震后基于無(wú)人機(jī)快速三維定位被困人員模型研究1

杜浩國(guó) 孫 志 杜浩標(biāo) 張方浩 湯筱麒 盧永坤 曹彥波 鄧樹榮 呂佳麗 和仕芳

1）云南省地震局，昆明 650224

2）中國(guó)人民解放軍31663 部隊(duì)，昆明 650224

引言

我國(guó)地震活動(dòng)具有頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣的特點(diǎn)，加之建筑物抗震性能差、人口密度大，地震常造成巨大經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。有關(guān)資料顯示，唐山地震發(fā)生后0.5 h、1 d、2 d、3 d、4 d、5 d 被埋壓人員救活率分別為99.3%、81%、52.6%、36.8%、18.9%、7.4%，時(shí)間再久救活率更低。未能快速準(zhǔn)確判斷廢墟中被困人員數(shù)量、位置及被埋壓深度是錯(cuò)過(guò)黃金救援時(shí)間的關(guān)鍵因素（許建華等，2016），因此，對(duì)震后基于無(wú)人機(jī)快速三維定位被困人員模型的研究具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)震后被困人員定位問(wèn)題進(jìn)行了研究，目前較先進(jìn)的定位方法主要為光學(xué)定位、紅外線定位、雷達(dá)定位、聲波定位、無(wú)線信號(hào)定位和遙感衛(wèi)星影像幾何定位。胡宇航等（2018）對(duì)光學(xué)定位方法進(jìn)行了研究，通過(guò)色彩對(duì)比提取降噪后震區(qū)人員視覺圖像特征，并與震區(qū)原始圖像特征進(jìn)行對(duì)比，獲取震區(qū)待搜救人員候選圖像，但光學(xué)定位方法受光線強(qiáng)度、廢墟遮擋、幸存者有效光信號(hào)微弱等因素限制，且對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求較高；孫黎明（2012）對(duì)紅外線定位方法進(jìn)行了研究，通過(guò)探測(cè)器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的物理信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)，由顯示器顯示出紅外熱圖像，從而幫助救援人員確定遇難者位置，但由于紅外線對(duì)廢墟穿透性較弱，導(dǎo)致定位誤差較大，無(wú)法進(jìn)行大范圍被困人員定位，需近距離操作，無(wú)法保證搜救人員安全；孫公德等（2017）對(duì)雷達(dá)定位方法進(jìn)行了研究，提出了應(yīng)用分布式超寬帶雷達(dá)探測(cè)地震被困人員的技術(shù)，主要研究了分布式超寬帶雷達(dá)協(xié)同探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建、超寬帶雷達(dá)生命跡象探測(cè)算法、分布式雷達(dá)節(jié)點(diǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)融合方法，為多雷達(dá)干擾抑制、分布式雷達(dá)節(jié)點(diǎn)自定位、微弱生命跡象穩(wěn)健探測(cè)、廢墟穿透定位誤差補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)難題提供了設(shè)計(jì)方案，但由于被埋壓人員無(wú)法移動(dòng)，嚴(yán)重影響了雷達(dá)探測(cè)效果，且雷達(dá)探測(cè)設(shè)備部件多、質(zhì)量大、不便攜帶；曹輝等（2007）對(duì)聲波定位方法進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)被困人員發(fā)出的各種求救信號(hào)進(jìn)行分析，確定適合現(xiàn)場(chǎng)搜救的有效信號(hào)，并提出適用于地震救助現(xiàn)場(chǎng)，基于振動(dòng)直達(dá)波到達(dá)時(shí)差的4 點(diǎn)時(shí)差定位搜索理論方法，但由于被埋壓人員無(wú)法時(shí)刻發(fā)出信號(hào)，嚴(yán)重影響了聲波探測(cè)效果，進(jìn)行快速大范圍探測(cè)難度較大；Wu 等（2013）對(duì)無(wú)線信號(hào)定位方法進(jìn)行了研究，利用已有WiFi 基礎(chǔ)設(shè)施和手機(jī)射頻信號(hào)研究移動(dòng)人員運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)終端設(shè)備自動(dòng)讀取RSSI 樣本和傳感器數(shù)據(jù)，從而省去了傳統(tǒng)定位方法所需的現(xiàn)場(chǎng)采集參考點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)程，但受WiFi 信號(hào)范圍限制，要求救援人員在廢墟上作業(yè)，難以保證救援人員安全；潘雪琛等（2019）對(duì)遙感衛(wèi)星影像幾何定位方法進(jìn)行了研究，基于遙感衛(wèi)星影像，利用高精度影像數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)獲取物方平面和高程坐標(biāo)后，將其視為精度較低的控制點(diǎn)參與區(qū)域網(wǎng)平差，從而實(shí)現(xiàn)在不額外增加實(shí)測(cè)控制條件的情況下提高定位精度。

