劉 丹，田銀枝，王紅闖，梁 濤

（1.北京合眾思?jí)芽萍脊煞萦邢薰?，北?00015；2.北京超圖信息技術(shù)有限公司，北京100015；3.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003）

警用無人機(jī)空中實(shí)時(shí)圖像偵察系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 丹1，田銀枝2，王紅闖3，梁 濤1

（1.北京合眾思?jí)芽萍脊煞萦邢薰?，北?00015；2.北京超圖信息技術(shù)有限公司，北京100015；3.河南省遙感測繪院，河南 鄭州 450003）

對(duì)公安領(lǐng)域空中偵察手段不足的現(xiàn)狀和問題，提出了利用無人機(jī)搭載專業(yè)任務(wù)載荷方式通過無線電實(shí)時(shí)回傳圖像的空中偵察指揮體系模式，設(shè)計(jì)了警用無人機(jī)空中偵察體系與公安扁平化指揮體系進(jìn)行功能融合和信息共享的總體架構(gòu)，介紹了無人機(jī)飛行器設(shè)計(jì)理念、飛行控制導(dǎo)航流程以及地面控制系統(tǒng)功能等內(nèi)容。重點(diǎn)描述和解決了基于圖像分析的動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤的核心算法和關(guān)鍵問題，闡述了利用信標(biāo)定位驅(qū)動(dòng)無人機(jī)以及無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)與公安業(yè)務(wù)融合應(yīng)用的技術(shù)路線。最后總結(jié)了無人機(jī)數(shù)據(jù)在3G網(wǎng)絡(luò)下使用環(huán)境受限和傳輸延遲等問題，提出了無人機(jī)在公安應(yīng)急測繪方面的新應(yīng)用方向。

警用無人機(jī)；圖像偵察；情報(bào)處理站；任務(wù)載荷；信標(biāo)跟蹤

近年來無人機(jī)技術(shù)飛躍發(fā)展，自動(dòng)化和智能化程度大大提高，除了在軍事領(lǐng)域，無人機(jī)系統(tǒng)也逐漸進(jìn)入到國家基礎(chǔ)建設(shè)和公共安全等民用領(lǐng)域[1,2]。公安目前存在管理地域與警力不足的矛盾,對(duì)于群體性事件處置存在反應(yīng)慢取證難的困難，利用無人機(jī)能很好解決公安對(duì)于現(xiàn)場把控和實(shí)時(shí)指揮調(diào)度的問題。無人機(jī)系統(tǒng)與公安現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)和偵查手段的緊密結(jié)合，既避免了信息孤島，又可作為空中偵察要素參與頂層設(shè)計(jì)，有助于構(gòu)建公安天地一體化的扁平化指揮體系。

1 系統(tǒng)組成和設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

涵蓋警用無人機(jī)空中偵察系統(tǒng)的公安天地一體化的扁平指揮體系總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1）空中偵察體系。無人機(jī)搭載任務(wù)載荷進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)獲取，偵察數(shù)據(jù)通過無線落地后通過公安移動(dòng)警務(wù)前置機(jī)實(shí)時(shí)回傳到指揮中心，再通過3G網(wǎng)絡(luò)和安全邊界分發(fā)給各指揮和作戰(zhàn)單元，偵察能力和數(shù)據(jù)資源與公安扁平化指揮體系融為一體。

2）地面指揮體系。目標(biāo)跟蹤實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)位置的實(shí)時(shí)回傳和驅(qū)動(dòng)無人機(jī)進(jìn)行定點(diǎn)跟蹤?，F(xiàn)場指揮部既能監(jiān)控周邊無線回傳的實(shí)時(shí)信息，也能通過3G獲取無人機(jī)的偵察圖像。移動(dòng)指揮能在行進(jìn)中調(diào)度周邊警力、收集現(xiàn)場證據(jù)、音視頻監(jiān)控、下發(fā)指令和調(diào)閱無人機(jī)圖像。單兵作戰(zhàn)民警利用北斗終端設(shè)備，進(jìn)行現(xiàn)場執(zhí)法、證據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)[3]。

