機載航測實時處理系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

賀少帥，楊德芳，楊曉英，李文帥

1. 中國航天空氣動力技術(shù)研究院，北京 100074；

2. 青海省自然資源遙感中心，青海 西寧 810000

0 引 言

近年來，無人機航空攝影已成為高效獲取突發(fā)事件現(xiàn)場信息的主要手段，尤以針對我國發(fā)生的地震、泥石流、山體滑坡、洪澇等自然災(zāi)害的應(yīng)急測繪領(lǐng)域的應(yīng)用成效最為顯著[1-5]。然而在面向國家和地方重特大突發(fā)事件中，現(xiàn)有的應(yīng)急裝備保障體系難以滿足災(zāi)情現(xiàn)場指揮決策的地理信息保障需求，導(dǎo)致無法在第一時間獲取震區(qū)受災(zāi)程度、災(zāi)害分布狀況等災(zāi)情信息，科學(xué)化開展指揮決策、應(yīng)急救援、災(zāi)情評估和災(zāi)后重建工作受到很大局限[6-8]。因此，本文提出基于中大型無人機一體化，集成航測相機、輕小型SAR、定位定姿系統(tǒng)（POS）以及集成座架，實現(xiàn)應(yīng)急測繪第一張圖的目標(biāo)，并在四川廣元機場驗證機上實時處理成圖技術(shù)的可行性和有效性，為無人機航測應(yīng)急[9-10]相關(guān)領(lǐng)域的深入推廣使用提供可靠的技術(shù)支撐和成果保障。

1 任務(wù)載荷集成

航測相機、輕小型SAR及光電吊艙多任務(wù)載荷一體化集成，再加上地面指揮控制系統(tǒng)，形成載荷數(shù)據(jù)實時獲取、實時傳輸、實時處理成圖系統(tǒng)，可將突發(fā)事件的應(yīng)急成果第一時間傳輸至地方和國家應(yīng)急中心，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供保障。成圖系統(tǒng)功能如下：

1）全天候地理信息快速獲取。中大型無人機在快速響應(yīng)應(yīng)急任務(wù)指令時，搭載適宜任務(wù)載荷（航測相機、輕小型SAR及光電吊艙）按照規(guī)劃的航線完成災(zāi)區(qū)或作業(yè)區(qū)的地理信息快速獲取，特別是在氣象環(huán)境惡劣（如水霧、較厚的云層、霧霾、小雨等）的情況下可充分發(fā)揮輕小型SAR的全天候作業(yè)優(yōu)勢，獲取高分辨率全極化偽彩色圖像，為應(yīng)急救災(zāi)提供數(shù)據(jù)及成果支撐。

2）任務(wù)區(qū)地理信息協(xié)同獲取。根據(jù)任務(wù)需求，制定應(yīng)急任務(wù)航線規(guī)劃。中大型無人機搭載航測相機、輕小型SAR以及光電吊艙實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的實時同步獲取，提高作業(yè)效率，豐富成果信息，尤其是通過航測相機獲取目標(biāo)地區(qū)的高分辨率影像數(shù)據(jù)，同時使用輕小型SAR觀測航測相機影像中的不清晰區(qū)域，從而保障目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)的完整性和有效性，做到數(shù)據(jù)高精度匹配、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)實時融合處理及應(yīng)用。

3）載荷數(shù)據(jù)實時動態(tài)傳輸。中大型無人機飛抵任務(wù)區(qū)實時獲取多源數(shù)據(jù)，與此同時，使用鏈路檢測模式實時動態(tài)傳輸多任務(wù)載荷成果至地面指揮控制站加以顯示，保障應(yīng)急任務(wù)數(shù)據(jù)的時效性，為災(zāi)區(qū)的正確及時評估及科學(xué)合理的應(yīng)急救援提供可靠的數(shù)據(jù)保障。

4）載荷數(shù)據(jù)快速處理。無人機響應(yīng)應(yīng)急任務(wù)指令，執(zhí)行任務(wù)，快速獲取災(zāi)區(qū)現(xiàn)場信息，并通過數(shù)據(jù)處理集成系統(tǒng)，快速制作災(zāi)區(qū)影像圖第一手資料，為應(yīng)急決策提供信息保障。

1.1 載荷集成設(shè)計

任務(wù)載荷分系統(tǒng)的關(guān)鍵測量設(shè)備包括航測相機、組合慣導(dǎo)IMU，二者剛性固聯(lián)于集成座架上，以保證運動補償?shù)挠行?。IMU和集成座架的XYZ三軸依次相互平行于正前方、水平右側(cè)、垂直向上（三軸互相垂直，且滿足右手定則），安裝誤差小于2°。為實現(xiàn)晝夜連續(xù)作業(yè)，克服光線、濕度對航攝作業(yè)造成的影響，任務(wù)載荷分系統(tǒng)采用一體化集成安裝方式。航測相機鏡頭和SAR的收發(fā)天線通過機械結(jié)構(gòu)安裝于集成座架的滑環(huán)之下，組合慣導(dǎo)的IMU固聯(lián)于集成座架的滑環(huán)之上，形成所有測量設(shè)備的一體化、剛性捷聯(lián)安裝（圖1）。