基于上述方法局限性，本文采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行搜索定位（杜浩國(guó)等，2018），在很大程度上保證了救援人員生命安全，不僅能進(jìn)行大范圍搜索，還能提高搜索效率，三維定位模型對(duì)被困人員埋壓深度進(jìn)行精確定位，對(duì)提高震后被困人員存活率具有重要意義。

1 研究方法

1.1 技術(shù)路線

本方法技術(shù)路線為：采用無(wú)人機(jī)對(duì)搜索區(qū)域進(jìn)行全覆蓋搜索，利用無(wú)線信號(hào)RSSI 模型測(cè)量無(wú)人機(jī)與被困人員之間的距離；根據(jù)所測(cè)距離對(duì)被困人員進(jìn)行三維圓周定位；采用質(zhì)心定位模型確定被困人員精確三維坐標(biāo)信息；采用無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)獲取搜索區(qū)域高程與正射影像圖，得到基于ArcGIS 的地形+房屋三維矢量圖（李永強(qiáng)等，2006；杜浩國(guó)等，2021）；通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證模型精確性和高效性。震后基于無(wú)人機(jī)快速三維定位被困人員模型流程圖如圖1 所示。

圖1 震后基于無(wú)人機(jī)快速三維定位被困人員模型流程圖Fig. 1 The flow chart of the model of the trapped people based on the uav fast 3D positioning after the earthquake

1.2 無(wú)線信號(hào)測(cè)距模型

本文主要根據(jù)接收WiFi 信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行被困人員測(cè)距（徐秀杰等，2018），RSSI 測(cè)距技術(shù)利用無(wú)線電信號(hào)隨距離增大而有規(guī)律衰減的原理測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，根據(jù)讀取節(jié)點(diǎn)射頻芯片寄存器的值，可得到發(fā)射節(jié)點(diǎn)（如手機(jī)）發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收點(diǎn)（終端）根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算信號(hào)傳輸損耗，利用理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⑿盘?hào)傳輸損耗值轉(zhuǎn)換為距離值。根據(jù)謝益溪（2008）的研究得到無(wú)線信號(hào)傳播衰減模型如下：

其中：Pr(d)表示收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離為d時(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度（dBm）；Pr(d0)表示無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離d0=1 m 時(shí)，接收點(diǎn)接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度RSSI 值，一般取值為32.44；d0表示收發(fā)節(jié)點(diǎn)參考距離，通常取為1 m；n表示由環(huán)境決定的路徑損耗指數(shù)，一般為2～4，理想自由空間下取為2，非理想自由空間下＞2；XdBm表示均值為μ、方差為δ的高斯分布隨機(jī)數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)差為4～10。

根據(jù)謝益溪（2008）的研究，無(wú)線信號(hào)在自由空間中的路徑損耗模型如下：

其中：A為無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)相距1 m 時(shí)接收點(diǎn)接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度RSSI 值；A和n均為經(jīng)驗(yàn)值，與使用的硬件節(jié)點(diǎn)、無(wú)線信號(hào)傳播環(huán)境密切相關(guān)，理想狀態(tài)下RSSI 與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 理想狀態(tài)下RSSI 與距離對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 2 The correspondence between RSSI and distance value under ideal state

1.3 基于DSM 建模

數(shù)字表面模型（DSM）指包含地表建筑物、橋梁和樹木等高度的地面高程模型，本文從無(wú)人機(jī)遙感影像DSM 中提取建筑物高程信息，通過(guò)ArcGIS 轉(zhuǎn)換為海拔數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)房屋+地形三維建模。

1.4 無(wú)人機(jī)三維圓周定位

三維圓周定位模型是指在三維空間中以無(wú)人機(jī)（無(wú)線信號(hào)發(fā)射源）為圓心，以與信號(hào)接收點(diǎn)（手機(jī)）距離為半徑做球體，根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)變化，得到不同圓心與半徑的球體，其中不同球體相交區(qū)域即為無(wú)線信號(hào)接收點(diǎn)在三維空間下的精確位置。圖3 所示為無(wú)人機(jī)三維圓周定位模型理想狀態(tài)下對(duì)掩埋被困人員的定位，a、b、c三點(diǎn)為無(wú)人機(jī)在三維空間中的搜尋途徑點(diǎn)，d1、d2、d3為無(wú)人機(jī)與被困人員的直線距離可由式（5）計(jì)算得到，交點(diǎn)M為無(wú)線信號(hào)接收點(diǎn)在三維空間下的精確位置。