3）通訊網(wǎng)絡(luò)部分。北斗衛(wèi)星落地靠安裝在公安網(wǎng)內(nèi)的北斗指揮機(jī)來接收下屬北斗用戶機(jī)回傳的定位和短報(bào)文信息；3G無線網(wǎng)主要通過運(yùn)營商部署VPN專線到公安部門來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，也是無人機(jī)回傳偵察數(shù)據(jù)的通道；350 M集群是公安自建的語音集群對(duì)講網(wǎng)絡(luò)。

4）公安扁平化指揮中心。是指揮體系的核心大腦和后臺(tái)，既能調(diào)度指揮，也能接收和展示無人機(jī)回傳的偵察數(shù)據(jù)，并且與公安PGIS、警綜平臺(tái)和大數(shù)據(jù)情報(bào)平臺(tái)實(shí)時(shí)對(duì)接。

1.2 飛控與導(dǎo)航設(shè)計(jì)

警用無人機(jī)飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)具有姿態(tài)穩(wěn)定、高度保持、空速保持、航跡控制等基本功能，還可以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)航線的自主導(dǎo)航飛行、飛行安全保護(hù)、任務(wù)設(shè)備控制等高級(jí)功能[4]。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 飛控與導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 動(dòng)態(tài)目標(biāo)偵察和智能跟蹤

警用無人機(jī)對(duì)于靜態(tài)目標(biāo)偵察取證是常規(guī)功能，但是對(duì)于動(dòng)態(tài)目標(biāo)（例如車輛和移動(dòng)的人群）如何有效鎖定和智能跟蹤是技術(shù)難點(diǎn)。本系統(tǒng)利用圖像智能識(shí)別技術(shù)實(shí)施動(dòng)態(tài)目標(biāo)的甑別，同時(shí)指引無人機(jī)進(jìn)行航線調(diào)整和跟蹤，系統(tǒng)處理過程如圖3所示。

圖3 圖像跟蹤系統(tǒng)框圖

1）動(dòng)態(tài)目標(biāo)的跟蹤流程。首先根據(jù)預(yù)先設(shè)定的偵察范圍規(guī)劃無人機(jī)飛行航線，向無人機(jī)裝訂航線，到達(dá)設(shè)定的航線高度后，無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀實(shí)時(shí)計(jì)算目前的飛行航跡與設(shè)定航跡的偏差，修正無人機(jī)按航線飛行[5]。攝像頭在轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)下掃描，保證較大的搜索范圍，便于發(fā)現(xiàn)地面目標(biāo)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，地面操作人判斷是否為需要監(jiān)視的目標(biāo)，采用人機(jī)交互方式通過數(shù)據(jù)鏈上傳目標(biāo)初始種子點(diǎn)坐標(biāo)。圖像跟蹤處理系統(tǒng)分割出目標(biāo)模板，確定目標(biāo)相對(duì)于圖像中心的位置，不斷跟蹤計(jì)算和給自動(dòng)駕駛儀系統(tǒng)提供偏差數(shù)據(jù)，自動(dòng)駕駛儀根據(jù)收到的偏差數(shù)據(jù)，按一定規(guī)律導(dǎo)引無人機(jī)跟蹤目標(biāo)。導(dǎo)引流程圖如圖4所示。

圖4 圖像跟蹤導(dǎo)引算法流程圖

2）實(shí)現(xiàn)圖像追蹤的算法步驟。①圖像預(yù)處理：無人機(jī)飛行過程中，由于氣流、發(fā)動(dòng)機(jī)等影響會(huì)不停做低頻振動(dòng)，獲取圖像存在明顯退化，其中脈沖噪聲和目標(biāo)與攝像頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)模糊是主要原因，必須對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。②圖像分割：圖像跟蹤首先要獲得跟蹤目標(biāo)的模板，常采用預(yù)先獲得目標(biāo)特征和存儲(chǔ)目標(biāo)模板的方式，但是存在適應(yīng)多目標(biāo)需要較大存儲(chǔ)空間和模板自動(dòng)選擇實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等困難。故從實(shí)時(shí)圖像中分割目標(biāo)，實(shí)時(shí)生成跟蹤模板方式。采用人在回路控制的方式，通過人機(jī)交互確定目標(biāo)初始種子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像分割，根據(jù)分割出的目標(biāo)圖像生成目標(biāo)跟蹤模板。③圖像跟蹤：主要通過匹配跟蹤和系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測等算法，實(shí)現(xiàn)預(yù)測目標(biāo)在下一幀中圖像可能出現(xiàn)的位置，來減少搜索范圍。

