基于系留無人機(jī)的應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用

胡鳴

（內(nèi)蒙古自治區(qū)航空遙感測(cè)繪院，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼和浩特 010010）

目前世界范圍內(nèi)的防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)峻，各類災(zāi)害對(duì)人類經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的影響不斷加劇。應(yīng)急保障，測(cè)繪先行。應(yīng)急測(cè)繪需要“既快又準(zhǔn)”，但是傳統(tǒng)的測(cè)繪裝備與方法主要以“準(zhǔn)”為目標(biāo)，其對(duì)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理、顯示的要求都比較高，數(shù)據(jù)處理周期較長(zhǎng)，難以滿足應(yīng)急測(cè)繪的要求舊J。近幾年來，測(cè)繪裝備和技術(shù)的發(fā)展逐漸能夠?qū)ν话l(fā)災(zāi)害進(jìn)行快速的響應(yīng)，獲得的測(cè)繪數(shù)據(jù)成果可以作為救災(zāi)減災(zāi)的重要參考依據(jù)。

一、系留無人機(jī)系統(tǒng)組成

系留無人機(jī)系統(tǒng)與普通多旋翼系統(tǒng)的區(qū)別在于飛行器平臺(tái)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，飛行器平臺(tái)系統(tǒng)作為空中設(shè)備的搭載平臺(tái)，搭載任務(wù)載荷到目標(biāo)區(qū)域上空用于通信中繼或執(zhí)行偵察等任務(wù)。與普通多旋翼不同，系留無人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間在空中懸停需要考慮恒風(fēng)或突風(fēng)的影響，在風(fēng)場(chǎng)中懸停時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于平臺(tái)在向來風(fēng)方向做平面飛行，因此系留無人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮氣動(dòng)外形和動(dòng)力設(shè)計(jì)。系留無人機(jī)與普通無人機(jī)最大的區(qū)別在于供電系統(tǒng)的不同，系留多旋翼懸停高度一般為100m 或200m，因此從地面到達(dá)平臺(tái)供電需要經(jīng)過一定的傳輸距離，為減少電能的消耗，一般采用高壓供電方式，減小輸送電流。系留無人機(jī)供電系統(tǒng)包括地面電源、地面升壓模塊、系留線纜及機(jī)載降壓模塊及機(jī)載應(yīng)急電池等，地面電源可為地面電池組、發(fā)電機(jī)或市電，地面電源經(jīng)地面升壓模塊轉(zhuǎn)換至300～400V 高壓，經(jīng)系留線纜進(jìn)行高壓電能傳輸至機(jī)載降壓模塊，機(jī)載降壓模塊再將高壓電降至一定低壓為飛機(jī)和機(jī)載電子設(shè)備供電。系留線纜為復(fù)合光纖電纜，不僅用于傳輸動(dòng)力電源還用于傳輸平臺(tái)電子設(shè)備的光電信號(hào)。系留線纜一般由一根動(dòng)力線、兩根光纖及增強(qiáng)單元組成，增強(qiáng)單元為系留線纜的承力元件，一般由軟質(zhì)纖維絞制而成，可用于減緩?fù)饬_擊對(duì)內(nèi)部線纜的影響。線纜要求具有輕的結(jié)構(gòu)重量，以減輕平臺(tái)升力，增加升空高度，提高使用效能。系留多旋翼通常配備有機(jī)載應(yīng)急電池，用于防止地面供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)無人機(jī)可平穩(wěn)降落。機(jī)載應(yīng)急電池與地面供電系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)計(jì)，供電時(shí)可根據(jù)需求進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換：1.當(dāng)機(jī)載應(yīng)急電池與地面供電系統(tǒng)都正常時(shí)，優(yōu)先使用地面供電系統(tǒng)供電；2.當(dāng)?shù)孛婀╇娤到y(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可迅速轉(zhuǎn)換至機(jī)載應(yīng)急電池供電；3.當(dāng)?shù)孛婀╇娤到y(tǒng)恢復(fù)正常時(shí)，無人機(jī)系統(tǒng)又可快速切換回地面供電系統(tǒng)供電。而當(dāng)?shù)孛婀╇娤到y(tǒng)超過2min 不能恢復(fù)時(shí)，無人機(jī)可依靠機(jī)載應(yīng)急電池安全降落，為保證系留無人機(jī)系統(tǒng)安全，機(jī)載應(yīng)急電池通常設(shè)計(jì)有足夠的余量。