圖3 理想狀態(tài)下無(wú)人機(jī)三維圓周定位模型Fig. 3 The ideal positioning 3D model of UAV circumferential

1.5 質(zhì)心定位

質(zhì)心定位模型主要解決三維圓周定位中3 個(gè)球體不相交于一點(diǎn)的情況，使用模型定位被困人員（手機(jī)）時(shí)，通常將多邊形質(zhì)心定位模型簡(jiǎn)化為快捷的三角質(zhì)心定位模型，以提高計(jì)算效率。通過(guò)計(jì)算三維空間中3 個(gè)球體兩兩相交的切面圓圓心p1（x1，y1，z1）、p2（x2，y2，z2）、p3（x3，y3，z3），可得到被困人員（手機(jī)）三維定位坐標(biāo)M（x，y，z），如圖4 所示，進(jìn)而得到多質(zhì)心定位模型：

圖4 質(zhì)心定位模型Fig. 4 The positioning model of center of mass

其中：n為定位切面圓圓心數(shù)量。

1.6 精度分析

其中，P表示模型定位精度誤差率。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

2.1 研究區(qū)概況

由于紅河縣城人口密度高，房屋建筑結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜且抗震性能差，因此本文選取紅河縣城區(qū)作為研究區(qū)（李金香等，2018）。紅河縣位于云南省南部，紅河上游南岸，隸屬紅河哈尼族彝族自治州，是云南省地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)。境內(nèi)河谷狹窄，地勢(shì)中部高、南北低，山地面積大，是云南典型的高原山地縣城之一。

2.2 構(gòu)建基礎(chǔ)模型

本文利用無(wú)人機(jī)自帶的GPS 定位及圖像實(shí)時(shí)傳輸功能，實(shí)時(shí)建立房屋+地形三維空間矢量圖，圖5（a）所示為無(wú)人機(jī)紅河縣城高清影像，面積約4.2 km2。圖5（b）所示為基于地理信息空間技術(shù)的房屋框架矢量圖，該圖以紅河縣無(wú)人機(jī)航拍高清影像圖為基礎(chǔ)，采用地理信息空間技術(shù)對(duì)城區(qū)房屋進(jìn)行精確矢量化（杜浩國(guó)等，2019）。圖5（c）所示為紅河縣城區(qū)三維地形矢量圖，由無(wú)人機(jī)高清影像計(jì)算得到，可與房屋矢量圖進(jìn)行高精度配準(zhǔn)。圖5（d）所示為震后基于無(wú)人機(jī)快速三維定位被困人員基礎(chǔ)模型，基于圖5（a）、5（b）、5（c）計(jì)算得到，該模型不僅提高了定位精度，還增強(qiáng)了可視化程度。

圖5 基礎(chǔ)模型Fig. 5 The fundamental model (a)、The vector diagram of house frame based on geographic information space technology (b)、The 3D vector topography of Honghe county (c)、The model of fast location of trapped people after earthquake (d)

2.3 參數(shù)設(shè)置

由于紅河縣城區(qū)面積較大，本研究采用固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行搜索作業(yè)（鄧飛等，2017），其中飛行面積約4.2 km2（不考慮無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍），搜索路徑約54.4 km。由于城區(qū)內(nèi)建筑物最高海拔989 m，最低海拔813 m，為避免無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)與建筑物發(fā)生碰撞，將無(wú)人機(jī)飛行海拔設(shè)定為最高1 100 m，最低900 m，無(wú)人機(jī)搜尋路徑如圖6 所示。根據(jù)實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)與高分辨率遙感影像建筑物分級(jí)提取得到城區(qū)內(nèi)鋼筋混凝土房屋共475 棟，占房屋總數(shù)的6.431%，其余類型房屋共6 895 棟，占房屋總數(shù)的93.569%，因此參數(shù)n和A均以50 棟鋼筋混凝土房屋以外或鋼筋結(jié)構(gòu)較少房屋的實(shí)測(cè)均值為準(zhǔn)，即n=3，A=40，得到RSSI 與距離、距離與RSSI 對(duì)應(yīng)關(guān)系，RSSI 均取絕對(duì)值，如圖7 所示。

圖6 無(wú)人機(jī)搜尋路徑Fig. 6 The search path of UAV

圖7 本研究RSSI 與距離對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig. 7 The correspondence between RSSI and distance value in this study

