基于高精度DEM的地形感知和低空防撞預(yù)警飛行地理信息系統(tǒng)

謝小魁， 馮國(guó)祿

(1.北部灣大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 廣西 欽州 535011； 2.欽州市海洋資源與環(huán)境遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 欽州 535011； 3.廣西北部灣海洋生物多樣性養(yǎng)護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 欽州 535011)

新材料的廣泛應(yīng)用，加上嚴(yán)格的安全規(guī)則和完善的管理制度，使得常規(guī)的高空飛行的機(jī)動(dòng)性和安全性得到了很大的提高和保障。但目前民用飛機(jī)和武裝飛機(jī)有大量的低空飛行任務(wù)，如民用飛機(jī)在進(jìn)行自然資源測(cè)繪、生態(tài)環(huán)境調(diào)查、救援防火等任務(wù)時(shí)經(jīng)常需要進(jìn)行低空作業(yè)。而研究表明，飛行高度為1 000 m時(shí)，飛行器被地面雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的概率為100%；飛行高度為100 m時(shí)被地面雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的概率為30%，而飛行高度在15 m以下，由于地球的曲率以及山脈、森林等障礙物阻擋，成為雷達(dá)探測(cè)不到的“盲區(qū)”[1]，因此低空飛行也是武裝飛機(jī)提高突防和攻擊能力的重要方式。但低空飛行面臨著較大的可控撞擊事故風(fēng)險(xiǎn)[2]，可能導(dǎo)致機(jī)毀人亡，損失慘重。因而，通過高精度的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，開發(fā)數(shù)字地形感知和低空防撞預(yù)警功能，研發(fā)飛行地理信息系統(tǒng)(flight geographic information system，F(xiàn)GIS)很有必要，是保證低空飛行安全的重要科技手段。

飛行器上軟硬件資源極其有限，嚴(yán)重制約著地理信息技術(shù)的應(yīng)用。常規(guī)的移動(dòng)式地理信息系統(tǒng)存在體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)龐大、算法復(fù)雜等缺點(diǎn)。由于穩(wěn)定性不高，目前FGIS的研究和應(yīng)用較少。飛行地理信息系統(tǒng)中的數(shù)字地形感知和低空防撞預(yù)警構(gòu)建的核心技術(shù)包括DEM存儲(chǔ)的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)、多分辨率和數(shù)據(jù)容量、多數(shù)據(jù)疊加和多圖層融合、地形感知算法和防撞預(yù)警功能，對(duì)比精度優(yōu)選數(shù)據(jù)來(lái)源，可為FGIS的研發(fā)提供參考。

1 低空飛行防撞預(yù)警地理信息系統(tǒng)框架

研究表明，60%以上的飛行事故是由操縱飛機(jī)的駕駛員引起的，而不是由于機(jī)械故障或天氣引起，因而減少或杜絕飛機(jī)可控飛行撞地事故是保證飛行安全的主要因素[3-4]?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)理論和技術(shù)開發(fā)地形感知和防撞預(yù)警系統(tǒng)，可以使飛行員像操作電腦一樣，有更充裕的時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)和決策。這時(shí)飛行員不單單是操縱飛機(jī)的駕駛員，更是一個(gè)信息管理員。

飛行器綜合導(dǎo)航系統(tǒng)由多個(gè)導(dǎo)航子系統(tǒng)組成，一般包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)、地形輔助導(dǎo)航(terrain aided navigation，TAN)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所需要的地形高程會(huì)隨時(shí)間的累計(jì)出現(xiàn)計(jì)量誤差，因此，必須依賴其他系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行更新。理論分析和模擬仿真結(jié)果表明，現(xiàn)代的氣壓式高度表傳感器并不能滿足飛行器爬升時(shí)定位和修正慣導(dǎo)的任務(wù)[7]。北斗(BD)等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的迅速發(fā)展和廣泛使用，使得更多的飛行任務(wù)和精準(zhǔn)控制(例如地形感知警告和主動(dòng)回避)成為可能[8]，同時(shí)也會(huì)降低可控撞地事故發(fā)生的概率[2]。結(jié)合雷達(dá)定位、氣壓高度和無(wú)線電高度表(RA)等多手段綜合獲取地面高度，并利用無(wú)線電高度表的自主導(dǎo)航功能，可使低空飛行地形輔助導(dǎo)航和預(yù)警變得更為快速有效[10]。

