車載無人機(jī)在測繪應(yīng)急保障中的應(yīng)用

摘要：為有效應(yīng)對突發(fā)性公共事件，測繪部門需要高效有序地提供地圖、地理信息數(shù)據(jù)等測繪成果，而獲取成果的工作就是測繪保障服務(wù)當(dāng)中的應(yīng)急測繪。本文著眼于測繪應(yīng)急保障工作，分析該項(xiàng)工作的實(shí)用價(jià)值和技術(shù)體系，并對車載無人機(jī)在測繪應(yīng)急保障服務(wù)中的應(yīng)用路徑進(jìn)行了論述，希望能為相關(guān)工作人員提供參考。

關(guān)鍵詞：車載無人機(jī)；應(yīng)急測繪；數(shù)據(jù)處理；遙感數(shù)據(jù)

前言

頻發(fā)的自然災(zāi)害嚴(yán)重破壞了我國的生態(tài)環(huán)境，更對災(zāi)區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大威脅。政府部門必須明確自然災(zāi)害和突發(fā)事件所在區(qū)域的基礎(chǔ)地理信息，才能有效制訂救災(zāi)搶險(xiǎn)方案。在開展應(yīng)急救災(zāi)工作時(shí)，為有關(guān)部門提供基礎(chǔ)測繪成果，快速獲取災(zāi)區(qū)地理信息與災(zāi)害信息是測繪部門的職責(zé)。因此，測繪人員必須著力提升測繪技術(shù)水平，提高測繪應(yīng)急保障工作質(zhì)量。

1.測繪應(yīng)急保障工作概述

從工作內(nèi)容來看，測繪應(yīng)急保障服務(wù)針對災(zāi)區(qū)進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測，以應(yīng)急測繪方式實(shí)時(shí)獲取當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)地理信息，并快速完成信息整合、加工和處理，從而形成詳細(xì)的專題地圖，為政府應(yīng)急部門提供動態(tài)信息支持。

在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，應(yīng)急測繪保障工作具有極高的實(shí)用價(jià)值，能為政府部門應(yīng)對突發(fā)事件提供測繪保障。而且，應(yīng)急測繪保障服務(wù)貫穿突發(fā)事件處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，預(yù)防、應(yīng)對、處置、恢復(fù)等基礎(chǔ)工作都離不開這種公益性測繪地理信息工作。對于測繪應(yīng)急保障而言，其工作重點(diǎn)是以測繪工作為自然災(zāi)害處理和突發(fā)事件應(yīng)急指揮，提供測繪保障。為構(gòu)建和諧社會，推動測繪科技發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2.測繪應(yīng)急保障服務(wù)的技術(shù)體系

測繪應(yīng)急保障服務(wù)的主要工作內(nèi)容是獲取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)，因此測繪人員必須合理選擇技術(shù)為相關(guān)工作的開展提供支持。

2.1獲取數(shù)據(jù)

獲取數(shù)據(jù)的根本目的是采集災(zāi)區(qū)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為制作專項(xiàng)地圖與形成測繪數(shù)據(jù)成果奠定基礎(chǔ)。在這一過程中，主要應(yīng)用的技術(shù)有：遙感技術(shù)、移動測繪技術(shù)、地面視頻實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)，借此快速而全面地獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并基于測繪應(yīng)急車，完成測繪數(shù)據(jù)的現(xiàn)場制作與回傳。

2.2處理數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理是測繪應(yīng)急保障工作的重中之重，這一環(huán)節(jié)的工作成果將成為遠(yuǎn)程指揮中心決策工作的直接依據(jù)。因此，測繪人員必須保證數(shù)據(jù)處理方式的科學(xué)性與高效性。此時(shí)，需對基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)、遙感影像和移動測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。可選用一體化測圖系統(tǒng)，生成應(yīng)急數(shù)據(jù)并推進(jìn)其與現(xiàn)有測繪成果的有機(jī)融合。面對遙感影像，測繪人員可通過建立遙感影像快速處理系統(tǒng)、連續(xù)立體影像判讀系統(tǒng)、影像制圖輸出系統(tǒng)和視頻影像拼接量測系統(tǒng)等，開展快速處理。

2.3傳輸數(shù)據(jù)

基于應(yīng)急測繪處理成果，生成災(zāi)區(qū)地理信息數(shù)據(jù)和專項(xiàng)地圖后，測繪人員需在第一時(shí)間傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，從而為應(yīng)急指揮人員的決策針對性和時(shí)效性奠定基礎(chǔ)。此時(shí)，可基于衛(wèi)星寬帶通信、移動網(wǎng)絡(luò)通信、語音傳輸?shù)燃夹g(shù)，構(gòu)建應(yīng)急數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)。

