大中型無人機應急監測關鍵技術研究

郭忠誠，吉彩妮，寧娟

中航貴州飛機有限責任公司

我國自然災害頻發，災害每年造成巨大損失。為提高救援效率，及時減少損失，大中型無人機憑借實時性好、監測能力強、機動性強等優點，可在應急監測中發揮重要作用，具有廣闊發展空間和應用前景。本文提出大中型無人機應急監測關鍵技術，并對其進行簡要分析和研究，為大中型無人機在應急監測領域的使用提供借鑒。

地震、洪水、山體滑坡、泥石流、森林火災等自然災害頻發，尤其是重大自然災害突發，往往造成嚴重損失，受災地區通信設施遭到破壞，從而造成信息封閉。因此，災害發生時及發生后，如何及時獲取災害信息，如何恢復信息傳輸成為急需解決的問題。

由于受氣候條件和成本等因素制約，傳統衛星遙感和有人駕駛飛機只能滿足部分空間數據信息需求，而大中型無人機系統在應急救援中能發揮一些獨特優勢，它可在復雜地形、復雜天氣條件下飛行，全天時全天候作業，可以在高污染、高輻射、高風險等特殊領域執行任務。同時，大中型無人機在應急救援行動中能有效利用國內現有航空保障服務體系進行跨區域飛行，而且航速快，續航時間長，飛行高度高，能同時搭載多種應急救援傳感器獲取災情數據，可在空中實現無人機、衛星、地面之間的實時傳輸，將災區信息實時傳輸至應急指揮機構，形成遠距離、全天時、全天候、多類型突發事件現場信息快速獲取與處理能力，為第一時間提供重特大突發事件現場信息提供保障。因此，低成本、多用途大中型無人機系統應急救援技術研究具有重要意義。

大中型無人機應急監測能力分析

大中型無人機系統應滿足國家和政府應急需求，全年度每天24h處于備用狀態，在接到調用命令且天氣和空域條件允許飛行情況下，立即飛往災害現場。

滿足航空運行體系要求

無人機必須經國家有關空管部門批準，允許在民用航線飛行，辦理國內航空設施與空域使用流程，如同有人駕駛飛機空域使用申報流程，應有效利用國內已建成的航空保障服務體系，包括機場、導航臺、航空氣象、空管平臺等設施，實現規范快捷運行。因此無人機平臺選型設計應考慮以下方面。

應急監測能力強

大中型無人機續航時間應大于10h，且巡航速度快，飛行高度高，能全天候全天時作業。一個航空應急基地一般覆蓋2 ～3個省，當其設施出現故障或應急監測能力不足時，相鄰基地的無人機系統可以立即飛往災區提供支持，其運行能力超過一般有人駕駛飛機和小型無人機。大中型無人機可同時搭載多種監測傳感器有效應對各種災害，快速報告大面積災情及災區土石方測量值等，在空中實現無人機、衛星、地面之間的實時傳輸，直接將信息傳輸到中央和政府指揮機構。無人機多種傳感器共用一套定位定姿系統（POS），使多種數據快速融合、相互支持，快速提供災情一覽圖，第一時間報告現場災情險情，支持上級決策指揮。

作業安全性高

無人機開展應急作業時，空中飛行受地形和氣流影響較大。為保證無人機安全作業，無人機必須有上千小時的安全飛行記錄，全系統可靠性和快速響應能力應滿足更高設計要求。為保證惡劣天氣條件下正常飛行，無人機飛行控制及關鍵系統應采用多余度設計，保證安全可靠。無人機應具備程控、遙控等飛行模式，可隨時修改任務航線；具備自動起降、自動復飛、一鍵自動返航、嚴重故障自動待機并返航著陸等功能。

大中型無人機應急監測關鍵技術

多傳感器集成和綜合管理技術

一般自然災害發生后常伴有惡劣天氣條件，為全天時全天候掌握災區信息并實時傳輸數據，無人機系統必須采用測繪相機、CCD攝像機、紅外熱成像儀、合成孔徑雷達（SAR）、激光雷達（Lidar）、應急通信中繼設備等多種應急救援設備，因此多傳感器集成設計和綜合管理技術極為關鍵，無人機平臺不僅能實現多傳感器之間快速換裝，而且無需更換平臺機載設備的任何模塊和軟件，實現多傳感器統一管理，大幅節省因換裝不同傳感器的時間，節約成本并降低技術風險，系統集成設計流程見圖2所示。

圖2 大中型無人機應急監測典型流程圖。

低空作業成像技術

光學相機，激光雷達等大多數傳感器的收容面積與飛行高度有直接關系，在保證旁向重疊度滿足應急監測要求的前提下，收容面積直接影響作業航線規劃的復雜程度及作業效率。低空飛行作業能保證高分辨率影像，設計寬視場即掃描場在一定程度上對收容面積有所補償。因此，任務傳感器在獲取高清晰度、高分辨率影像前提下，還要具有足夠大的空間視場或掃描場。