移動(dòng)GIS平臺(tái)具有豐富的三維顯示和強(qiáng)大的空間分析功能，常見移動(dòng)GIS平臺(tái)包括的SuperMap，ArcGIS runtime，Osmdroid，Open Science Map，mapWindow等。但這些MGIS存在體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軟硬件資源要求高等特點(diǎn)，不適合軟硬件資源極其有限的飛行器，因此需要根據(jù)飛行器的特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)和研發(fā)FGIS。

充分利用“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)，融合多源信息，降低系統(tǒng)復(fù)雜度和資源需求，確保安全穩(wěn)定和快速實(shí)時(shí)響應(yīng)，是FGIS設(shè)計(jì)的首要考慮因素。筆者設(shè)計(jì)的FGIS體系結(jié)構(gòu)如圖1：利用北斗等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)，飛機(jī)實(shí)時(shí)獲取高精度的定位信息，在數(shù)字地形和GIS的支撐下，得到全方位的地面信息，提高了飛行人員在飛行過程中對(duì)地形的感知能力；結(jié)合雷達(dá)定位、氣壓高度等手段獲取地面高度；輔以無(wú)線電高度表(RA)、慣性測(cè)量單元，在衛(wèi)星信號(hào)短暫丟失時(shí)可以自主連續(xù)導(dǎo)航。

圖1 數(shù)字地形感知和防撞預(yù)警系統(tǒng)框架

2 數(shù)字高程存儲(chǔ)的物理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)

地形數(shù)據(jù)是表示地球表面起伏狀態(tài)(高程)的數(shù)據(jù)，常采用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和規(guī)則格網(wǎng)(GRID)兩種方式表示。規(guī)則格網(wǎng)在處理效率、分析功能等方面遠(yuǎn)優(yōu)于不規(guī)則三角網(wǎng)，建議采用規(guī)則格網(wǎng)作為存儲(chǔ)和表達(dá)方式。

DEM是最為常見的規(guī)則格網(wǎng)表示方式，能夠表示連續(xù)的空間起伏變化。是一種特殊的網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型，每個(gè)網(wǎng)格的值為高程值，網(wǎng)格大小稱之為空間分辨率。而坐標(biāo)信息含在DEM的元數(shù)據(jù)信息中，包括坐標(biāo)系、起始點(diǎn)坐標(biāo)、范圍等。

DEM是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型，其他各種地形特征值均可由此派生。如坡度、坡向、坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎(chǔ)上計(jì)算得到。由于飛行器計(jì)算資源有限，為了便于其實(shí)時(shí)響應(yīng)，在建設(shè)DEM時(shí)，同時(shí)制作坡度、坡向等派生信息，在需要時(shí)即時(shí)調(diào)用，以減少后期計(jì)算工作量。

3 多尺度分辨率和數(shù)據(jù)容量

多尺度分辨率的DEM可以讓飛行員和計(jì)算機(jī)利用不同視野的地形圖來(lái)觀察地形狀況。DEM的空間分辨率越小，地形的分析就越精細(xì)，但數(shù)據(jù)的計(jì)算量和存儲(chǔ)量會(huì)成幾何倍數(shù)地增加。為了提高檢索速度和適應(yīng)多種飛行任務(wù)的需求，可以采用粗、中、精多尺度(多級(jí))分辨率的DEM，對(duì)地面地形進(jìn)行多尺度動(dòng)態(tài)查詢和顯示，如此不僅可以加快顯示，也可以減少因?yàn)榉直媛什蛔愣a(chǎn)生的進(jìn)行動(dòng)態(tài)插值計(jì)算的工作量。

針對(duì)大范圍空間建議建設(shè)25 m、50 m、100 m、500 m、1 000 m等多種比例尺的DEM基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

飛行器上軟硬件資源有限，對(duì)數(shù)據(jù)容量有嚴(yán)格的限制。為此，以飛行區(qū)域?yàn)橹行?，南北范圍? 000 km，總面積為4×106km2進(jìn)行容量預(yù)估。

存儲(chǔ)容量評(píng)估原則以m為單位，表示地面高程。一個(gè)字節(jié)8位，表示范圍0～255 m；2個(gè)字節(jié)16位，表示范圍0～65 535 m；考慮地球高程和普通飛機(jī)的飛行高度，采用有符號(hào)的2個(gè)字節(jié)的整數(shù)存儲(chǔ)。

對(duì)非壓縮的二進(jìn)制格式，以網(wǎng)格數(shù)目、分辨率和總面積進(jìn)行理論評(píng)估；對(duì)文本和二進(jìn)制格式(TIF)，以實(shí)際DEM實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)測(cè)算。