圖1 一體化集成觀測系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備安裝方式示意圖Fig.1 Diagram of internal equipment installation of integrated observation system

1.2 集成吊艙設(shè)計

集成吊艙與集成座架的連接采用座式安裝于載荷艙內(nèi)部底板上，部分置于艙內(nèi)，部分置于艙外，掛接可靠（圖2）。

圖2 座式載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.2 Design of pedestal payload structure

1.3 供電設(shè)計

任務(wù)載荷分系統(tǒng)由中大型無人機供電。通過電源轉(zhuǎn)接線分出4路供給航測相機、輕小型SAR、組合慣導(dǎo)和集成座架，且具有短路保護功能，可在任務(wù)載荷分系統(tǒng)發(fā)生意外故障，出現(xiàn)短路時主動切斷無人機對一體化集成載荷分系統(tǒng)的供電，保護無人機飛行安全。

1.4 智能化控制接口

中大型無人機對載荷接口包括供電接口及控制接口。通過航測控制器實現(xiàn)與無人機間的數(shù)據(jù)傳輸，通過異步422接口接收數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)目刂浦噶?，實現(xiàn)地面指控站對一體化集成載荷分系統(tǒng)工作狀態(tài)的實時監(jiān)控；通過同步422接口向數(shù)據(jù)鏈發(fā)送實時采集的光學(xué)、SAR影像和位姿信息，實現(xiàn)地面對載荷分系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)實時處理，滿足應(yīng)急環(huán)境下實時采集、實時處理的要求；實時傳輸，由同步422鏈路進行傳輸，緊急情況下航測控制器可將采集的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)通鏈路實時下傳。

一體化集成載荷分系統(tǒng)（圖3）由組合慣導(dǎo)通過RS232接口向航測控制器發(fā)送實時采集的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，航測控制器負責(zé)完成原始位姿數(shù)據(jù)的實時存儲和解析后，再把位姿數(shù)據(jù)發(fā)送給集成座架和SAR解算器；集成座架接收到位姿數(shù)據(jù)后，自動完成姿態(tài)的調(diào)整，保證一體化集成載荷分系統(tǒng)處于相對平穩(wěn)的工作狀態(tài)，從而避免因無人機抖動而造成航攝影像及SAR影像出現(xiàn)質(zhì)量問題。

中職生年齡一般為15～17歲，不僅有青春期中學(xué)生的普遍特征，還有一些自身所特有的心理特點。中職生基本上是中考失敗的學(xué)生，都有考試失敗、家人責(zé)罵、老師不重視以及認為中職學(xué)校學(xué)生低人一等的感受，他們頻繁出現(xiàn)的課堂問題行為，與其自卑、焦慮、緊張、敏感和自我保護心理是分不開的。有的中職生為了引起老師和同學(xué)的關(guān)注，故意擾亂課堂秩序；有的學(xué)生則因多次受到老師責(zé)罵而心懷怨恨；一些學(xué)生無法靜下心來學(xué)習(xí)。這樣便形成了中職生比較特殊且嚴(yán)重的課堂問題行為。此外，厭學(xué)情緒也是不容忽視的原因。

圖3 一體化集成載荷分系統(tǒng)與無人機接口圖Fig.3 Interface diagram of integrated payload subsystem and UAV

2 機上實時處理成圖

由于航測相機獲取的原始數(shù)據(jù)（RAW格式）位階為16bit，為了減小數(shù)據(jù)量和存儲空間，需要對RAW格式進行壓縮處理，如將一張20000萬像素光學(xué)面陣傳感器RAW格式影像經(jīng)過IIQ無損壓縮至200MB。為了便于影像的實時傳輸，經(jīng)過解壓縮和重采樣等機上實時處理流程形成第一張成果圖（圖4）。

圖4 機上實時處理流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of real-time processing flow on airborne aerial camera

航測相機主要是通過多功能輕小型化高度集成的嵌入式低功耗系統(tǒng)自主編碼實現(xiàn)圖像機上實時處理，完成處理的圖像帶有地理坐標(biāo)。機上實時處理系統(tǒng)是獨立的系統(tǒng)，主要功能包括：接收POS數(shù)據(jù)、曝光成像、存儲、實時拼接處理。這既是機上實時處理的難點也是亮點，實現(xiàn)過程包括雙鏡頭影像、大幅面影像格式解析，多線程并行影像處理，校正、優(yōu)化、重采樣及壓縮實時拼接并下傳，其中多線程并行處理主要是為了提高效率，校正包括：

