面向环境监测的覆盖最大化自主无人机路径规划：一项系统文献综述

# 面向环境监测覆盖最大化的自主无人机航线规划：一项系统性文献综述
来源：https://arxiv.org/html/2607.13054
###### 摘要

利用无人机进行环境监测需要航线规划方法在覆盖面积最大化的同时，兼顾能量限制、操作约束和几何复杂性。本文报告了一项关于面向覆盖导向环境监测的自主无人机航线规划的持续系统性文献综述（SLR）的协议和初步结果。该综述遵循PRISMA 2020框架，检索了Scopus和Web of Science中2015年至2026年间发表的研究。协议重点关注路径规划、覆盖路径规划和信息性路径规划，强调算法家族、覆盖与能量指标、障碍物处理、几何环境表示以及环境约束。目前阶段已识别562条记录，移除161条重复记录，对401条唯一记录进行了标题、摘要和关键词筛选。从中保留247项研究进行全文资格评估（235项合格，12项边界记录将在全文审查期间解决）。对保留研究的初步分析表明，研究高度集中于覆盖导向公式、多无人机协调和能量感知优化，而明确处理天气、不确定性或障碍物丰富环境的研究较少。大多数保留研究依赖基于仿真的验证，凸显出潜在的仿真到现实差距，近期出版物对强化学习、混合优化和几何感知规划的兴趣日益增长。这些早期发现表明该研究领域活跃但分散，支持进行结构化综合以识别成熟技术和未解决差距的需求，从而服务于现实的环境监测任务。

## I 引言

无人机已成为环境监测中具有吸引力的平台，因为它们能够快速检查大片、不规则或难以进入的区域，同时收集高分辨率空间数据。然而，面向覆盖的任务规划并非简单的航点排序问题：它必须平衡监测区域、飞行时间、能量可用性、路径可行性和环境复杂性。代表性研究已展示了该领域的广度，从能量受限的区域覆盖和信息性地形监测，到多无人机分配和复杂场景的几何感知规划[6, 19, 9, 11, 16]。

文献增长迅速，涵盖了精确、启发式、元启发式、基于几何和基于学习的方法。近期工作也展示了当前方向的多样性，包括地形感知元启发式优化、轻量级多智能体协调、不连通区域的遗传覆盖以及连续轨迹优化[14, 17, 5, 4]。这种多样性令人鼓舞，但也使得难以比较不同研究之间的假设、指标和验证实践。

这篇进行中的论文报告了一项系统性文献综述的协议和初步筛选结果，旨在回答三个问题：*RQ1* 哪些算法家族在面向覆盖目标的自主无人机航线规划中最常用；*RQ2* 使用哪些指标来评估覆盖与能量成本之间的权衡；*RQ3* 哪些技术和环境限制仍未得到充分解决。本文的贡献有两个：一个针对该问题可重复的综述协议，以及标题-摘要筛选后保留研究的初步特征描述。

## II 综述设计

### II-A 协议

该综述遵循PRISMA 2020框架来构建识别、筛选、合格性和纳入阶段[15]。分析单位是任何提出、评估或比较在空间或操作约束下用于覆盖、监测或信息性探索的无人机航线规划方法的主要研究。

该协议采用PICOC视角（人群、干预、比较、结果和背景）设计。*人群*包括应用于环境监测和区域覆盖的无人机、无人飞行器或无人航空系统。*干预*包括路径规划、覆盖路径规划、信息性路径规划、优化方法、基于计算几何的建模以及障碍物处理。*比较*维度考虑替代算法家族，以及有/无能量或空间限制的变体。主要*结果*是覆盖面积、有用监测区域、行驶距离、能量消耗、飞行时间、计算成本、鲁棒性和几何可行性。*背景*是现实户外环境下的自主环境监测。表I总结了综述问题以及为每个问题计划的证据。