我國(guó)的DEM測(cè)試結(jié)果見表1。以非壓縮的二進(jìn)制格式理論值為基準(zhǔn)，文本格式的容量大約為2倍；無(wú)損壓縮二進(jìn)制格式壓縮率接近理論值的70%。

表1 不同存儲(chǔ)格式的DEM數(shù)據(jù)量大小

用明碼的純文本(TXT，例如經(jīng)度、緯度、高程)格式簡(jiǎn)單，但存在數(shù)據(jù)冗余、存儲(chǔ)量大、效率低等缺點(diǎn)。二進(jìn)制存儲(chǔ)方式可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮、極大地降低數(shù)據(jù)量大小、提高訪問效率。常見的二進(jìn)制存儲(chǔ)方式有JPG、TIF格式等。對(duì)于坐標(biāo)定位的高程數(shù)據(jù)，建議采用TIF格式，因其為地理信息兼容格式,且效率更高。

4 數(shù)據(jù)疊加與多信息融合

單純的DEM提供的只有空間信息，有用信息比較少，缺少自然地理和人文地理屬性信息。通過疊加更多的地面信息，可為飛行器提供更全面的周圍環(huán)境信息。主要疊加信息包括地類(地表覆蓋)、重要標(biāo)志性建筑物和構(gòu)筑物、重要地物(山脈、河流、行政中心等)名稱以及飛行專題信息等，將地物分布和地形特征顯示成三維地形模型。地形地物融合后直觀地展示地形起伏和地表覆蓋情況[11]。同時(shí)，將其用于飛行工作的指導(dǎo)部署，可以顯著地增加輔助飛行決策的綜合性和科學(xué)性支撐材料。

5 地形感知和組合導(dǎo)航預(yù)警

(1)DEM數(shù)據(jù)的讀取。針對(duì)飛行器上硬件資源的有限性和軟件平臺(tái)的特定性，利用C/C++/Python等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開發(fā)專用的DEM訪問和導(dǎo)航軟件模塊，以提高其性能；針對(duì)地面平臺(tái)，可以選用成熟的GIS軟件(如國(guó)產(chǎn)的SuperMap或美國(guó)的ArcGIS)，利用其性能穩(wěn)定、功能豐富的特點(diǎn)以提供更高效的GIS服務(wù)。通過粗、中、精多級(jí)分辨率和金字塔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多尺度數(shù)據(jù)的高性能處理。

(2)地形感知和可視化。通過獲取飛行器位置和飛行參數(shù)變化數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)地顯示飛機(jī)前方特定范圍內(nèi)的三維地形圖(見圖2)。通過不同顏色來(lái)區(qū)分高程的大小和障礙的等級(jí)，可提高飛行人員地形感知能力；通過獲取飛行或模擬參數(shù)，可以查詢出高程；通過文字信息表達(dá)經(jīng)緯度對(duì)應(yīng)的高程以及飛機(jī)相對(duì)于地面的高度、平均高度、最低高度、最高高度等統(tǒng)計(jì)信息。

圖2 數(shù)字地形訪問邏輯

(3)模擬飛行。根據(jù)飛行的目標(biāo)和任務(wù)、地形和地貌自動(dòng)規(guī)劃航跡，并進(jìn)行模擬飛行，提前讓飛行員熟悉沿途主要環(huán)境，提高飛行機(jī)組對(duì)地形和障礙的感知能力[12]，為應(yīng)急決策提供先驗(yàn)信息。

(4)組合導(dǎo)航與預(yù)警。由于GNSS接收機(jī)采樣頻率的限制，每秒鐘只能獲取2至10次的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，因此利用GNSS對(duì)飛行器進(jìn)行定位獲取的是離散坐標(biāo)；結(jié)合慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit，IMU)獲取的飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)，用于進(jìn)行連續(xù)定位；對(duì)比DEM計(jì)算相對(duì)位置，根據(jù)相對(duì)高差劃分安全等級(jí)，當(dāng)高差小于閾值時(shí)進(jìn)行預(yù)警；由于IMU具有較大的累積誤差，因此需要利用GNSS定期對(duì)IMU進(jìn)行校準(zhǔn)。GNSS結(jié)合IMU的組合導(dǎo)航具有定位的連續(xù)性(圖3)。根據(jù)IMU速度和加速度對(duì)航跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，還可以提前加載預(yù)測(cè)的最可能的地形數(shù)據(jù)，進(jìn)而提升響應(yīng)速度。

