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(zāi)害頻發(fā)，災(zāi)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(jiān)測能力強、機動性強等優(yōu)點，可在應(yīng)急監(jiān)測中發(fā)揮重要作用，具有廣闊發(fā)展空間和應(yīng)用前景。本文提出大中型無人機應(yīng)急監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)，并對其進行簡要分析和研究，為大中型無人機在應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域的使用提供借鑒。

地震、洪水、山體滑坡、泥石流、森林火災(zāi)等自然災(zāi)害頻發(fā)，尤其是重大自然災(zāi)害突發(fā)，往往造成嚴重損失，受災(zāi)地區(qū)通信設(shè)施遭到破壞，從而造成信息封閉。因此，災(zāi)害發(fā)生時及發(fā)生后，如何及時獲取災(zāi)害信息，如何恢復(fù)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(tǒng)衛(wèi)星遙感和有人駕駛飛機只能滿足部分空間數(shù)據(jù)信息需求，而大中型無人機系統(tǒng)在應(yīng)急救援中能發(fā)揮一些獨特優(yōu)勢，它可在復(fù)雜地形、復(fù)雜天氣條件下飛行，全天時全天候作業(yè)，可以在高污染、高輻射、高風險等特殊領(lǐng)域執(zhí)行任務(wù)。同時，大中型無人機在應(yīng)急救援行動中能有效利用國內(nèi)現(xiàn)有航空保障服務(wù)體系進行跨區(qū)域飛行，而且航速快，續(xù)航時間長，飛行高度高，能同時搭載多種應(yīng)急救援傳感器獲取災(zāi)情數(shù)據(jù)，可在空中實現(xiàn)無人機、衛(wèi)星、地面之間的實時傳輸，將災(zāi)區(qū)信息實時傳輸至應(yīng)急指揮機構(gòu)，形成遠距離、全天時、全天候、多類型突發(fā)事件現(xiàn)場信息快速獲取與處理能力，為第一時間提供重特大突發(fā)事件現(xiàn)場信息提供保障。因此，低成本、多用途大中型無人機系統(tǒng)應(yīng)急救援技術(shù)研究具有重要意義。

大中型無人機應(yīng)急監(jiān)測能力分析

大中型無人機系統(tǒng)應(yīng)滿足國家和政府應(yīng)急需求，全年度每天24h處于備用狀態(tài)，在接到調(diào)用命令且天氣和空域條件允許飛行情況下，立即飛往災(zāi)害現(xiàn)場。

滿足航空運行體系要求

無人機必須經(jīng)國家有關(guān)空管部門批準，允許在民用航線飛行，辦理國內(nèi)航空設(shè)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(yīng)有效利用國內(nèi)已建成的航空保障服務(wù)體系，包括機場、導(dǎo)航臺、航空氣象、空管平臺等設(shè)施，實現(xiàn)規(guī)范快捷運行。因此無人機平臺選型設(shè)計應(yīng)考慮以下方面。

應(yīng)急監(jiān)測能力強

大中型無人機續(xù)航時間應(yīng)大于10h，且巡航速度快，飛行高度高，能全天候全天時作業(yè)。一個航空應(yīng)急基地一般覆蓋2 ～3個省，當其設(shè)施出現(xiàn)故障或應(yīng)急監(jiān)測能力不足時，相鄰基地的無人機系統(tǒng)可以立即飛往災(zāi)區(qū)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(jiān)測傳感器有效應(yīng)對各種災(zāi)害，快速報告大面積災(zāi)情及災(zāi)區(qū)土石方測量值等，在空中實現(xiàn)無人機、衛(wèi)星、地面之間的實時傳輸，直接將信息傳輸?shù)街醒牒驼笓]機構(gòu)。無人機多種傳感器共用一套定位定姿系統(tǒng)（POS），使多種數(shù)據(jù)快速融合、相互支持，快速提供災(zāi)情一覽圖，第一時間報告現(xiàn)場災(zāi)情險情，支持上級決策指揮。

作業(yè)安全性高

無人機開展應(yīng)急作業(yè)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(yè)，無人機必須有上千小時的安全飛行記錄，全系統(tǒng)可靠性和快速響應(yīng)能力應(yīng)滿足更高設(shè)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(guān)鍵系統(tǒng)應(yīng)采用多余度設(shè)計，保證安全可靠。無人機應(yīng)具備程控、遙控等飛行模式，可隨時修改任務(wù)航線；具備自動起降、自動復(fù)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(yīng)急監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

多傳感器集成和綜合管理技術(shù)

一般自然災(zāi)害發(fā)生后常伴有惡劣天氣條件，為全天時全天候掌握災(zāi)區(qū)信息并實時傳輸數(shù)據(jù)，無人機系統(tǒng)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(yīng)急通信中繼設(shè)備等多種應(yīng)急救援設(shè)備，因此多傳感器集成設(shè)計和綜合管理技術(shù)極為關(guān)鍵，無人機平臺不僅能實現(xiàn)多傳感器之間快速換裝，而且無需更換平臺機載設(shè)備的任何模塊和軟件，實現(xiàn)多傳感器統(tǒng)一管理，大幅節(jié)省因換裝不同傳感器的時間，節(jié)約成本并降低技術(shù)風險，系統(tǒng)集成設(shè)計流程見圖2所示。

圖2 大中型無人機應(yīng)急監(jiān)測典型流程圖。

低空作業(yè)成像技術(shù)