二、系留無人機(jī)特點(diǎn)

隨著系留無人機(jī)設(shè)備和技術(shù)的快速發(fā)展與日益成熟，為滿足防災(zāi)救災(zāi)的迫切需要，系留無人機(jī)開始逐漸涉及應(yīng)急測(cè)繪領(lǐng)域。美國(guó)和以色列在系留無人機(jī)方面已經(jīng)有了很成熟的技術(shù)。以色列航宇工業(yè)公司生產(chǎn)的系留無人機(jī)可以在15s 內(nèi)升至50m 高度并懸停，有效載荷達(dá)到6k；美國(guó)CyPhy 公司研制的PARC 系留無人機(jī)可以在122m的高度懸停，有效載荷為1.8k，可以進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤；Drone Aviation 公司研制的Bolt 系留無人機(jī)可以在250m的高度懸停，并且能夠?qū)崟r(shí)傳輸高清視頻和安全通信。應(yīng)用領(lǐng)域方面，美國(guó)很早就用系留無人機(jī)進(jìn)行建筑物垮塌現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急測(cè)繪；法國(guó)也開始使用系留無人機(jī)進(jìn)行海洋石油泄露的應(yīng)急測(cè)繪。系留無人機(jī)在應(yīng)急測(cè)繪的應(yīng)用，主要以獲取高空間分辨率的數(shù)字影像和視頻為目標(biāo)，以系留無人機(jī)為平臺(tái)，搭載高清相機(jī)，通過3S 及深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對(duì)獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲得小區(qū)域、高精度、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)、大比例尺的數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像等測(cè)繪數(shù)據(jù)。1.與普通無人機(jī)相比，系留無人機(jī)具有長(zhǎng)時(shí)間的滯空能力，采用系留線纜供電方式，可持續(xù)進(jìn)行供電，減少了機(jī)載電池重量，保證了無人機(jī)全天24h的飛行能力。2.相比其他飛行器，系留多旋翼安全性高，無人機(jī)可固定懸停在某一監(jiān)控區(qū)域，懸停高度不會(huì)超過200m，不會(huì)對(duì)其他飛行器造成飛行安全隱患，再者起降環(huán)境要求低，不需要專門的機(jī)場(chǎng)跑道，超低空應(yīng)用無須空域申報(bào)或空域協(xié)調(diào)；同時(shí)無人機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的系留，不需要操作手進(jìn)行頻繁的操作，減少了操作失誤帶來的安全隱患。3.相比固定翼無人機(jī)，系留多旋翼具有穩(wěn)定的懸停能力，這是無人機(jī)飛行具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，系留多旋翼無人機(jī)通過慣性測(cè)量元件對(duì)三維角速度、三維加速度及三維速度的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量使無人機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定的懸停。4.系留無人機(jī)具有良好的電磁兼容能力，多旋翼無人機(jī)飛行過程中電機(jī)、電調(diào)、機(jī)載降壓模塊、大電流線纜等都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，通過布線技術(shù)、濾波技術(shù)、接地技術(shù)、屏蔽技術(shù)等降低電磁輻射對(duì)通信系統(tǒng)的干擾。5.系留無人機(jī)具有超強(qiáng)的掛載能力，可掛載晝夜光電偵察設(shè)備、無線電偵察設(shè)備及通信中繼設(shè)備等，可滿足不同的使用環(huán)境需求。6.與直升機(jī)相比，系留無人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、升降操縱方便、體積小、重量輕、噪音小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。與直升機(jī)不同，系留無人機(jī)飛行原理簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的零部件和機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)零部件的磨損較小，安全性和可靠性得到提升。在國(guó)內(nèi)，也有很多研究單位和企業(yè)在積極探索系留無人機(jī)相關(guān)設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn)。北京大工科技有限公司研制的大工科技系留無人機(jī)系統(tǒng)有效載荷可以達(dá)到15kg，可以檢測(cè)故障并自動(dòng)降落。除了系留無人機(jī)外，各類研究機(jī)構(gòu)也開始研發(fā)系繩系統(tǒng)，比較有代表性的是法國(guó)EuSTAIR 公司研發(fā)的盤繩系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)的系留無人機(jī)主要應(yīng)用在應(yīng)急通信領(lǐng)域和無線電監(jiān)測(cè)領(lǐng)域一。在應(yīng)急測(cè)繪方面的應(yīng)用尚屬空白。系留無人機(jī)系統(tǒng)的不斷完善將在未來的應(yīng)急測(cè)繪領(lǐng)域展現(xiàn)更強(qiáng)大的能力，為提升我國(guó)的防災(zāi)減災(zāi)能力提供強(qiáng)有力的保障。