目前，由于人工智能的快速發(fā)展，TensorFlow、PyTorch等深度學(xué)習(xí)框架得到了廣泛應(yīng)用。組合多種傳感器，利用深度學(xué)習(xí)對(duì)疊加的多源信息進(jìn)行特征識(shí)別和信息提取，可實(shí)現(xiàn)智能避障和自主飛控[13-14]。

圖3 組合導(dǎo)航預(yù)警

6 數(shù)據(jù)來(lái)源和精度

建立DEM的方法有多種,從數(shù)據(jù)源及采集方式角度分有：(1)直接從地面測(cè)量，所涉及的儀器可以用GPS、全站儀等測(cè)繪儀器；(2)使用低空無(wú)人機(jī)航空獲取，包括立體像對(duì)攝影測(cè)量和激光雷達(dá)測(cè)高等；(3)通過衛(wèi)星獲取，例如可通過立體像對(duì)衛(wèi)星和微波雷達(dá)衛(wèi)星獲取。

針對(duì)大范圍DEM數(shù)據(jù)獲取的實(shí)際需求，建議首選高空衛(wèi)星(微波雷達(dá)衛(wèi)星、激光測(cè)高、立體像對(duì))進(jìn)行前期建設(shè)，后期逐步補(bǔ)充部分重要地區(qū)低空無(wú)人機(jī)飛行攝影測(cè)量數(shù)據(jù)。提供高精度的數(shù)字地形是可靠的飛行地面感知預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。大范圍DEM數(shù)據(jù)的驗(yàn)證需要多方數(shù)據(jù)源的支撐。根據(jù)已有研究，典型衛(wèi)星的高程精度對(duì)比綜述如下。

(1)在高程精度上，微波雷達(dá)數(shù)據(jù)要明顯高于光學(xué)立體像對(duì)數(shù)據(jù)，絕對(duì)誤差均值分別為4.0 m和7.8 m，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為6.0 m和10.7 m，均方根誤差分別為6.1 m和10.7 m。有統(tǒng)計(jì)研究表明，誤差介于-16 m與+16 m之間的約占95%。

(2)數(shù)據(jù)精度受坡度影響較大，隨坡度值的升高誤差增大；微波雷達(dá)DEM的絕對(duì)誤差均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根誤差在水田最小、在林地最大，而光學(xué)立體像對(duì)的誤差在居民用地最小、在林地最大。兩種來(lái)源的DEM數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和均方根誤差在平原地區(qū)最小在起伏較大的山地最大。

(3)在平原和臺(tái)地地區(qū)，光學(xué)立體像對(duì)獲取的DEM高程值有異常波動(dòng)，微波雷達(dá)在起伏的山地存在對(duì)山谷的過高估計(jì)?？傮w上，微波雷達(dá)比光學(xué)立體像對(duì)對(duì)地形的表達(dá)準(zhǔn)確，與激光測(cè)高數(shù)據(jù)基本一致。

三維坐標(biāo)系統(tǒng)(經(jīng)度、緯度、高度)的不一致，對(duì)結(jié)果產(chǎn)生系統(tǒng)偏移誤差。由于地形的急劇變化(例如大型土木工程)產(chǎn)生的時(shí)效性問題，在長(zhǎng)期的業(yè)務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)中也需要考慮?？傊?dāng)?shù)字地形的精度由多種因素共同決定。根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)地RTK測(cè)量也是獲取第一手驗(yàn)證資料的有效方法。

7 結(jié)論

基于高精度DEM的融合多源信息，結(jié)合GNSS的離散定位和IMU的連續(xù)定位進(jìn)行組合導(dǎo)航，可實(shí)時(shí)定位飛行器、實(shí)時(shí)感知地形，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警和及時(shí)避障；引入深度學(xué)習(xí)算法對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行特征提取和目標(biāo)識(shí)別，可實(shí)現(xiàn)智能避障和自主飛控。組合導(dǎo)航和人工智能的應(yīng)用，極大地增強(qiáng)了飛行器的機(jī)動(dòng)性和安全性，使得民用飛機(jī)在自然資源測(cè)繪、生態(tài)環(huán)境調(diào)查、物流運(yùn)輸、應(yīng)急救援等場(chǎng)合發(fā)揮更大的作用；而武裝飛行器也可以通過利用地形作掩護(hù)提高隱蔽性，這是未來(lái)高速飛行器精準(zhǔn)導(dǎo)航、保障安全、實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打擊的有效手段。