地区明永冰川末端开展了2期摄影测量,估算冰川消融区表面高程变化,监测冰川动态变化。研究结果表明:冰川区表面形态在不同位置有显著差别,航测冰川区中下部大量表碛覆盖,有少量沿冰川主流线方向发育的裂隙;航测冰川区中上部表碛覆盖较少,大量横向裂隙发育。2018年11月至2019年11月,明永冰川末端表面高程平均变化-1.67 m。冰川表面高程变化空间分布差异显著,在航测冰川区上部高程差存在正负交替现象,航测冰川区中部以减薄为主,而航测冰川区下部以增厚为主。与高亚洲地区其他山系冰川变化对比,梅里雪山地区是冰川表面高程变化最显著的地区。
近年来,无人机技术发展迅速。无人机的灵活、便携、超高分辨率等特性使其在冰川变化监测上具有很好的发展前景。论文以青藏高原腹地的唐古拉山小冬克玛底冰川为例,首次在海拔5400 m以上的地区开展了无人机航测,通过非冰川区的基岩对2019年7月20日、2019年9月27日和2020年7月16日3期航测产品进行相对校正,分析了小冬克玛底冰川在物质平衡年和消融期内的变化情况,并进一步讨论了无人机在冰川区观测时所遇到的问题及其优势,以期为后续研究提供参考。结果表明:利用无人机技术能够实现冰川在消融期内的末端、面积以及高程变化监测,并对冰川的细部特征进行分析,适合于小区域单条冰川的变化监测。
随着消费级无人机技术的快速发展,无人机航拍摄影资料成为城市形象感知研究的重要数据来源。论文基于社交平台“天空之城”获取的西安市无人机航拍照片、简介文本和拍摄地位置等信息,综合运用计算机视觉图片分析、计算机文本情感分析、社会网络分析和GIS空间分析等方法,探究无人机视角下的西安城市形象。研究发现:① 无人机航拍照片主要集中在主城区,周边郊县较为疏散,呈现“内密外疏”的空间格局,其核密度最高值区位于三区交界的城市中心地带,为南北向的“哑铃型”布局;② 视觉形象侧重对现代城市景观的描述,以人文景观类照片为最;③ 情感评价整体趋于积极正向,在主城区热门景点两极分化明显。最后,探索了无人机视角下城市形象建构与提升的综合机制,并对西安城市形象建设和无人机使用政策提出优化建议。
