無人機多源測繪信息集成與智能服務系統研究

曹偉偉

（唐山工業職業技術學院 河北 唐山 063299）

0 引言

人工智能的高速發展令無人機技術的應用范圍更加廣泛，成為輔助獲取工程現場信息的重要手段，為人們了解現場地形，提高施工措施準確率提供數據參考［1］。目前，無人機在工程現場的應用多是通過一次性飛行來獲取大量影像數據，然后返回基地進行后續信息處理，無法做到實時監測和數據傳輸，這也是傳統空中三角測量方法的弊端［2］。另外，搭載了視頻傳感器的無人機所獲取到的視頻影像通常會以視頻流的形式進行動態展示，沒有地理信息，雖然可以幫助人們了解現場但無法作為分析和量算的參考［3－4］。因此只有讓獲取到的現場信息配合地理位置信息同時出現，才能更好地提升應急處理的效果。本文構建出一套測繪無人機應急智能服務系統，希望能夠同時實現現場可視化分析、現場三維情境構建、在線實時檢測、人員與設備實時在線監管、全流程應急處理和一體化智能服務功能。

1 測繪無人機應急智能服務體系架構

在進行測繪無人機應急智能服務體系架構的設定時，首先需要遵循現場中測繪地理信息的服務需求，并且要將實際應用環境充分考慮在內。具體架構如圖1 所示。

圖1 測繪無人機應急智能服務體系架構

（1）構建獲取并傳輸現場數據平臺。借助測繪無人機集成平臺來實現現場獲取數據完整信息的傳輸。數據傳輸鏈路、數據接口標準以及軟硬件之間的時空基準等問題，都可在這個集中平臺上得到解決。

（2）集成管理現場產生的多源數據，如圖2 所示。搭載著光學傳感器的無人機可實現對現場的實時監測，為了快速提取到視頻上有價值的信息，需要首先解決地理信息系統和地理編碼視頻流影像平臺的深度融合、全球導航衛星系統（global navigation satellite system，GNSS）與視頻流的時空同步合成碼等核心問題。當下熱度比較高的北斗短報文，可以不借助運營商網絡實現短信的發送，定位功能更加強大，也更適用于智能服務體系的需求。當無人機與“北斗”結合在一起，多源數據的集成管理便可以順利實現。

圖2 測繪無人機多源數據集成管理

（3）應急智能服務系統，如圖3 所示。實現平臺的應急智能服務，搭建集現場實時檢測、分析、評估平臺，多源數據接入服務和三維場景構建服務為一體的系統，并兼備人員測繪和重點定位監督管理等功能。

圖3 測繪無人機應急智能服務系統

（4）設立應用示范窗口。測繪無人機應急智能服務系統主要服務于現場的實時監測，因為必須通過相關技術規程進行示范方案的設計，以滿足提前了解工程活動時環境概況的目的。

2 測繪無人機現場數據獲取與傳輸

信息平臺集成處理獲取數據的能力在整個測繪無人機應急智能服務系統中占據著至關重要的地位。平臺功能的實現主要依賴于對多源遙感數據處理技術、多無人機平臺系統多傳感器技術等的集成，系統中數據傳輸鏈路、數據接口標準、各個組件部件、各個系統和子系統、各個功能模塊間的時空基準等環節的集成度越高，整個平臺能夠發揮出來的能效就越大［5］。

2.1 測繪無人機現場數據獲取平臺

選擇抗風強、耐磨損的高強度復合材料制造無人機，可滿足最高海拔為4 200 m 的作業需求，應對比較惡劣的工作環境；高精度機械增穩系列吊艙系統配合三冗余度北極星系列自駕儀，展現出來的超強穩定性使其具有巡航抗7 級風，起降抗6 級風的能力；其測繪板最長續航120 min，作業最長續航為90 min；采用具有30 倍光學變焦能力、1080P 高清的攝像機，兼備可見光性，能夠對目標開展穩定跟蹤，同時還可實現自助拍照和圖像錄制。

2.2 測繪無人機現場數據傳輸鏈路

平臺傳輸鏈接與接口如圖4 所示。

圖4 平臺傳輸鏈接與接口

（1）組成光電吊艙的硬件設備包括減震器、機載鏈路系統、SD/TF 卡存儲系統和無人機控制系統等，因減震器直接決定著獲取視頻質量的高低，所以顯得尤為重要；加裝北斗模塊，用來實時檢測人員與無人機所在位置；飛機控制系統則主要負責對光電吊艙進行跟蹤。

（2）視頻數據流有兩條輸出通路，一條由機載鏈路系統負責實時傳輸，一條借助SD/TF 實現實時存儲。利用飛控POS 作為地理信息數據，并由鏈路負責傳輸?！半p鏈路接收，單鏈路傳輸”的模式，能夠保證地理信息數據與視頻流數據的時間同步性。地理信息數據的輸入輸出接口皆為串口，視頻傳感器的輸入接口是USB3.0 和高清多媒體接口（high definition multimedia interface， HDMI），輸出端口是軟件定義基礎設施與HDMI，視頻流數據主要是由地理信息數據來處理的。

（3）飛控相關參數主要由北斗機載模塊負責接收和打包，再以短報形式借助衛星鏈路實現實時位置信息的傳輸。測繪無人機應急智能服務系統與地面北斗指揮機間的數據傳送主要以串口形式完成。

