基于专利视角的新一代大幅面高精度航空测绘系统发展趋势研究

石煜攀 朱晓昕 朱晓杰 刘秀 张昕

随着航空摄影测试技术的发展，航空测绘相机逐渐发展为两个分支：其一为以搭载在无人机上的轻小型航测相机系统为主流方向，充分发挥了灵活机动、适应低空拍摄、应用限制小的特点。另一分支是以高分辨率、大幅面为主要特点的高端航空测绘相机，其能够实现高精度、高效率、高质量的“三高”航空摄影。本文以大幅面高精度航空测绘系统关键技术成像模式、测绘相机检校、光机结构技术、数据链路、图像处理为主要切入点，通过专利视角对技术发展方向、技术保护布局及发展前景等进行研判分析，为我国航空测绘技术的进一步高速发展提供借鉴和参考。

1.国内外技术发展现状分析

1.1专利申请趋势分析

航空测绘相机的相关专利申请从20世纪20年代开始出现，经历了萌芽期（1908-1990年）、发展期（1991-2010年）和快速发展期（2010年至今）。在萌芽期，年专利申请量不超过6件，Leica是这方面的先驱，之后随着胶片的广泛应用，胶片型航空测绘相机也随之流行开来。随着技术的不断进步，CCD （charge coupled device）技术给航空测绘相机发展带来了巨大的机遇，在70年代，德国公司DASA创造了世界上第一台CCD成像系统EOS，CCD作为航空测绘相机成像介质，在当时得到了长足的发展，在80年代后期，线阵CCD的出现为数字航空测绘相机的发展提供了技术支撑。

在发展期，专利申请开始增长，以美国为代表的世界各国在航空测绘方面投入了大量的资金和研发力量，制定了长期的发展计划，取得了重大的技术进步。90年代中叶数字航空摄影相机DPA（digital photogrammetry assembly）问世，引起了轰动。DPA的探测器由六条FairChild公司生产的10μm线阵CCD组成，像元12K，80mm焦距，采用三线阵机制实现多光谱和立体测绘功能，实现对大比例尺的测绘需求。从2010年后，随着中国专利申请的增加，技术呈现快速发展趋势。成像模式、测绘相机检校、光机结构技术、数据链路、图像处理等技术分支的专利申请整体都呈增长趋势。其中，成像模式技术一直以来都是测绘相机技术的研究焦点，近十年的专利申请量达上千件（图1）。

航空摄影测量从模拟测量逐步发展到数字测量，从原来的胶片式相机已经逐渐转变为数字相机。2000年以来，在国际上陆续出现并不同程度投入使用的大幅面高分辨率成像测绘相机，随着技术进步和发展，面阵型测绘相机幅面越来越大、测绘精度越来越高。以UltraCam系列相机和DMC系列相机为代表的国外高端航测相机，分别代表了拼接式相机和单一大幅面相机的领先水平。在国内领域，SWDC-4测绘相机也是采用外视场拼接的典型产品，在国内应用较广泛，但其核心部组件如镜头、相机后背等仍以国外成熟产品为主。

1.2专利申请区域分析

航空测绘相机的专利申请主要来自中国、美国、韩国、日本，这几个国家总的申请量占总申请量的78%。其中，中国的专利申请最多达到1262件，占总申请量的54%；美国排名第二，共申请了286件专利申请，占总申请量的13%；韩国排名第三，共申请了168件专利申请，占总申请量的8%。日本，欧洲、德国和俄罗斯等也有部分专利申请（图2）。

美国的专利申请出现最早，从20世纪20年代就开始出现，虽然美国的专利申请总量不多，但基础专利较多，是航空测绘技术整体实力最强的国家。日本的专利申请从20世纪80年代开始出现，近两年来日本株式会社公司申请了较多的关于航拍路线数据采集的专利。中国的专利申请出现较晚，第一件专利申请是关于航空摄影机电子激光测速仪，一种检定航空摄影机光学系统特性和成像质量的设备。从2008年开始，专利申请快速增长，一方面是由于我国近年来加大了对航空测绘技术的投入，产生了一定的技术成果，另一方面是由于在国家知识产权战略的驱动下，中国企业的知识产权意识在增强（图3）。

1.3 典型重点专利解读

本项目对检索到的相关专利申请，以专利申请人、同族专利、被引證信息、公开日期、政府资助专利情况等为重要参考指标，逐件阅读发明创造内容，最终确定重点专利技术100余件。本文共选取8件典型专利进行分析（表1），这些专利对新一代大幅面高精度航空测绘系统发展趋势技术研发、技术路线和发展趋势研判具有重要参考作用。

公开号为US20090268983A1的美国专利涉及多相机拼接的图像处理方式，每个相机具有光轴与其他相机镜头的光轴平行排列的镜头，以及具有一个或多个非相邻像素化传感器的数字图像传感器阵列。由一组传感器成像的部分完全填充在由其他传感器组成像的其他部分之间找到的图像间隙，从而可以产生目标区域的无缝镶嵌图像。