3.測繪應(yīng)急保障中的車載無人機(jī)應(yīng)用路徑

將車載無人機(jī)應(yīng)用在測繪應(yīng)急保障服務(wù)當(dāng)中，有助于提升工作質(zhì)效。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，測繪人員需要基于測繪應(yīng)急保障服務(wù)內(nèi)容和技術(shù)要求，有效開展總技術(shù)框架設(shè)計(jì)和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在此環(huán)節(jié)，總技術(shù)框架不僅需要包括數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸系統(tǒng)，更需要囊括應(yīng)急運(yùn)輸保障系統(tǒng)和應(yīng)急地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，具體框架如圖1所示。在下文中，筆者對以車載無人機(jī)為基礎(chǔ)的測繪經(jīng)濟(jì)保障體系的分系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，進(jìn)行了簡要論述。

3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須發(fā)揮快速獲取應(yīng)急數(shù)據(jù)的功能，能在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)快速收集與整合災(zāi)區(qū)的基礎(chǔ)地理信息。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，考慮到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的要求，相關(guān)工作人員應(yīng)基于遙感技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)采集的全面性和準(zhǔn)確性。比如，以無人機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、地面視頻監(jiān)測技術(shù)，設(shè)計(jì)測繪型、監(jiān)測型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.1.1測繪型無人機(jī)系統(tǒng)

測繪型無人機(jī)遙感系統(tǒng)，是一種可以全面開展地理測繪、地面監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ苄韵到y(tǒng)。該系統(tǒng)可用于高效獲取5cm～20cm的高分辨率遙感數(shù)據(jù)，能十分快速地完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和整理[2]。為保證測繪結(jié)果有效，相關(guān)工作人員可基于無人機(jī)飛行平臺和測繪軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)。比如，建立包含小型數(shù)碼測量相機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸電臺、自動駕駛儀的固定翼輕型無人機(jī)飛行平臺，選用質(zhì)檢與處理軟件、地面站控制軟件和航線規(guī)劃軟件，一同組成測繪無人機(jī)遙感系統(tǒng)。這樣一來，可利用無人機(jī)深入危險(xiǎn)或人類不便進(jìn)入的區(qū)域，利用遙感影像準(zhǔn)確而清晰地記錄和采集地理數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)測繪型無人機(jī)遙感系統(tǒng)時(shí)，選用的測繪無人機(jī)必須能夠適應(yīng)車載運(yùn)輸。為保證測繪工作高效而準(zhǔn)確地開展，無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間必須>3h。測繪無人機(jī)所到區(qū)域大多有著十分復(fù)雜的環(huán)境和多變的地形，這種復(fù)雜的地理環(huán)境對無人機(jī)的起降靈活性和飛行穩(wěn)定性提出了極高的要求，被選中的無人機(jī)需具備在海拔超過3000m高原上飛行的能力。此外，為避免無人機(jī)偏離規(guī)定方向，獲取錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，無人機(jī)系統(tǒng)中還應(yīng)該安裝雙頻GPS自駕儀。

3.1.2監(jiān)測型無人機(jī)系統(tǒng)

與測繪型無人機(jī)系統(tǒng)相比，監(jiān)測型無人機(jī)系統(tǒng)的主要作用是基于遙感技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)完成災(zāi)區(qū)基本情況監(jiān)測，從而快速采集真實(shí)、完整的連續(xù)視頻影像，為獲得有效數(shù)據(jù)信息、輔助救災(zāi)決策提供保障。在此環(huán)節(jié)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員既需保證系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)無人機(jī)能夠基于低空飛行快速而連續(xù)地采集信息；同時(shí)，需要確保信息可以被實(shí)時(shí)傳送至車載接收站并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。監(jiān)測型無人機(jī)遙感系統(tǒng)的基本構(gòu)成，分為飛行平臺、機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備幾部分。

本次設(shè)計(jì)選用的車載無人機(jī)，必須具備體積小、質(zhì)量輕、攜帶方便和起降靈活的特點(diǎn)，而且應(yīng)以彈射方式起飛，以傘降方式回收。監(jiān)測時(shí)，無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間不得<2h，測控半徑不得低于20km，而且兩軸需穩(wěn)定正視云臺；監(jiān)測視頻圖像的傳輸距離不得<15km。無人機(jī)之上，可放置CCD攝像機(jī)（如圖2）和實(shí)時(shí)視頻傳輸發(fā)射端；前者的靈敏度高、體積小、抗震性強(qiáng)且抗強(qiáng)光，有利于快速、清晰、真實(shí)成像；后者則可以確保無人機(jī)遙感監(jiān)測影像被實(shí)時(shí)傳送，能有效規(guī)避信息丟失風(fēng)險(xiǎn)。在地面設(shè)備當(dāng)中，遙感視頻影像接收后，需經(jīng)過采集、顯示、儲存和應(yīng)用處理，快速提取可用信息，為生成詳細(xì)的專題地圖提供數(shù)據(jù)支持。

3.1.3地面視頻監(jiān)測系統(tǒng)