在薄云霧或陰暗天氣條件下，無人機需低空、低速應急飛行，采用較長曝光時間獲取高分辨率、高清晰度影像，而不會因為沒有像移補償造成影像清晰度下降；但低空飛行視距通信容易被遮擋，影響了應急監測區域的大??；再者，低空飛行減小了像幅收容面積，從而影響監測作業效率。因此，低空作業時關鍵要平衡高分辨率、高清晰度與低空、低速之間的關系。

在典型200m高度（相對高度）下飛行，為獲取高分辨率、高清晰度影像，可采用較大視場的組合寬角成像系統，如視場角為87°×97°，在200m高度（相對高度），收容面積可達380m×450m，影像分辨率為5cm；三維激光成像系統掃描視場為0 ～90°，側向掃描寬度可達400m，空間分辨率為2 ～5cm。當低空視距通信被遮擋時，需采用可靠的超視距通信鏈路實時傳輸數據。

穩定可靠的超視距通信技術

大中型無人機應急作業常處于低空、超視距飛行狀態，因此要重點解決無人機與地面控制站之間的通信問題，采用數傳電臺、衛星、移動網絡等接收和放大信號，實現信號之間相互傳輸，在相關領域的應用已較為廣泛且成熟。

衛星通信中繼傳輸距離遠，不受地面控制站和無人機之間的遮擋物干擾，能夠遠程和跨越障礙物建立通信鏈路，但衛星信號時延較長，使用費用較高，且地面站架設需選擇開闊場地、地面衛星信號接收穩定的區域；

數傳電臺通信傳輸頻率高、數據傳輸量大，但該方式受起降場地限制較大，當起降場地狹窄、地面不平整或只可單向起降時，在起降過程中無人機易受場地或風向影響，發生損壞或墜機，若連續起降作業，起降風險會相應增加；

圖4 無人機應急監測影像數據處理流程圖。

移動網絡通信中繼適用在無線網絡覆蓋區域使用，可遠程和跨越障礙物建立通信鏈路，但受限于網絡信號強度，在無網絡覆蓋區域無法使用，由于無線網絡信號覆蓋主要針對地面，在空中信號強度衰減較大，當地面基站信號強度不夠時，空中信號較弱，網絡通信不穩定，不推薦采用該通信模式。

大中型無人機普遍采用基于同步通信衛星的空中中繼平臺，構成衛星數據鏈，轉發無人機的遙控指令和遙測信息，并充分利用衛星波束的有效覆蓋范圍，實現無人機超視距應急監測。另外，可利用銥星等作為同步通信衛星的備選方案，設計銥星自動撥號硬件模塊，解決銥星通信過程中鏈路易掉線、通信不穩定、不連貫問題，實現銥星鏈路聯通或鏈路中斷后自動撥號，保障銥星通信鏈路穩定、連貫。

高精度三維測繪和處理技術

三維測繪技術是指以激光為主動探測源，通過接收目標對激光信號的反射及散射回波，測量目標位置、距離及目標表面特性，從而得到多層次、高精度目標三維測量信息。采用激光進行主動式、非接觸測量，具有單色性好、方向性強、能量高、光束窄等特點，可以實現高精度測角精度與測角分辨率。

三維處理技術即掃描數據的預處理技術，是將機載三維激光成像系統所獲取的原始掃描數據，經過解碼分類、數據檢查、灰度映射、坐標轉換及坐標解算，實時快速地獲取各種格式如LAS，xyzi等標準格式的含有世界標準時間（UTC）時間、坐標信息、回波層次信息和反射強度信息的點云數據文件，在后續處理中還可將點云數據文件與其它影像數據進行融合，重點應用于土石方測量、堰塞湖估測等災害監測。

影像快速處理技術

針對不同時期、不同應急決策指揮部門對應急數據的需求，建立多種應急監測圖像快速處理能力，可分三個階段提供不同形式的產品與服務。

第一階段，在無人機影像獲取后，2h內完成數據處理，并在半小時內將應急監測產品傳輸到后方應急指揮中心；

第二階段，應急監測產品需提供應急地區1∶50000精度的正射影像圖、大場景立體模型和DEM等數據；

第三階段，應急監測產品能提供應急災區1∶10000精度以上的正射影像圖、大場景立體模型和DEM等數據。

（1）無人機應急監測影像快拼技術

無人機應急救援應滿足現場實時監測與決策的需求，可利用高清攝像機實時傳輸視頻，對回傳至地面的視頻影像進行實時拼接，為地面應急指揮中心提供現場決策，對應急監測具有重要意義。

