無人機集群災情地理信息獲取關鍵技術及重大應用

黃瑞金，沈富強，周興霞，黃青倫，程多祥

(四川測繪地理信息局測繪技術服務中心，四川 成都 610081)

災情地理信息獲取作為測繪地理信息應急保障服務工作的首要任務，不僅是及時掌握突發事件現場災害分布、災情狀況的關鍵，也是應急救援、災情評估、災后恢復重建等工作的基礎。我國西部地區山地丘陵廣布，地形起伏懸殊，氣候復雜多變，突發事件發生后災情信息快速獲取存在諸多困難，應急處置能力面臨重大考驗[1-4]。無人機系統作為災情地理信息快速獲取的重要技術手段，已被列為國家航空應急救援體系建設的重要內容。但無人機低空遙感技術在應急測繪實踐中仍存在很多不足，如反思總結“4·20”蘆山地震以來歷次重大突發事件應急救援工作，無人機災情地理信息獲取存在以下重大技術問題：①短時空域限制下的無人機災情信息獲取與現場快速處理效率低下；②復雜條件下無人機安全穩定測繪與遠程實時傳輸能力不足；③前后方數據高效協同的災害空間分析與動態模擬能力較弱[5]。

為解決上述技術難題，本文在測繪地理信息行業科研專項等項目的支撐下，研發了集多載荷、多平臺、多源應急測繪數據快速獲取、處理、傳輸、空間分析與應用服務于一體的無人機集群災情地理信息獲取系統，顯著提升了測繪地理信息應急保障服務能力。

1 無人機集群災情地理信息獲取系統

本文從體系設計、關鍵技術、系統研制3個層次進行深入研究，研發了災情地理信息獲取工作中基于航空總線控制的多類載荷多模式即插即用、異構無人機集群協同應急測繪、復雜環境下無人機鏈路高效可靠智能化傳輸、多源航空災情地理信息快速處理等多項核心技術，建立了集多載荷、多平臺、多元應急測繪數據快速獲取、處理、傳輸與應用服務于一體的無人機集群災情地理信息獲取系統，實現了突發事件現場災情地理信息快速獲取、高效處理、實時傳輸、綜合集成、網絡服務能力。系統總體框架如圖1所示。

系統主要有以下技術創新：①構建了無人機集群災害應急測繪體系，實現了全天時異構多無人機協同、單機多載荷數據快速獲取與處理；可支持可見光、紅外、SAR、LiDAR、高光譜、傾斜6種載荷組合搭載獲取災情地理信息數據；②突破了高海拔地區異構無人機集群地理信息獲取技術，實現了復雜條件下異構無人機集群安全穩定測繪作業，具備全天時多源數據空地遠程同步實時高速傳輸能力；③研發了基于異構無人機集群災情地理信息數據的災害空間分析與動態模擬技術，具備現場災情空間分析專題成果的能力，建筑物、道路、水體、植被等承災體信息自動提取能力，實現滑坡、泥石流等災害的三維動態模擬與風險分析，顯著提升了災害風險分析能力和防治技術水平。

2 無人機集群災情地理信息獲取關鍵技術

本文研究主要針對我國西部復雜艱險地區災害應急工作中所面臨的災情數據獲取難、處理效率低、成果單一、空間分析能力弱等難題，面向綜合防災減災救災對災情地理信息獲取的重大需求，主要在異構無人機集群災情地理信息全天時協同快速獲取、高速遠程實時傳輸、現場快速處理、災害空間分析與動態模擬等關鍵技術方面取得了重大技術突破，顯著提升了測繪地理信息應急保障能力。

2.1 全天時集群協同數據獲取技術

2.1.1 復雜環境穩定測繪作業

針對高海拔高寒條件下無人機發動機易空中停車熄火甚至造成墜機事故的問題，本文研發了高海拔復雜條件下無人機安全穩定測繪關鍵技術。國內提出了小型固定翼無人機發動機遠程自動再啟動技術方法(如圖2所示)，設計研發了發動機自動再啟動系統，實現發動機遠程實時監控和高空熄火后4 s內快速自動再啟動。優化發動機進排氣結構，實現小型固定翼無人機在海拔6500 m、-35℃環境的安全穩定作業[6]。設計了適合高原作業的新型大型無人直升機機械結構，實現大型無人直升機在海拔4000 m以上地區快速獲取地理信息數據，大幅提升了無人機空中飛行的安全性。

2.1.2 單平臺多載荷數據獲取

針對云霧、夜間等復雜環境條件下單一可見光數據無法滿足災情分析對多源災情數據的需求，本文突破了無人機多類載荷多組態即插即用與智能控制關鍵技術，實現單平臺多載荷無人機測繪應用。研制了基于VPX總線的即插即用模塊化通用載荷控制設備，提出了底層分離和二級被動減振方法，構建了多載荷組合掛載通用平臺，實現可見光、紅外、SAR、LiDAR、高光譜、傾斜6種載荷在無人機上的通用掛載(即插即用)、快速換裝(如圖3所示)；研發了多傳感器協同管理控制技術，設計了最佳時間序列、參數、工作模式選取算法，實現了多傳感器多維信息的高效智能控制及多源遙感數據的同步高效獲取。