2.2 信標(biāo)跟蹤和公安業(yè)務(wù)整合

常規(guī)無人機(jī)系統(tǒng)是獨(dú)立運(yùn)行的，其數(shù)據(jù)獲取、傳輸、分析和應(yīng)用都是一個(gè)封閉的環(huán)路，不和其他系統(tǒng)發(fā)生關(guān)聯(lián)，只能成為公安扁平化指揮過程中的孤立環(huán)節(jié)和輔助工具。如何把無人機(jī)的空中偵察能力和數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)時(shí)地融入到公安業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，是關(guān)乎指揮效能的關(guān)鍵問題，另外如何與公安現(xiàn)有的信標(biāo)定位偵查手段融合，也是有待解決的業(yè)務(wù)難題。以下通過現(xiàn)場部署前置機(jī)和軟件接口定制開發(fā)等過程提出解決方案，系統(tǒng)流程如圖5所示。

1）信標(biāo)定位和控制過程。信標(biāo)設(shè)備放置在嫌疑車輛上之后實(shí)時(shí)獲取車輛位置信息，把經(jīng)緯度和車輛標(biāo)識(shí)通過3G無線回傳到運(yùn)營商VPN代理服務(wù)器上，通過安全邊界進(jìn)入公安內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行存儲(chǔ)?，F(xiàn)場的移動(dòng)警務(wù)前置機(jī)通過內(nèi)置的VPN-3G網(wǎng)卡和公安USB數(shù)字證書借助安全邊界進(jìn)入公安內(nèi)網(wǎng)獲取指定的信標(biāo)位置[6]，通過有線與地面控制站連接和實(shí)時(shí)推送監(jiān)控目標(biāo)經(jīng)緯度，控制站發(fā)送跟蹤坐標(biāo)指令給無人機(jī)進(jìn)行飛行跟蹤目標(biāo)的鎖定。

2）與公安地理信息系統(tǒng)（PGIS）指揮平臺(tái)整合。警用無人機(jī)空中偵察到的圖像和視頻通過無線鏈路落地到情報(bào)站后，通過有線網(wǎng)絡(luò)與指揮現(xiàn)場的移動(dòng)警務(wù)前置機(jī)連接，借助3G網(wǎng)絡(luò)和公安USB數(shù)字證書[7]，通過安全邊界把數(shù)據(jù)傳回公安內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫中，基于PGIS指揮平臺(tái)實(shí)時(shí)展現(xiàn)回傳的圖像和視頻信息，協(xié)助領(lǐng)導(dǎo)了解現(xiàn)場情況和輔助指揮決策[8]。

3）移動(dòng)終端實(shí)時(shí)展現(xiàn)。通過公安內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)整理和發(fā)布接口，可以實(shí)時(shí)把無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)推送到各個(gè)移動(dòng)指揮和作戰(zhàn)單元。其中移動(dòng)指揮車上通過公安加固筆記本無線接入到公安內(nèi)網(wǎng)，獲取無人機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場指揮調(diào)度；現(xiàn)場執(zhí)法和偵查的警員單兵通過智能手持終端APP軟件，也可通過3G網(wǎng)絡(luò)和公安TF加密卡實(shí)時(shí)獲取內(nèi)網(wǎng)無人機(jī)偵察數(shù)據(jù)，最終使得警員和警車能在移動(dòng)過程中獲取最新的現(xiàn)場情報(bào)和動(dòng)態(tài)信息，保證任務(wù)執(zhí)行和統(tǒng)一行動(dòng)。