1）傳感器校正。即將影像中每個像元的光照反應(yīng)值進行調(diào)整，使其與光學(xué)面陣傳感器標(biāo)定曲線一致，保證像元的一致性。

2）傳感器溫度校正。信噪比隨溫度升高而急劇降低。因此在溫度急劇變化時，需要重新定義黑電平，降低傳感器的信噪比。

3）影像處理。在飛行過程中，機上實時處理系統(tǒng)可對原始位圖（16bit）進行處理，輸出原分辨率和降低分辨率的影像，并對其進行色彩增強處理，以提高霧霾情況下影像的清晰度和辨識度。

2.1 在線實時拼接

中大型無人機飛行平臺集成的航測相機在完成災(zāi)情現(xiàn)場信息獲取的同時，通過集成載荷控制器完成雙鏡頭的拼接處理成圖（圖5），無明顯拼接縫，效果良好。

圖5 iXU-RS1900相機兩鏡頭未拼接影像（左）和拼接影像（右）Fig.5 Comparison of unstitched image (left) and stitched image(right) between two lenses of IXU-RS1900 camera

2.2 在線偏色調(diào)整

中大型無人機飛行平臺在飛抵災(zāi)情現(xiàn)場或任務(wù)區(qū)時，搭載的一體化集成航測相機在獲取現(xiàn)場信息時，由于成像條件導(dǎo)致獲取影像數(shù)據(jù)不符合成圖要求，因此需要對其進行實時的勻光勻色處理（圖6），勻光勻色后較之前效果明顯，符合成圖質(zhì)量要求。

圖6 影像整體偏紫色調(diào)整前（左）后（右）對比Fig.6 Comparison before (left) and after (right) adjustment for the purple of the overall image

2.3 在線去霧霾

在中大型無人機飛抵任務(wù)區(qū)時，難免會遇到霧霾，因此需要提前設(shè)計不同的去霧霾算法或模型，使得成圖質(zhì)量符合技術(shù)要求（圖7）。

圖7 影像去除霧霾前（左）后（右）對比Fig.7 Comparison of images before (left) and after (right)haze removal

2.4 在線暗色調(diào)整

一體化集成的航測相機在任務(wù)區(qū)或災(zāi)情現(xiàn)場獲取信息的同時，或多或少由于光線不足或曝光設(shè)計值不夠?qū)е掠跋駭?shù)據(jù)過暗，因此需要設(shè)計不同的圖像增強模型進行增強處理（圖8）。過暗影像調(diào)整后較調(diào)整前效果明顯清晰，符合成圖要求。

圖8 過暗影像調(diào)整前（左）后（右）對比Fig.8 Comparison before (left) and after (right) adjustment of the shadow image

2.5 快拼圖效果評價

光學(xué)遙感影像智能測繪是基于高分辨率三維地理信息數(shù)據(jù)，針對影像快速處理的一項新技術(shù)。這項新技術(shù)立足于面向應(yīng)急測繪的影像獲取、管理、處理，可將地理空間數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)有效集成，提供三維空間位置與影像相結(jié)合的應(yīng)用服務(wù)。影像成果與三維場景融合效果如圖9所示。從整體來看，經(jīng)過處理的機場附近區(qū)域現(xiàn)場圖效果較好，未出現(xiàn)拉花、變形現(xiàn)象。從細節(jié)上看處理后的現(xiàn)場影像圖與三維地理信息平臺底圖（天地圖）位置對應(yīng)關(guān)系較好。

圖9 航測相機第一張圖與三維平臺自動疊加后的整體效果（左）和放大后的細節(jié)效果（右）Fig.9 Automatic overlay effect (left) and the enlarged detail effect (right) of the first image taken by the aerial camera and the 3D platform

利用三維地理信息平臺底圖（天地圖）中的距離量測工具從影像圖中均勻選取20個地物特征點與三維底圖進行距離量測，從表1可以看出最大誤差為7.9 m，最小誤差4.8 m，中誤差6.065 m。

表1 航測相機影像圖點位誤差Tab.1 Point position error of aerial camera image

綜上所述，無人機航測相機實時處理形成的第一張成果圖與三維GIS平臺疊加效果良好，滿足國家應(yīng)急測繪成圖技術(shù)要求，可為國家和地方重特大突發(fā)事件應(yīng)急決策提供可靠的成果保障。

3 結(jié) 論

機載航測實時處理系統(tǒng)基于中大型無人機標(biāo)準(zhǔn)化接口，一體化集成航測相機、輕小型SAR以及光電吊艙，根據(jù)任務(wù)指令，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案，飛抵任務(wù)區(qū)，完成災(zāi)情現(xiàn)場信息快速獲取、實時傳輸及高效處理。尤其是融合基于高精度POS的機上實時處理成圖技術(shù)，實現(xiàn)了第一時間獲取災(zāi)情現(xiàn)場第一張圖的應(yīng)急測繪目標(biāo)。首次在四川廣元機場多架次驗證，在國內(nèi)多個機場的成功應(yīng)用說明，機載航測實時處理系統(tǒng)可規(guī)模化應(yīng)用，可在無人機應(yīng)急相關(guān)領(lǐng)域等，為國家和地方突發(fā)性事件應(yīng)急救災(zāi)提供高時效保障和技術(shù)支撐。