表I：综述问题与计划证据
### II-B 搜索策略与合格性

搜索在Scopus和Web of Science（核心合集）中进行，时间范围2015–2026，仅限于英文期刊文章和会议论文。选择这两个数据库是因为它们对计算机科学、工程和机器人领域的广泛索引，与IEEE Xplore和ACM数字图书馆的主要内容有大量重叠；将搜索扩展到这些接口是计划中的未来工作（第IV节）。查询结合了三个概念组：(i) 无人机相关描述词；(ii) 路径、航线、轨迹、覆盖和信息性路径规划概念；(iii) 覆盖最大化或环境监测术语。第四个限制能量、障碍物、优化或计算几何术语的块曾进行试点，但在敏感性检查后被放弃，因为它删除了仅在全文提及此类约束的相关覆盖路径规划研究；这些维度将在提取阶段捕获（表II）。平台适配的精确查询报告在图1中，以支持独立可重复的协议。

Scopus（高级搜索）：
```
TITLE-ABS-KEY( ("UAV" OR "unmanned aerial vehicle"
   OR drone OR UAS)
  AND ("path planning" OR "route planning"
   OR "trajectory planning"
   OR "coverage path planning" OR CPP
   OR "informative path planning")
  AND ("coverage maximization" OR "area coverage"
   OR "environmental monitoring"
   OR "maximum coverage") )
```

Web of Science（核心合集）：相同的三个概念块在TS= (主题) 字段中发布，时间跨度2015–2026。

图1：平台适配的精确搜索查询。Web of Science查询在TS=字段中重复使用相同的布尔概念块。第四个限制块（能量/障碍物/优化/计算几何）曾进行试点并在敏感性检查后移除；这些维度在提取阶段捕获。研究的纳入标准是：涉及无人机路径规划或覆盖，报告至少一种规划或优化方法，描述明确的性能指标或评估设置（标准I1–I5），并以英文在2015–2026年内发表（标准I6）。排除标准是：仅关注底层控制、通信或硬件（E1）；将无人机仅作为捕获平台（E2）；覆盖不是目标、约束或评估指标（E3）；非无人机平台且无明显方法迁移性（E4）；概念性工作或综述且无自身评估（E5）。重复记录（E6）在筛选前移除。重要的是，“覆盖”一词通过*目标函数*而非关键词解释：优化通信覆盖、信号范围或连接用户数的研究被排除（E3），而优化观测区域或空间信息的研究被保留。当前论文报告了截至标题-摘要-关键词筛选的过程；全文资格和质量评估仍在进行中。

### II-C 计划的质量评估与综合

综述的后续阶段将对每项全文研究应用结构化方法学质量检查清单。该清单评估目标清晰度、算法描述、环境规范、明确的操作约束、报告的指标、与既定基准（例如经典遗传算法、标准割草机模式或A*变体）的比较（而非仅与自生成变体比较）、计算效率报告以及局限性讨论。每个项目将按0、0.5或1分评分。同时，结构化提取表格将记录算法家族、环境表示、覆盖模型、传感器假设、约束条件、报告的指标、验证场景和比较基准。根据通用术语，提取明确区分*启发式*（特定问题的构造性规则，例如割草机/牛耕式、贪婪、螺旋）和*元启发式*（通用搜索，例如遗传算法、蚁群算法、粒子群算法），因为混淆两者会掩盖运行时间与最优性之间的权衡。表II列出了计划的提取维度。

表II：全文本分析的计划提取维度最终的综合预计将结合描述性、主题性和比较性分析，使综述能够对比算法选择与文献中使用的环境表示类型、操作真实性和评估实践。

## III 初步筛选结果

图2总结了当前的筛选状态。从562条识别记录（Scopus 384条，Web of Science 178条）中，移除了161条重复记录。剩余的401条唯一记录通过标题、摘要和关键词进行筛选。在此阶段，247项研究被保留进行全文资格评估，154项被排除。排除的主要原因是覆盖不是目标、约束或评估指标的记录（E3，96条），其次是综述或概念性工作且无自身评估（E5，23条），限于底层控制、硬件或传感的研究（E1，11条），2015–2026年窗口外的记录（I6，10条），非无人机平台（E4，8条），以及将无人机仅作为捕获平台的工作（E2，6条）。