單張影像由于幅寬有限，不能覆蓋整個測區，因此，影像拼接是無人機影像處理必須采用的技術。應急作業期間，常有航攝時間緊、無人機影像傾角過大且無規律、航向重疊度小、影像像幅小且數量多、飛行航線呈曲線、影像的旁向重疊度不規則等問題，且無人機搭載的相機多為非量測型相機，成像質量差，存在影像不規則、畸變和明顯的輻射信息差異等問題，數據處理流程不同于常規影像生產技術流程。為滿足應急監測的效率需求，應設計應急無人機影像快速處理流程見圖3，保障應急影像處理效率與質量。

圖3 無人機平臺與多傳感器集成設計示意圖。

應急數據處理流程主要包括影像數據質量檢查、自動空三、DEM 生成、單片糾正以及鑲嵌勻色等工序。針對應急無人機測繪特點，應急無人機數據檢查應側重于影像與曝光點是否對應、影像重疊度大小、旋偏角大小及是否有云覆蓋等方面。有時無人機影像存在與曝光點不一致情況，需完成每一塊測繪航線帶曝光點與影像匹配情況檢查，確保不影響后續空三計算。同時，為滿足應急數據快速處理需求，檢查影像重疊度，去除多余影像，適當完成影像抽稀，保障空三計算速率；其次，快速完成影像旋偏角大小及云覆蓋檢查，分析后期空三解算參數設置。空三解算應根據不同影像特點完成參數設置，例如，山區等紋理特征不明顯地區，可降低匹配精度，增加匹配點數量，同時城市地區可提高影像匹配精度，減少匹配點數量，提高處理效率。

（2）應急專題影像圖制作技術

專題影像圖主要為決策部門提供決策參考，是目前應急數據的主要提供形式。專題影像圖包括兩種形式，一是應急影像圖；另一種是解譯專題影像圖。兩種專題影像圖提供的時效性不同，應急影像圖以快速提供為宗旨，以地名標注為主，第一時間直觀反映災區地形地貌，不僅是應急前期主要數據資料，也是救援決策指揮的重要數據支撐，供專業人士解譯、分析；解譯專題圖通過圖中各種符號、顏色等圖形要素表示，揭示制圖區的各要素及其相互間關系。應急無人機解譯專題圖結合無人機影像，完成土地流失、道路橋梁損毀、城鄉房屋損毀、江河堵塞等信息識別，主要用于搶險救援、災損評估、災后重建及災害防治等工作。

（3）多種影像數據融合技術

將多任務傳感器獲取的影像數據進行融合，得到更為豐富的目標信息。如可見光影像與紅外熱成像的融合、合成孔徑雷達影像與光學影像融合、光學影像與三維激光成像融合等。例如光學成像與三維激光成像系統，在激光掃描過程中可同時獲取高精度及高清晰度數碼影像，在數據后處理過程中與激光點云數據融合，得到真實色彩的三維空間點云數據，而且經處理后可得到相應的正射影像數據，為救援決策提供重要支撐。

防撞組合設計技術

（1）無人機空管應答體系建立

通過加裝S模式空管應答機，使應急無人機具有空管應答功能，與各航區塔臺及航管部門建立可視化聯系，在飛行作業時使用地面詢問機或民用航管二次雷達，掌握無人機飛行情況如飛行高度、位置、航向、巡航速度等信息，納入空中交通管制系統。

（2）無人機防撞體系建立

無人機系統需對本機周圍的它機進行探測、感知，并對地面和空中發出預警信號，通過空中交通管制系統與它機進行聯系，雙方進行飛行策略協商，根據協商結果，無人機自動生成防撞路線，實現自動規避。

（3）無人機語音通信系統建立

語音通信系統分為兩種，一種是獨立語音系統，其作用距離比較近；另一種是語音數據與無人機鏈路相結合的語音通信系統，采用數碼語言，結合視距或衛星通信鏈路，使作用距離更遠，范圍更廣，實現無人機系統全程語音監控。

（4）自動規避民航航線

民航空中航線按高度進行分層，航線固定，無人機飛行高度規劃應嚴格按照民航規定的飛行航線高度分層，避開民航航線。無人機在接近民航航線層時，能夠自動識別，在未取得空管許可下，能夠自動返航；在取得穿越航區許可后，應根據防撞體系實際情況，穿越沒有飛機的航線區域；建立民航實時發布的最新航線數據庫，供無人機識別和規避有人機；無人機在通信鏈路中斷時能實現自動規避。

決策指揮部門利用大中型無人機應急監測信息，及時采取救援措施，將災害損失降至最小。對無人機應急監測關鍵技術進行深入研究，將拓展大中型無人機在該領域的應用?！?/p>