（4）遙控遙測數據被地面鏈路系統接收后再被轉傳輸給地面站，數據仍以串口形式傳輸，此時無人機/吊艙控制正式完成。

（5）實時監測數據與遠程指揮中心間的數據傳輸主要由地面站借助4G 或5G 通訊鏈路來實現。

3 測繪無人機現場多源數據集成管理

在實際應用測繪無人機現場數據平臺過程中，為了更好地集成管理數據、接口與實現基準，有三方面的技術問題需要被重視和解決。

3.1 視頻關鍵幀提取與地理編碼

在攝影測量中需要獲得物方坐標系旋轉到像空間坐標系中的φ、ω、κ3 個旋轉角，而無人機慣性導航系統中負責獲取傳感器姿態角的是慣性測量單元（inertial measurement unit， IMU），得到的是IMU 本位坐標在導航坐標中的Φ、θ、ψ角，即側滾、俯仰和偏航角。φ、ω、κ是影像的3 個外方位元素，可用于地理位置的精準定位。換言之，只有將姿態角轉換成對應的影像外方位元素，才能實現視頻關鍵幀對地的高精度定位，其轉換路徑為“像空間坐標系—載體坐標系—IMU 本體坐標系—導航坐標系—地心直角坐標系—物方坐標系”。其間容易發生相鄰關鍵幀錯位現象，可通過尺度和旋轉不變性特征檢測、尺度不變特征變換和加速穩健特征等影像匹配算法進行糾正。想要實現基于現場實時監測的地理編碼，離不開多源傳感器數據快速時空地理編碼技術，且需要同時使用視頻流和GNSS 的時間同步機制。接口可通過制定視頻流時空標識標準協議來實現，能夠用于支持系統的匹配與融合分析。

3.2 視頻關鍵幀與三維場景融合

該系統可實現關鍵幀視頻與現場場景地理的融合，可融合表達現場與空間信息。融合過程如圖5 所示。每張影像都可通過自己的格網與地理場景進行融合，保證了關鍵幀能夠深入融合到地理場景中。

3.3 無人機/人員實時定位

（1）本系統所植入的“北斗”衛星系統具有不受地域和飛行高度限制且能夠做到在我國空域的無障礙全覆蓋?！氨倍贰惫δ軓姶?，可以授時、定位、短報文通信，因此更有利于實現無人機/人員監管的功能，詳見圖6。

圖6 實時定位

（2）構建“機上/人員被動機載模塊—北斗衛星—地面北斗指揮機”式傳輸鏈，用于位置信息的傳遞，再通過串口模式與智能服務系統相連。

（3）編寫用于智能服務系統的專屬飛行諸元傳輸協議，用于啟動北斗短報文鏈路，協議包含但不限于電文內容、電文長、發信時間、發信方和信息類。

（4）當有救援任務需要無人機/人員執行時，飛行諸元信息主要以北斗短文通信為載體，其具體工作原理如圖6 所示。出站信號的發起者為用戶指揮機端，串口負責信號的獲取和發送，并根據接收到的完整數據包的幀長或幀頭幀尾信息進行“幀頭＋數據＋校驗＋幀尾”模式的解讀。其中，時間信息檢測是指令被用戶機接收后返回給“北斗時間”；IC 信息檢測是指令到達用戶機后，由用戶機發出IC 卡號；“起始符”到“校驗和”前一字節是否存在異或則需要循環冗余校核（cyclic redundancy check， CRC）進行檢驗。

（5）無人機/人員位置的實時信息需要通過協議解析后方可展示在智能服務系統內。

4 測繪無人機應急智能服務系統

綜上所述，測繪無人機應急智能服務系統的構建是依托各種先進系統和科學技術所得，其功能板塊包括現場分析可視化、現場三維場景構建、人員或設備實時在線監測和現場在線監測等。

4.1 現場在線監測

多源現場數據的順利接入和管理，需要在統一時空體系下按照信息接入和加載規范對現場時空粒度、工程數據類型進行信息標準化處理來實現。同時，系統還要為其準備數據轉換接口和實時接收接口，這樣才能分層化處理現場信息，分塊組織大規模場景，可視化場景的動態演變過程，為用戶提供更真實并且詳盡的現場信息。

4.2 現場提取與分析

該系統能夠根據關鍵幀提取算法快速獲取現場圖像?；诳臻g分布范圍和發生時間特征構建空間維和時間維索引方法，保證空間位置與視頻關鍵幀影像能夠順利互聯、互操作，例如可在視頻流時間上進行空間定位的查找，或在空間位置上進行視頻流幀信息的定位查找。

4.3 實時定位

智能服務系統可以全面示范工程現場的實時現場情況，并且能隨時掌控無人機的狀態，精準定位現場作業人員的位置，可為復雜的工程行動提供決策分析輔助，為營救團隊提供科學合理的調度方案和現場救援措施。這就是智能服務的優勢所在。

5 結語

為了能夠實時準確地獲取現場信息，制定應急措施，本文研究了測繪無人機現場數據獲取平臺的結構框架，構建出一套測繪無人機應急智能服務體系架構。將視頻攝像頭搭載在無人機上作為傳感器，借助視頻流傳輸技術和4G/5G 通信技術實時完成現場視頻數據的獲取，利用協議規范了數據接口標準，統一了軟件與硬件間的時空基準，使得數據鏈路傳輸和數據轉換得以順利實現。合理引入北斗導航技術，完美解決了對位置信息的實時獲取問題，優化了測繪無人機現場多維數據集成管理與服務內容。