公开号为TWI383666的中国台湾专利为多重镜头相机系统之先进式动态接图方法，主要解决针对存在于多重镜头相机系统中的视差（parallax）现象，接图点随着物体距离而变化的问题，降低传统找寻接图点的区块比对方法所需要的高运算能力，可动态地调整接图点。

公开号为US6694064的美国专利涉及一种用于对齐多个数字图像以形成马赛克图像的计算机实现的方法和系统。该系统可用于计算和应用几何变换来对齐图像，从而形成无缝拼接。

公开号为EP0466979的德国专利涉及相机检校技术，用位置测量系统、光栅相机和光栅相机的处理装置在照明光线路径中使用移动针孔光阑进行共焦和同时图像生成，同步读出针孔膜片的像素，该专利申请人为Leica，申请时间较早，但仍具有一定的参考价值。

公开号为US9313411B2的美国专利涉及一种相机的失真校正装置和校正方法，通过重新映射畸变图像的像素来执行畸变图像的电子变焦和畸变校正。按照一个指定的电子变焦倍率，重映射控制单元控制重新映射由电子变焦和变形校正处理部，使得所述失真的校正因子除了电子变焦处理的电子变焦因子之外，校正处理被改变。公开号为US9940717B2的美国专利也属于校验技术，涉及一种几何相机自我校准质量评估的方法和系统，具有代表性。

公开号为US20210350618A1的美国专利为光机技术领域，涉及一种使用飞行器改进空中测绘的系统和方法，为与感兴趣区域的空中扫描相关联的UAV的UAV任务生成一组任务参数；控制无人机执行任务；生成与任务相对应的图像子组件；在显示器处呈现图像子组件。

公开号为JP2005252804A的日本专利涉及图像处理技术，通过使用多个投影仪，在相邻投影图像具有重叠区域的状态下，能够在执行平铺投影中适当地匹配重叠区域。

上述几个专利是重点专利的典型代表，通过所有重点专利的标引分析研究，现阶段国内外大幅面航空测绘领域的主要知识产权布局包括以下几个方面：相机/焦面组合构建大幅面拼接式相机的模式；拼接式/组合式相机的安装及测试装置；相机控制及环控技术；基于监测和图像处理方式实现的高精度影像拼接技术；针对相机特殊结构的仿真测试和检校环境搭建等。测绘系统的成像方式包括线阵、面阵、线面结合等方式，视场扩展拼接包含内视场、外视场、混合拼接等，测绘星际系统技术复杂度高，难度大，技术涵盖总体、光、机、电、热、算法等各个方面，美国、德国、日本等技术领先。

2我国新一代大幅面高精度航空测绘系统发展趋势与对策建议研究

2.1推动大幅面航空测绘相机技术产业化发展

高端航测系统是地理信心产业链中的高精尖设备，是国家遥感技术进步的重要体现，市场上对于高分辨率航空相机的需求处于上升的状态。目前，我国相关单位研制的超大幅面航空测绘相机能够获得画幅9亿像素级大幅面面阵图像数据，具有高分辨率、大基高比、大视场角等特点。但整体上，我国相关技术与国外相比仍有较大差距，对于市场竞争优势的产品和技术专利布局还不够，对于相关技术的产业化研制能力考虑不足。要基于产业化发展的思路，完善大幅面航空测绘相机的关键技术，实现体系化的知识产权保护布局。

2.2開展针对性大幅面航空测绘相机关键技术攻关

随着测绘地理信息发展进入了全面构建数字中国的关键期，测绘产品需求的旺盛期、地理信息产业发展的机遇期，航空测绘市场发展正处于大有作为、能够作为的黄金战略机遇期，要求尽快围绕大幅面航空测绘相机关键技术难题，开展灵活、有针对性的研发攻关。现有研究主要集中于大幅面航空测绘相机理论研究和试验验证，距离产品化、产业化还有诸多关键技术需要攻关，如内外视场混合拼接技术、相机控制和控温环节中的技术瓶颈等。

2.3加强国内创新主体的产学研合作

通过专利分析发现，美国、日本等发达国家创新主体开展航空测绘相机研究较早，在全球专利布局方面深耕多年，形成了一些基础专利，具有稳固的先发优势，且有些创新主体之间存在合作关系。我国各创新主体之间研究相对独立，虽然近年来专利申请量增加明显，但技术整体实力还不够，建议创新主体围绕技术研发需求，在自主创新渠道之外，在国内灵活采取专利技术合作研发、专利收购、专利转让和许可等多种技术交易和运营策略，构建完善的产学研合作网络。

2.4加强产业化发展的专利布局

总体上，我国的大幅面航空测绘相机专利布局处于理论研究和试验验证阶段的多，市场化特征不鲜明。随着大幅面航空测绘相机的产业化发展，各单位要继续完善在大幅面航空测绘相机技术领域的专利布局。根据自身研发情况，结合同领域内现有专利申请情况，选择重点领域，有序开展专利布局，建议基于产业化发展关键技术图谱和发展规划，根据不同技术的创新方向或是技术方案，进行具体的布局策略和挖掘方法，形成具有自主知识产权的大幅面高精度航空测绘产品。

（作者单位：石煜攀，朱晓昕，朱晓杰，刘秀，北京空间机电研究所；张昕，航天东方红卫星有限公司）