2.1.3 集群協同規劃技術

針對短時空域內大面積應急測繪任務需求，研發了異構無人機集群專用測控協議、中繼通信和協同任務規劃技術。制定了無人機通用數據傳輸標準體系與多機抗干擾電臺通信協議[7]，構建了異構多機通信交互的無人機集群作業技術，研制了集衛星、無線電、移動網絡為一體的中繼通信技術，異構無人機集群中繼通信距離達114 km以上并具備自適應地形切換能力[8]。設計了任務驅動的多無人機協同任務規劃與調度模型，并研發了無人機集群指揮管理平臺(如圖4所示)，實現短時空域頻域限制下異構無人機集群動態協同應急測繪與應急測繪資源全流程系統化管理[9-11]。

2.2 復雜條件下高速遠程實時傳輸技術

針對我國西部山區高山峽谷遮擋導致的通信傳輸速率低下、穩定性差等問題，本文突破了復雜條件下多機鏈路高效可靠兼容并存關鍵技術，研究提出了多元LDPC碼+高階CPM編碼調制級聯迭代檢測技術，以及基于CAZAC特征序列的寬帶均衡和快速同步一體化技術(如圖5所示)，形成了集編碼、調制、均衡、同步、多機兼容、主備智能切換于一體的全新無人機測控通信體制，實現復雜地形和電磁環境下災情地理信息數據遠程同步實時、可靠、高效傳輸，傳輸速率達32 Mb/s，傳輸距離不小于300 km。

2.3 現場多源數據快速融合與處理技術

突破應急機巡視頻地理底圖實時拼接技術，提出了針對機巡視頻基于關鍵幀提取、姿態信息融合、SIFT和SURF聯合特征模型圖像匹配及基于仿射變換的圖像數據融合和地理底圖實時生成方法，實現標準柵格地理底圖實時生成和顯示，獲取測區宏觀信息，拼接效率不低于8 FPS；攻克SAR連續波高性能成像與運動補償技術，獲取云霧覆蓋區域0.3 m高精度遙感信息，細致評估重點災情區域。創新機巡視頻快速拼接處理獲取宏觀信息與重點災情區域精細化處理相結合的災情地理信息數據處理模式，形成全天時作業及現場快速處理能力[12-13]，顯著提高應急測繪水平。

2.4 災情三維模擬與動態分析技術

2.4.1 承災體自動快速信息提取方法

提出了基于地理國情、多源災情地理信息數據的承災體信息提取方法，構建了“任務-數據”在時間、空間、尺度、屬性等方面的定量語義關聯表達模型與多層次約束規則，形成了面向災害任務的信息聚合模式。針對系統多源傳感器在不同環境下獲取的不同類型建筑物、道路、水系、植被等承災體的時-空-譜特征的異質性和互補性[14-15]，設計了基于深度學習的典型目標信息訓練與特征提取方法(如圖6所示)，研制了承災體信息提取系統，承災體交互式信息提取準確率優于80%，實現3 h內提供現場災情空間分析專題成果。

2.4.2 災情三維動態分析技術

面向災情動態分析與災害危險分析需求，本文提出了以無人機集群災情地理信息為核心的天-空-地災害監測數據協同分析理論方法，突破多傳感器信息的實時接入與空間關聯、多源異構信息的自主加載與融合技術，形成了三維真實感災害場景高效展示技術(如圖7所示)，解決了大規模高動態粒子流與災害場景有效集成的難題，實現了多CPU與GPU并行計算框架下的災害過程展示，構建了集災情數據協同分析、災害虛擬場景構建、災害三維動態展示于一體的工具鏈，為災害風險分析與防治、災情評估等提供了技術支撐。

3 應用示范

本文研究成果在“8·8”九寨溝地震、“6·24”茂縣高位遠程山體垮塌等重大突發公共事件應急處置、救援安置、災情評估和災后恢復重建工作中發揮了關鍵作用，為四川省內外提供測繪應急保障服務百余次，切實保障了人民生命財產安全，產生了巨大社會效益，受到了四川省委、省政府、省減災委等相關部門和單位的高度評價。中央電視臺、四川電視臺、人民網、鳳凰網等國內多家主流媒體多次就研究成果與應用情況進行專題報道。

“6·24”茂縣高位遠程山體垮塌發生后，技術人員第一時間趕赴前線，利用3架無人機開展集群協同獲取，快速獲取了核心災區高分辨率影像和災害體三維、全景影像，并在三維環境下開展災情解譯，分析滑坡體邊界范圍、分布高程、面積等信息，以及房屋、道路、橋梁等基礎設施受損情況，及時為省政府及有關搶險救援單位提供了災前災后影像對比圖、救災應急指揮圖、全景影像地圖等多類專題地圖(如圖8所示)，為開展應急指揮決策、轉移安置群眾、災情評估、次生災害防治提供了強有力的數據支撐。

4 結 語

本文研究成果在自然資源調查、生態環境監測、智慧城市建設等多個領域深入應用，服務重大專項多項，有助于促進測繪地理信息與防災減災、衛星通信、智能測控、飛行制造等領域的融合，將對測繪裝備國產化、完善國家航空應急救援體系起到推動和引領作用。