基于無人飛行器和GIS的防汛抗旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

田文生 范文睿

水質(zhì)災(zāi)害是我國特別是南方地區(qū)最常見且頻繁發(fā)生的嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害，一旦發(fā)生即會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)乩习傩赵斐蓢?yán)重的人生安全損失和財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)當(dāng)?shù)卣＝?jīng)濟(jì)生活次序造成巨大影響（道路、電力中斷，飲用水、糧食減少，工業(yè)生產(chǎn)暫停等等）?？梢哉f每到汛期時(shí)間特別是主汛期來臨，各地政府人民都會(huì)對(duì)防汛減災(zāi)工作高度重視并且全力以赴減少降低損失。二十一世紀(jì)已邁入信息數(shù)據(jù)時(shí)代，信息亦是防汛抗旱工作決策的基礎(chǔ)，是正確分析和判斷防汛抗旱形勢(shì)、科學(xué)地制定防汛抗旱調(diào)度方案的依據(jù)。

隨著MEMS技術(shù)和無線通訊技術(shù)的快速發(fā)展，利用無人飛行器對(duì)水利信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將大大提高雨情、水情、旱情和災(zāi)情信息采集的準(zhǔn)確性及傳輸?shù)臅r(shí)效性，并通過后臺(tái)GIS地理信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析處理軟件對(duì)收集到的信息進(jìn)行全方位橫向縱向的分析，對(duì)各種災(zāi)情（水患干旱）險(xiǎn)情其發(fā)展趨勢(shì)作出及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，可提前或及時(shí)制定防洪抗旱調(diào)度方案，以及災(zāi)后的評(píng)估、查勘和定損，為決策部門科學(xué)決策提供更有效、更真實(shí)的數(shù)據(jù)依據(jù)。同時(shí)，無人飛行器的組裝、拆卸、運(yùn)輸和操作也極為方便，在運(yùn)用時(shí)完全不受地面交通道路等條件的影響，有效的保障了在搶險(xiǎn)過程中指揮人員搶險(xiǎn)工作人員的人生財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)比傳統(tǒng)方式的信息收集，有著超高的靈活性和時(shí)效性，操作性和低成本性。

基于無人飛行器和GIS的防汛抗旱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是空中機(jī)器人智能控制領(lǐng)域關(guān)鍵性創(chuàng)新成果，具有高性能、低成本、多功能、微型化等特點(diǎn)，目前處于國際先進(jìn)水平。本系統(tǒng)采用開放型設(shè)計(jì)，可配置、可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，具有面向系統(tǒng)的可編程性。適用于多種結(jié)構(gòu)的無人飛行器。它集成了全自動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航、飛行穩(wěn)定控制、任務(wù)編程、視頻傳輸、視頻疊加（On Screen Display）、遙測(cè)數(shù)據(jù)記錄以及數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)裙δ?，地面站系統(tǒng)可實(shí)時(shí)接收機(jī)載系統(tǒng)傳回的視頻、聲音以及數(shù)據(jù)信息，通過三維渲染模型，更加真實(shí)的顯示飛行器在空中的飛行姿態(tài)、地理位置、飛行軌跡、作業(yè)情況等信息。通過設(shè)置導(dǎo)航點(diǎn)信息，系統(tǒng)可控制飛機(jī)器自主完成飛行任務(wù)，飛行過程中也可臨時(shí)修改導(dǎo)航路徑，在出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)情況判斷，選擇繼續(xù)完成預(yù)定任務(wù)、緊急迫降或自動(dòng)返航。

一體化地面站的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)配備GIS地面系統(tǒng)軟件，并可以隨車移動(dòng)辦公，隨時(shí)到達(dá)離險(xiǎn)情近的相對(duì)安全區(qū)域，包含航跡規(guī)劃、電子地圖、飛機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等。根據(jù)目標(biāo)區(qū)域，自動(dòng)規(guī)劃航線，完全覆蓋任務(wù)區(qū)域；地面站實(shí)時(shí)顯示飛行器飛行數(shù)據(jù)和定位信息。自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)控制任務(wù)載荷執(zhí)行任務(wù)，包括定時(shí)、定距拍照與定點(diǎn)拍照。

無人飛行器裝上高清航拍攝像機(jī)飛行，通過保證重疊率的航拍，和簡(jiǎn)便的軟件拼圖，獲得一個(gè)區(qū)域大致地貌的影像圖，方便快捷，現(xiàn)場(chǎng)幾個(gè)小時(shí)以內(nèi)就能完成數(shù)百張照片和處理。通過并行處理技術(shù)和海量數(shù)據(jù)工程化技術(shù)實(shí)現(xiàn)探測(cè)數(shù)據(jù)（CCD、視頻）產(chǎn)品的自動(dòng)化、實(shí)時(shí)處理，為探測(cè)信息提取、分析和指揮決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