2.4 模型硬件配置

采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行快速搜索，利用其在一定搜索區(qū)域內(nèi)可快速獲取被困人員信息網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，計(jì)算得到搜索區(qū)域手機(jī)數(shù)量、信號(hào)強(qiáng)度和MAC 地址等信息。根據(jù)RSSI 測(cè)距、圓周定位與質(zhì)心定位，實(shí)現(xiàn)搜索區(qū)域手機(jī)快速三維定位，并在信息終端（計(jì)算機(jī)）以三維圖形的方式進(jìn)行顯示。模型主要分為搜索系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，其中搜索系統(tǒng)主要由無(wú)人機(jī)、無(wú)線路由中繼器、WiFi 模塊、機(jī)載電源等設(shè)備組成，顯示系統(tǒng)主要包括以ArcGIS 為基礎(chǔ)的房屋+地形三維信息。

被困人員定位思路為：無(wú)人機(jī)信號(hào)搜索系統(tǒng)通過(guò)自帶的wifi 熱點(diǎn)中繼設(shè)備獲取手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度RSSI，并通過(guò)無(wú)人機(jī)遙控終端設(shè)備進(jìn)行信息傳輸，將數(shù)據(jù)傳送到用于信息控制與處理的計(jì)算機(jī)，同時(shí)通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取研究區(qū)遙感信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)三維建模，對(duì)被困人員位置進(jìn)行三維圖形化顯示。

3 結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于無(wú)人機(jī)快速三維定位被困人員模型的準(zhǔn)確性和可行性，在紅河縣城區(qū)不同區(qū)域布設(shè)30 臺(tái)智能手機(jī)，每臺(tái)手機(jī)經(jīng)過(guò)設(shè)置后可在無(wú)人機(jī)飛過(guò)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速連接并進(jìn)行高效的信息傳輸，表1 所示為模型搜索結(jié)果，共有26 臺(tái)手機(jī)被定位，剩余4 臺(tái)手機(jī)無(wú)定位消息，可顯示被定位手機(jī)三維坐標(biāo)（經(jīng)度、緯度、海拔）、連接起始時(shí)間、無(wú)線信號(hào)接收強(qiáng)度、信號(hào)質(zhì)量、信息傳輸速度。此次無(wú)人機(jī)飛行搜索時(shí)間共2 h 5 min，共2 個(gè)飛行架次，搜索面積約5 km2（考慮無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍）。圖8 所示為三維定位可視化模型結(jié)果，模型中將O（102.401 443，23.376 687，830）設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，經(jīng)度設(shè)為x軸，緯度設(shè)為y軸，海拔設(shè)為z軸，從圖8 中可直觀清晰地看出26 臺(tái)手機(jī)的三維定位位置。

圖8 三維定位可視化模型結(jié)果Fig. 8 The model results of 3D localization visualization

表1 模型結(jié)果Table 1 The results of model algorithm

表2 所示為模型定位被困人員位置與實(shí)際位置對(duì)比結(jié)果，其中平均誤差率為4.97%，漏檢率為13.3%，最大誤差為11.59%，最小誤差為0.000 71%。這是由于手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度在建筑物中受不穩(wěn)定因素的干擾，波動(dòng)較大，且人工測(cè)量實(shí)際坐標(biāo)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生誤差，但誤差范圍較小，證明本文提出的定位模型可在有障礙阻擋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)手機(jī)定位。與傳統(tǒng)的人工搜索和架設(shè)固定儀器探測(cè)相比，本文采用的無(wú)人機(jī)定位技術(shù)可與被困人員手機(jī)保持最近距離探測(cè)，即無(wú)人機(jī)在搜索過(guò)程中會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)與被困人員手機(jī)保持最近距離信息傳輸，在搜索效率與精度方面具有優(yōu)勢(shì)。

表2 模型定位被困人員位置與實(shí)際位置對(duì)比結(jié)果Table 2 Comparison results of position of trapped people located by model and real position

4 結(jié)論

針對(duì)震后被倒塌建筑物或滑坡埋壓的被困人員進(jìn)行快速定位問(wèn)題，本文提出了震后基于無(wú)人機(jī)快速三維定位被困人員模型，與以往人工定位方法相比，本研究提出的模型優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在無(wú)須組織大量人工進(jìn)行被困人員搜索，保證了搜索人員人身安全，提高了搜索效率與精確度。利用無(wú)人機(jī)遙感影像提取技術(shù)與三維定位技術(shù)，構(gòu)建了地形+房屋三維定位模型，具有三維直觀的可視化效果。但本次模型研究?jī)H利用了遙感影像高程差及短距離無(wú)線信號(hào)傳輸，后期研究將結(jié)合多遙感數(shù)據(jù)、無(wú)線信號(hào)增強(qiáng)模型及無(wú)人機(jī)超低空飛行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，避免無(wú)人機(jī)快速飛行搜索時(shí)發(fā)生遺漏被困人員的情況。