三、系留無人機(jī)的應(yīng)急測(cè)繪技術(shù)應(yīng)用

（一）系留無人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理方法

系留無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)類型有很多種，根據(jù)搭載的傳感器的不同，可以獲取不同類型的所需數(shù)據(jù)?？梢源钶d的傳感器包括可見光高清相機(jī)、微波雷達(dá)、紅外相機(jī)等。系留無人機(jī)的數(shù)據(jù)處理方法和普通無人機(jī)的數(shù)據(jù)處理方法一樣，所以系留無人機(jī)的適用性更強(qiáng)，也更容易入門。近年來，國(guó)內(nèi)外的無人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件都在快速發(fā)展，這些軟件基本上都實(shí)現(xiàn)了對(duì)無人機(jī)影像數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理。本文通過系留無人機(jī)獲取實(shí)驗(yàn)區(qū)域的視頻，然后通過視頻抽幀方法，獲取一系列高重疊度的影像，然后將影像圖片導(dǎo)入到軟件進(jìn)行后處理。軟件處理數(shù)據(jù)的常見問題及處理方法包括：1.遇到一些復(fù)雜場(chǎng)景或者發(fā)生故障的路段時(shí)，根據(jù)地面控制點(diǎn)進(jìn)行劃分測(cè)區(qū)處理，再進(jìn)行圖像拼接，可以提高圖像的處理效率和準(zhǔn)確性；2.對(duì)于一些質(zhì)量比較差的照片可以剔除，軟件會(huì)自動(dòng)調(diào)整測(cè)區(qū)中的相關(guān)參數(shù)，從而避免不必要的冗余；3.選擇地面控制點(diǎn)時(shí)，盡量精確到點(diǎn)且均勻分布，不選擇接近影像邊緣的點(diǎn)。深度學(xué)習(xí)模型要通過大量的樣本訓(xùn)練來提高識(shí)別的精度，在進(jìn)行視頻識(shí)別之前，需要對(duì)大量的樣本進(jìn)行標(biāo)定。本文使用YOLOv3訓(xùn)練一個(gè)小型的特定類別的目標(biāo)檢測(cè)器。訓(xùn)練過程步驟為：1.準(zhǔn)備數(shù)據(jù)集。對(duì)大概1000 張照片進(jìn)行標(biāo)注，分為訓(xùn)練集和測(cè)試集2 部分。2.準(zhǔn)備Darknet。下載編譯好Darknet，修改里面的代碼使它適合于自己的數(shù)據(jù)集。3.下載預(yù)訓(xùn)練的模型。使用ImageNet 數(shù)據(jù)集上的預(yù)訓(xùn)練模型，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)收斂得更快。4.指定訓(xùn)練所需文件的路徑和參數(shù)的配置。5.訓(xùn)練YOLOv3。當(dāng)損失函數(shù)下降到一定閾值后停止訓(xùn)練，保存模型。6.測(cè)試模型。調(diào)用測(cè)試模型。7.目標(biāo)識(shí)別。通過高清多媒體接口將無人機(jī)相機(jī)拍攝的視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂贫说碾娔X上，地面電腦通過框架對(duì)視頻內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別。