圖5 信標(biāo)跟蹤流程圖

3 應(yīng)用實(shí)例與效果

3.1 公安偵查應(yīng)用情況

應(yīng)用場景：目前新疆東突恐怖分裂組織的基地和訓(xùn)練營經(jīng)常安扎在邊遠(yuǎn)和邊境區(qū)域，地點(diǎn)隱蔽不易察覺，即使得到情報(bào)派人和車輛也很難靠近偵查。在這種情況下需要利用警用無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的空中偵察和取證，無人機(jī)到達(dá)現(xiàn)場后，搜索地面目標(biāo)和區(qū)域，信息傳回地面，并根據(jù)地面命令在偵察區(qū)域上空盤旋監(jiān)視地面態(tài)勢(shì)，將現(xiàn)場實(shí)時(shí)圖像信息和精確坐標(biāo)連續(xù)傳回地面和指揮中心，再把情報(bào)信息轉(zhuǎn)交給武警部門進(jìn)行實(shí)地的抓捕和目標(biāo)鏟除。在云南和廣西邊境區(qū)域運(yùn)毒販毒情況比較猖獗的地區(qū)，對(duì)于某些嫌疑車輛隱蔽安裝定位跟蹤信標(biāo)設(shè)備后，通過定位信息回傳后和導(dǎo)入現(xiàn)場的控制站來指引警用無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)車輛跟蹤。

使用操作：為了滿足公安偵察的需求，無人機(jī)飛行器需要搭載不同的任務(wù)設(shè)備。例如，搭載CCD攝像頭完成現(xiàn)場實(shí)時(shí)偵察，搭載雙拼高分辨率數(shù)碼相機(jī)，可拍攝和制作影像地圖或大比例尺地形圖，搭載熱紅外攝像頭可進(jìn)行夜航獲取熱圖像?？紤]到公安執(zhí)行任務(wù)的方便性和隱蔽性，警用無人機(jī)采用手?jǐn)S起飛和彈射方式起飛?；厥障到y(tǒng)采用傘降加減震膠墊的方式，對(duì)落地點(diǎn)環(huán)境要求不高[9]。

偵察成果：空中偵察系統(tǒng)通過低空攝像和圖像跟蹤導(dǎo)引算法以及信標(biāo)跟蹤功能進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)目標(biāo)偵察和實(shí)時(shí)跟蹤的效果如圖6所示。

圖6 多種偵察模式效果圖

3.2 建設(shè)與應(yīng)用效果

基于警用無人機(jī)的空中實(shí)時(shí)圖像偵察系統(tǒng)作為公安全新和立體的偵查取證手段，率先在反恐和禁毒部門進(jìn)行試用和推廣，特別是在維護(hù)區(qū)域穩(wěn)定和追捕毒販車輛的案件中發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)建設(shè)也是北斗導(dǎo)航和無人機(jī)技術(shù)結(jié)合公安應(yīng)用特點(diǎn)的一個(gè)嶄新嘗試，充分發(fā)揮出2者結(jié)合整體效益，確保符合一線公安偵查和指揮的業(yè)務(wù)需求。

4 結(jié) 語

利用無人機(jī)進(jìn)行公安空中偵察取證，具有響應(yīng)快、實(shí)時(shí)性高和圖像真實(shí)可靠等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)“看得見、喊得通，拉得動(dòng)”公安扁平化指揮體系必不可少的現(xiàn)場感知手段。目前無人機(jī)回傳的數(shù)據(jù)主要通過3G無線進(jìn)行傳輸，因?yàn)?G信號(hào)覆蓋和帶寬等問題，公安移動(dòng)作戰(zhàn)單元使用的場合還有局限，用戶體驗(yàn)不夠流暢，視頻數(shù)據(jù)進(jìn)出公安網(wǎng)也存在加密延遲的問題，隨著4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和安全邊界系統(tǒng)擴(kuò)容，問題會(huì)逐步解決。隨著無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間、穩(wěn)定度和圖像清晰度等技術(shù)提升，將會(huì)在公安應(yīng)急監(jiān)控、維穩(wěn)處突和交通執(zhí)法等方面發(fā)揮更加重要的作用。

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P231.5

B

1672-4623（2015）01-0017-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.006

劉丹，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)和導(dǎo)航位置服務(wù)應(yīng)用技術(shù)。

2014-03-24。

項(xiàng)目來源：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA12A201）。