从 Scopus 和 Web of Science 识别的记录 n = 562（Scopus 384；WoS 178）
重复记录移除 n = 161
通过标题、摘要和关键词筛选的唯一记录 n = 401
保留进行全文资格评估的研究 n = 247（235项合格；12项待解决）
筛选后排除 n = 154
E3:96, E5:23, E1:11, I6:10, E4:8, E2:6

图2：当前以PRISMA风格总结的综述流程（更新后的语料库包含Web of Science和2015–2026时间过滤器）。对247项保留研究的初步关键词辅助扫描揭示了若干趋势。覆盖导向公式占主导：196项保留研究（约79%）明确提及区域覆盖、覆盖路径规划或覆盖最大化。多无人机或协作设置在118项研究（约48%）中出现，表明协调和任务分配是核心关注点。能量相关约束出现在96项研究（约39%）中，几何相关概念出现在92项研究（约37%）中，而障碍物处理出现在58项研究中。相比之下，只有44项保留研究（约18%）明确提及天气、不确定性或动态环境。

保留的研究集也强烈偏向仿真：147项研究提及仿真或模拟场景，而46项提及现场实验、真实世界环境或真实数据。在方法术语方面，摘要显示启发式/构造性（63）和元启发式（63）线索的存在相当，基于学习的策略（42）出现增长，精确优化线索较少（19）。关于时效性，247项保留研究中有152项（约62%）发表于2023年至2026年之间，证实了近期活动的强烈集中。表III总结了这些非互斥信号。

表III：保留研究（n=247）的初步信号这些结果表明文献已为比较覆盖效率和能量感知规划提供了坚实的基础，但更丰富的环境 realism 仍然建模不一致。这一观察对环境监测至关重要，因为地形、障碍物、传感几何和不确定性可能显著改变路径可行性和信息价值。初步证据还暗示仿真仍然是默认的验证策略，这可能在方法转移到实际任务时限制外部有效性。

## IV 有效性的威胁

在当前阶段，有四个威胁值得明确关注。首先，表III中的初步模式是从标题、摘要和关键词推断的，而非基于全文编码，因此应将其解释为筛选层面的词汇信号而非最终证据；一个术语可能出现（例如“天气”）仅作为未来工作的提及而未被建模。全文阶段将用经过验证的全文编码替换这些信号。其次，截至本阶段的筛选由单名评审者执行，这引入了潜在的选择和主观性偏差。通过应用明确的*先验*纳入/排除标准、为每条记录记录决策和标准，以及采用目标函数规则来消除“覆盖”一词的异质性使用来缓解这一问题；边界记录被标记并与第二作者讨论。为增强可靠性，全文合格性阶段将由两名评审者进行双编码，并报告评审者间一致性（Cohen's κ）。第三，将来源限制于Scopus和Web of Science可能会错过在其他地方索引更好的场所；这通过两个数据库与IEEE Xplore和ACM内容的广泛重叠得到缓解，并计划在这些接口中进行补充搜索。第四，发表偏倚可能有利于那些有正面性能声明或更清洁仿真结果的研究。术语异质性（覆盖路径规划、区域覆盖、探索、信息性规划）还通过基于目标函数的合格性规则得到缓解。

## V 讨论与未来工作

初步证据表明该领域既活跃又碎片化。一方面，覆盖公式、多无人机协调和能量感知规划的主导地位表明核心议程正在成熟。另一方面，天气、不确定性和障碍物丰富建模的出现频率较低，表明许多研究仍在简化条件下进行验证。这一差距很重要，因为环境监测任务通常在复杂地理、变化大气条件下运行。