（二）系留無人機(jī)應(yīng)急測(cè)繪的應(yīng)用場(chǎng)景

系留無人機(jī)可以搭載高空間分辨率的相機(jī)，能達(dá)到專業(yè)測(cè)繪無人機(jī)的要求精度，且具有較長(zhǎng)的滯空時(shí)間，更強(qiáng)的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，而且后期數(shù)據(jù)處理成本低、速度快，自動(dòng)化程度高，能夠承擔(dān)受災(zāi)區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域的長(zhǎng)時(shí)間、高精度的應(yīng)急測(cè)繪，是目前甚至將來一段時(shí)間內(nèi)，最有效、最經(jīng)濟(jì)的應(yīng)對(duì)應(yīng)急測(cè)繪難題的一種方法。在我國(guó)的南方地區(qū)很容易發(fā)生泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，當(dāng)這些地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)很難對(duì)災(zāi)害進(jìn)行精確的評(píng)估和認(rèn)定。系留無人機(jī)可以快速地獲取災(zāi)區(qū)的三維模型，并且進(jìn)行定量的計(jì)算(例如計(jì)算塌方量、確定堰塞湖的大小等)。系留無人機(jī)能夠?yàn)閼?yīng)急救援的決策者直觀地展示災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)狀況，并為災(zāi)害救援方案的制定提供數(shù)據(jù)支持。由于目前的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)管理嚴(yán)格，非官方人員很難在第一時(shí)間獲取災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的航拍數(shù)據(jù)，航拍數(shù)據(jù)來模擬類似的地質(zhì)災(zāi)害場(chǎng)景。地震等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，往往會(huì)造成通信設(shè)備的癱瘓，給救援工作帶來極大的不便，傳統(tǒng)解決通信問題往往是搭建臨時(shí)的通信基站，而受天線高度的影響服務(wù)范圍有限，難以快速全面快速地展開救援工作。系留多旋翼無人機(jī)作為搭載平臺(tái)搭載微型基站、集群微型基站及自組網(wǎng)平臺(tái)等多種通信設(shè)備飛抵受災(zāi)區(qū)上空，作為通信中繼提供應(yīng)急通信服務(wù)。相比于傳統(tǒng)臨時(shí)通信基站，通過系留多旋翼無人機(jī)搭建的應(yīng)急通信基站具有覆蓋范圍廣、成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可快速實(shí)現(xiàn)與災(zāi)區(qū)取得聯(lián)系。

（三）社會(huì)公共安全場(chǎng)景

在這種大型的人群聚集區(qū)，需要系留無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的安全保護(hù)、系留無人機(jī)以解決普通無人機(jī)滯空時(shí)間短、穩(wěn)定性差的問題，可以在大型活動(dòng)的全部時(shí)間段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。無人機(jī)獲取的數(shù)據(jù)通過通信端口傳輸?shù)降孛娼K端，通過深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員位置和流動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)，可以給地面的管理人員實(shí)時(shí)地提供人員分布和流動(dòng)情況。工作人員根據(jù)無人機(jī)數(shù)據(jù)制定合理的救援方案，很好地疏導(dǎo)人員，減少傷亡。

（四）重大交通事故場(chǎng)景

隨著我國(guó)汽車保有量逐年增加，交通事故的發(fā)生頻率也在增多。當(dāng)?shù)缆方煌ㄊ鹿蕰r(shí)，如果不能及時(shí)快速地得到處理，很容易發(fā)生交通擁堵，甚至發(fā)生二次事故?？焖佾@取交通事故現(xiàn)場(chǎng)的情況就非常的重要。通過系留獲取交通事故現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)視頻信息，并可以通過深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別道路上的車輛類型和人員，有利于疏導(dǎo)交通和制定具體的救援方案，由于重大交通事故發(fā)生后非救援人員很難進(jìn)人事故現(xiàn)場(chǎng)。

現(xiàn)階段局部沖突、邊境摩擦問題依然存在，安保與反恐問題越來越受到國(guó)家的重視，更多的國(guó)家將系留多旋翼無人機(jī)應(yīng)用于軍事偵察和要地監(jiān)控。將攜帶不同載荷的系留無人機(jī)部署在邊境地區(qū)或重點(diǎn)防范區(qū)域，可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全天候、不間斷的監(jiān)控，防范惡性事件的發(fā)生，系留無人機(jī)同樣可以作為武器的安裝平臺(tái)，當(dāng)監(jiān)控目標(biāo)中發(fā)現(xiàn)敵對(duì)分子時(shí)對(duì)目標(biāo)實(shí)施精確打擊。

結(jié)束語(yǔ)：系留無人機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和系留無人機(jī)數(shù)據(jù)的處理方法以及在應(yīng)急場(chǎng)景中的應(yīng)用。2 系留無人機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、易操作等特點(diǎn)，是承擔(dān)突發(fā)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)大比例尺測(cè)圖任務(wù)、三維建模、目標(biāo)識(shí)別的較為經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)手段。系留無人機(jī)的測(cè)圖和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能可以滿足突發(fā)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)提出的快速、精確、持續(xù)性的應(yīng)急測(cè)繪任務(wù)，在應(yīng)急測(cè)繪領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，在未來的智慧城市建設(shè)以及應(yīng)急救災(zāi)中會(huì)提供更加有效的測(cè)繪支持。