后期航拍處理系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)航測(cè)在攝影比例尺、姿態(tài)角、重疊度等方面的嚴(yán)格限制，能夠處理現(xiàn)有航攝相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、組合寬角相機(jī)（包括各種全景數(shù)碼相機(jī)）的影像。通過無人機(jī)航攝攝所獲取的豎直攝影影像、交向攝影影像、傾斜影影像以及復(fù)雜航線多基線攝影影像；通過多視影像匹配自動(dòng)構(gòu)建空中三角測(cè)量網(wǎng)，能進(jìn)行多達(dá)10000片影像的大區(qū)域網(wǎng)光束平差；配合低空遙感的高分辨率影像，實(shí)現(xiàn)高精度航測(cè)定位；并且，能自動(dòng)化生產(chǎn)數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）等產(chǎn)品。

本系統(tǒng)的運(yùn)用了一下幾個(gè)方面的技術(shù)創(chuàng)新：

（1）捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)算法及優(yōu)化。

根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本工作原理，捷聯(lián)姿態(tài)算法是整個(gè)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。它既涉及到載體姿態(tài)的實(shí)時(shí)解算，又關(guān)系到“數(shù)學(xué)平臺(tái)”—姿態(tài)矩陣的即時(shí)修正。因此，其更新算法、計(jì)算機(jī)計(jì)算周期的選擇均需仔細(xì)選擇，才能保證系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性。

（2）傳感器信號(hào)的濾波技術(shù)，降低系統(tǒng)噪聲引起的誤差。

使用獨(dú)有數(shù)字濾波器算法，特別是對(duì)陀螺儀，經(jīng)過濾波后，準(zhǔn)確度提高一倍以上。該陀螺的刻度因數(shù)為20mv/so，即準(zhǔn)確度從0.07/s提高到了0.03/s。通過試驗(yàn)測(cè)試表明，給出的濾波器方法可以大大提高系統(tǒng)的使用精度。

（3）系統(tǒng)的標(biāo)定及補(bǔ)償，利用軟件通過誤差補(bǔ)償措施來提高使用時(shí)的實(shí)際精度。

該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要涉及以下幾個(gè)方面：

1.飛行信息的實(shí)時(shí)回傳

在飛行過程中實(shí)時(shí)回傳視頻信息，供地面人員參考，為更進(jìn)一步是地面人員了解飛行器的狀態(tài)，在視頻數(shù)據(jù)上面疊加了經(jīng)緯度，高度，速度等信息，避免了通過外加一路數(shù)據(jù)通道傳輸數(shù)據(jù)的問題。

在高度信息處理上，使用氣壓計(jì)獲取高度，而不是直接使用GPS高度，這樣避免了飛行器快速移動(dòng)過程中，產(chǎn)生的高度誤差，使高度更精確，

2.GPS抗干擾和快速定位

因?yàn)轱w行器上面無線傳輸設(shè)備功率較大，設(shè)計(jì)對(duì)GPS搜星干擾明顯，GPS采用獨(dú)有的抗干擾設(shè)計(jì)，并為GPS增加后備電池，支持熱啟動(dòng)，大大增強(qiáng)GPS抗干擾能力，加快了GPS定位速度，熱啟動(dòng)模式下，20秒以內(nèi)就可以的快速定位。

3.飛行器設(shè)備一體化電源管理

因?yàn)轱w行器上面需要載有攝像頭，視頻傳輸、姿態(tài)控制、 GPS等多個(gè)模塊，在供電上采用一體化供電方案解決機(jī)載設(shè)備布線繁雜的問題，并在電源模塊設(shè)計(jì)上增加了濾波，最大限度避免了對(duì)視頻信號(hào)的干擾。

4.自動(dòng)天線跟蹤系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是為地面信號(hào)接收系統(tǒng)提供全方位的信號(hào)接收能力。飛行器飛行中，我們?yōu)榱双@得更好的視頻信號(hào)接收質(zhì)量，希望采用高增益的接收天線。但高增益的天線往往伴隨著狹窄的有效角度。自動(dòng)天線跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是為了解決飛行器飛行時(shí)定向天線難以保持在最佳收發(fā)角度的問題。性能參數(shù)：自動(dòng)天線跟蹤系統(tǒng)內(nèi)部有高質(zhì)量的電器滑環(huán)，可以連續(xù)無限旋轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生線纜纏繞的問題，內(nèi)建的電子羅盤使得系統(tǒng)可以即插即用，無需額外的方向初始化操作。

5.地面GIS系統(tǒng)

地面GIS系統(tǒng)是建立在自駕儀系統(tǒng)基礎(chǔ)上的帶地面軟件的GIS控制系統(tǒng) 。它除了擁有基本飛行控制功能之外，還能編輯3D地圖航點(diǎn)、規(guī)劃飛行航線、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的飛行姿態(tài)反饋以及航拍圖像合成?？蓱?yīng)用于專業(yè)航拍（AP）、遙感測(cè)繪、航空探礦、災(zāi)情監(jiān)視、交通巡邏、治安監(jiān)控、森林防火、電力巡線等廣泛領(lǐng)域。