三大技术破解“看不清、看不准、看不全”难题
无人机有了“火眼金睛”
智能无人机在自动起降机场进行测试。受访单位供图
近日，中国人工智能学会公布2024年度吴文俊人工智能科学技术奖获奖名单，由天津大学机器学习与数据挖掘团队牵头，一飞智控（天津）科技有限公司、天地伟业技术有限公司等单位参与的“低空智能感知关键技术与应用”项目荣获科技进步奖一等奖。这一成果标志着我国在低空智能感知领域取得了重要突破，为低空经济的发展提供了强有力的技术支撑。
应用面临诸多挑战
近年来，无人机在重大突发事件中展现出不可替代的价值。然而，无人机应用的核心技术——低空智能感知，却面临诸多挑战。
“低空智能感知技术的突破，对于我国低空经济发展至关重要。”天津大学教授胡清华在接受采访时表示，目前低空智能感知技术存在三大技术瓶颈：看不清、看不准、看不全。
胡清华解释说，雨雪雾霾等天气显著降低环境能见度，导致无人机图像识别精度急剧下降，“看不清”目标。现有方法难以对复杂介质的噪声特性进行精确建模，也缺乏跨模态动态学习机制，无法有效恢复退化图像中的关键特征信息。
此外，无人机高速飞行叠加地面动态目标运动会导致成像模糊。现有方法受限于刚体运动假设，难以准确消除高速成像与运动伪影产生的模糊和错位，这就导致无人机“看不准”。
与此同时，无人机还存在“看不全”的问题。单机视角受限使得全局空间信息缺失，现有方法依赖投影几何约束方法，导致三维空间信息不完整，在遮挡边界处难以准确判定拓扑关系，无法有效处理复杂的遮挡场景。
“这些难题严重制约了无人机在巡检安防、水情监测、应急搜救等国家重点领域的应用。突破这些挑战可显著促进我国低空感知技术进步，支撑低空经济产业发展迈向新台阶。”胡清华认为，解决低空智能感知难题迫在眉睫。
核心技术“破冰”
针对低空智能感知的三大难题，天津大学团队提出了三项核心技术创新：低空复杂环境全天候感知技术、低空感知基础模型自主进化技术和多机跨视角协同感知技术。
“在全天候感知技术方面，随着低空经济的发展，无人机在恶劣天气和复杂光照条件下的感知短板越来越明显。传统感知模型通过静态参数处理多模态信息，难以应对大雾、沙尘和低光照等复杂场景。”天津大学教授朱鹏飞解释道，“我们首创了‘退化—复原双向耦合’理论框架，解决了多因素交织影响的理论难题；构建了‘感知—解算—决策’动态闭环系统，让感知系统能自适应环境变化；研发了场景驱动的多源传感动态融合引擎，突破传统权重分配的局限。”
这些创新让无人机在恶劣天气下的目标追踪精度提升了6.3个百分点，低光照场景的目标检测性能提升了13.2%。
在低空感知基础模型自主进化技术上，朱鹏飞介绍：“数据是人工智能学习的基础，但低空感知领域的原始数据标注精度低、清洗成本高，且无人机高速飞行叠加地面动态目标运动带来的成像模糊问题，进一步加剧了数据的标注与清洗难度，导致传统模型难以学习到有效信息。”
为此，科研团队构建了全球最大的低空视觉感知开放数据平台——VisDrone，并以此为数据基础，依托天津市人工智能计算中心强大的昇腾算力底座打造了低空感知基础模型。通过引入不确定性感知建模，系统能自主评估数据质量，并不断优化模型的感知能力。团队还建立了“人在回路”的反馈机制，推动数据标注和模型进化的闭环联动，极大提升了系统的适应性和精准度。
谈到多机跨视角协同感知技术，朱鹏飞说：“这项技术的难点在于无人机集群在复杂三维空间作业时，单机视角有限，容易产生视野盲区，多源数据在跨视角匹配时也容易出现错位和偏差。”
科研团队通过创新研发了基于跨视角信息自适应交互匹配的协同感知框架，通过动态交互匹配模板和智能搜索区域生成机制，实现了多机单目标的协同跟踪。同时，采用局部—全局的多粒度匹配策略，提升了多机多目标的感知能力。在单目标跟踪中，多机协同将成功率提升了15.6%。在多目标场景下，30架无人机成功对3台高速机动车辆实现精准捕捉。
已在多个领域投用
天津大学团队的低空智能感知关键技术，已在诸多领域结出累累硕果。
“这项技术的突破，为多个行业带来革命性变革。”一飞智控（天津）科技有限公司总经理张云例数了技术创新带来的应用升级，“在公共安全领域，全天候感知技术与多机协同技术结合，可显著提升灾害救援、边境巡查等场景的响应能力。如森林火灾中，无人机群能穿透烟雾实时定位火源，并通过自主进化模型动态调整监测策略，有望大幅缩短应急响应时间。在城市管理中，该系统能精准识别违规建筑、交通事故等异常情况，助力提升城市治理效率。”
张云介绍：“在工业领域，该技术体系重塑了传统作业模式。风电运维借助全天候感知技术，可有效提升风机故障预判准确率。在农业植保中，该技术能进一步提升植被施药精准度，助力绿色农业发展。”
“在应急防汛中，即便是恶劣天气下，应用了全天候感知技术的无人机也能稳定作业，迅速抵达指定区域，为防汛工作提供现场数据。”天地伟业技术有限公司研究院院长于宏志分享该技术在应急防汛方面的重要作用，“自主进化技术使系统适应性增强、智能化提升，能更好地识别和分析防汛现场状况。多机跨视角协同感知技术实现全方位监测与数据融合，提高监测精度和效率，保障人员安全。”
从经济效益看，该技术已形成单机智能与集群协同两大产品群，累计销售33.4万台套，近三年新增收入约28.2637亿元。随着人工智能、5G通信等技术持续进步，低空智能感知技术有望在智慧城市、环境保护、交通管理、农业监测等领域开拓更广阔应用空间，为社会安全与民生保障提供坚实技术支撑。