相比于前兩者，地面視頻監(jiān)測系統(tǒng)主要用于快速獲取災(zāi)情信息，且這些信息可以在獲取后被直接傳送到無人機(jī)的車載接收站，并通過顯示器直接展示。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需合理選用攝像機(jī)、視頻發(fā)射/接收無線圖傳設(shè)備、監(jiān)控軟件和計(jì)算機(jī)。此時(shí)，應(yīng)保證視頻影像可基于該系統(tǒng)實(shí)時(shí)回傳，并且能準(zhǔn)確、清晰地被展示出來。監(jiān)測與顯示設(shè)備都應(yīng)具備高度靈敏性和適應(yīng)性，能夠在惡劣條件下正常運(yùn)行。

3.2數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

相關(guān)工作人員應(yīng)以車載無人機(jī)為基礎(chǔ)，搭配其他功能性設(shè)備，妥善設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在此環(huán)節(jié)，需保證數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有良好的數(shù)據(jù)識別、分析、整合、處理和呈現(xiàn)功能，可以將零散而繁雜的數(shù)據(jù)整理成可用地理信息，進(jìn)而為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的工作流程應(yīng)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、自動空三、正射影像的糾正和自動拼接。

處理空間影像時(shí)，需合理選用數(shù)據(jù)處理方法。以自動空三為例，在應(yīng)用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)時(shí)，可基于測繪區(qū)域的實(shí)際情況，靈活選用自由網(wǎng)、GPS輔助和稀少控制點(diǎn)空三，也可采用IMU/GPS輔助無面控制空三。設(shè)計(jì)這一系統(tǒng)時(shí)，借助于空三加密成果以及車載無人機(jī)遙感影像，建立立體模型，并對模型中蘊(yùn)藏的信息進(jìn)行快速破譯，提取關(guān)鍵點(diǎn)[3]。同時(shí)，測繪人員還需要基于應(yīng)急基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、模型影像破譯結(jié)果、數(shù)字正射影像圖制作災(zāi)情專題圖。此外，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，還應(yīng)具備可快速拼接視頻影像關(guān)鍵幀和高精度量測的功能，可實(shí)現(xiàn)視頻信息的快速地理編碼，為開展災(zāi)前影像與災(zāi)后可測量影像之間的科學(xué)比對做好準(zhǔn)備。

3.3數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

通常來說，基于車載無人機(jī)和遙感技術(shù)獲取的測繪與監(jiān)控信息，都需要經(jīng)過遠(yuǎn)程傳輸才能送達(dá)使用者面前。而在這一環(huán)節(jié)，保證信息傳輸技術(shù)的穩(wěn)定性、安全性至關(guān)重要。為有效傳遞數(shù)據(jù)，可基于衛(wèi)星寬帶通信，連接遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮中心與車載平臺，使雙方能夠通過視頻、語音、文字等方式進(jìn)行實(shí)時(shí)交流，并借助于平臺之間的傳輸通道完成圖像數(shù)據(jù)與視頻影音之間的遠(yuǎn)程傳輸。最終讓指揮人員可基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)制訂針對性應(yīng)急處理決策[4]。比如，利用應(yīng)急車載移動站接收地面視頻采集系統(tǒng)，監(jiān)測與測繪無人機(jī)傳遞的有效數(shù)據(jù)，并基于衛(wèi)星通信技術(shù)傳送至測繪局中心站應(yīng)急指揮中心，構(gòu)建以車載無人機(jī)為中轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。此時(shí)，需合理建設(shè)衛(wèi)星通信中心站，做好設(shè)備鏈路的有效設(shè)計(jì)。比如，基于衛(wèi)星天線、功放設(shè)備、強(qiáng)制解調(diào)器、TCPIP加速器、語音網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)、視頻編解碼器、服務(wù)器和顯示終端共同構(gòu)建衛(wèi)星通信中心的設(shè)備鏈路，為實(shí)現(xiàn)遙感影像收發(fā)、視頻與語音信息實(shí)時(shí)傳送奠定基礎(chǔ)。

3.4數(shù)據(jù)庫與運(yùn)輸保障系統(tǒng)

所謂數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要是指，應(yīng)急地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)。其作用是提供基礎(chǔ)地理信息，為構(gòu)建可視化地理環(huán)境和應(yīng)急測繪任務(wù)規(guī)劃方案提供輔助。而運(yùn)輸保障系統(tǒng)則可以被視為，基于車載無人機(jī)的測繪應(yīng)急保障系統(tǒng)的后勤部分，主要應(yīng)包括供電系統(tǒng)、系統(tǒng)集成等保障工作。

4.結(jié)語

總而言之，車載無人機(jī)在測繪應(yīng)急保障工作中的應(yīng)用，夯實(shí)了應(yīng)急測繪工作的技術(shù)基礎(chǔ)，為提高遙感數(shù)據(jù)獲取、傳輸和處理質(zhì)效帶來了極大幫助。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，測繪人員需要以車載無人機(jī)為基礎(chǔ)，為擴(kuò)大應(yīng)急測繪范圍、提高災(zāi)區(qū)遙感影像獲取速度和提升應(yīng)急測繪保障能力提供輔助。

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