光學相機，激光雷達等大多數(shù)傳感器的收容面積與飛行高度有直接關(guān)系，在保證旁向重疊度滿足應(yīng)急監(jiān)測要求的前提下，收容面積直接影響作業(yè)航線規(guī)劃的復(fù)雜程度及作業(yè)效率。低空飛行作業(yè)能保證高分辨率影像，設(shè)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(wù)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(yīng)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(yīng)急監(jiān)測區(qū)域的大?。辉僬?，低空飛行減小了像幅收容面積，從而影響監(jiān)測作業(yè)效率。因此，低空作業(yè)時關(guān)鍵要平衡高分辨率、高清晰度與低空、低速之間的關(guān)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(tǒng)，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(tǒng)掃描視場為0 ～90°，側(cè)向掃描寬度可達400m，空間分辨率為2 ～5cm。當?shù)涂找暰嗤ㄐ疟徽趽鯐r，需采用可靠的超視距通信鏈路實時傳輸數(shù)據(jù)。

穩(wěn)定可靠的超視距通信技術(shù)

大中型無人機應(yīng)急作業(yè)常處于低空、超視距飛行狀態(tài)，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(shù)傳電臺、衛(wèi)星、移動網(wǎng)絡(luò)等接收和放大信號，實現(xiàn)信號之間相互傳輸，在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用已較為廣泛且成熟。

衛(wèi)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(wèi)星信號時延較長，使用費用較高，且地面站架設(shè)需選擇開闊場地、地面衛(wèi)星信號接收穩(wěn)定的區(qū)域；

數(shù)傳電臺通信傳輸頻率高、數(shù)據(jù)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(fā)生損壞或墜機，若連續(xù)起降作業(yè)，起降風險會相應(yīng)增加；

圖4 無人機應(yīng)急監(jiān)測影像數(shù)據(jù)處理流程圖。

移動網(wǎng)絡(luò)通信中繼適用在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域使用，可遠程和跨越障礙物建立通信鏈路，但受限于網(wǎng)絡(luò)信號強度，在無網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域無法使用，由于無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋主要針對地面，在空中信號強度衰減較大，當?shù)孛婊拘盘枏姸炔粔驎r，空中信號較弱，網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)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(wèi)星的空中中繼平臺，構(gòu)成衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈，轉(zhuǎn)發(fā)無人機的遙控指令和遙測信息，并充分利用衛(wèi)星波束的有效覆蓋范圍，實現(xiàn)無人機超視距應(yīng)急監(jiān)測。另外，可利用銥星等作為同步通信衛(wèi)星的備選方案，設(shè)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(wěn)定、不連貫問題，實現(xiàn)銥星鏈路聯(lián)通或鏈路中斷后自動撥號，保障銥星通信鏈路穩(wěn)定、連貫。

高精度三維測繪和處理技術(shù)

三維測繪技術(shù)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(xiàn)高精度測角精度與測角分辨率。

三維處理技術(shù)即掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理技術(shù)，是將機載三維激光成像系統(tǒng)所獲取的原始掃描數(shù)據(jù)，經(jīng)過解碼分類、數(shù)據(jù)檢查、灰度映射、坐標轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)文件，在后續(xù)處理中還可將點云數(shù)據(jù)文件與其它影像數(shù)據(jù)進行融合，重點應(yīng)用于土石方測量、堰塞湖估測等災(zāi)害監(jiān)測。

影像快速處理技術(shù)

針對不同時期、不同應(yīng)急決策指揮部門對應(yīng)急數(shù)據(jù)的需求，建立多種應(yīng)急監(jiān)測圖像快速處理能力，可分三個階段提供不同形式的產(chǎn)品與服務(wù)。

第一階段，在無人機影像獲取后，2h內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理，并在半小時內(nèi)將應(yīng)急監(jiān)測產(chǎn)品傳輸?shù)胶蠓綉?yīng)急指揮中心；

第二階段，應(yīng)急監(jiān)測產(chǎn)品需提供應(yīng)急地區(qū)1∶50000精度的正射影像圖、大場景立體模型和DEM等數(shù)據(jù)；

第三階段，應(yīng)急監(jiān)測產(chǎn)品能提供應(yīng)急災(zāi)區(qū)1∶10000精度以上的正射影像圖、大場景立體模型和DEM等數(shù)據(jù)。

（1）無人機應(yīng)急監(jiān)測影像快拼技術(shù)

無人機應(yīng)急救援應(yīng)滿足現(xiàn)場實時監(jiān)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(yīng)急指揮中心提供現(xiàn)場決策，對應(yīng)急監(jiān)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(qū)，因此，影像拼接是無人機影像處理必須采用的技術(shù)。應(yīng)急作業(yè)期間，常有航攝時間緊、無人機影像傾角過大且無規(guī)律、航向重疊度小、影像像幅小且數(shù)量多、飛行航線呈曲線、影像的旁向重疊度不規(guī)則等問題，且無人機搭載的相機多為非量測型相機，成像質(zhì)量差，存在影像不規(guī)則、畸變和明顯的輻射信息差異等問題，數(shù)據(jù)處理流程不同于常規(guī)影像生產(chǎn)技術(shù)流程。為滿足應(yīng)急監(jiān)測的效率需求，應(yīng)設(shè)計應(yīng)急無人機影像快速處理流程見圖3，保障應(yīng)急影像處理效率與質(zhì)量。

圖3 無人機平臺與多傳感器集成設(shè)計示意圖。

應(yīng)急數(shù)據(jù)處理流程主要包括影像數(shù)據(jù)質(zhì)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(yīng)急無人機測繪特點，應(yīng)急無人機數(shù)據(jù)檢查應(yīng)側(cè)重于影像與曝光點是否對應(yīng)、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(xù)空三計算。同時，為滿足應(yīng)急數(shù)據(jù)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(shù)設(shè)置?？杖馑銘?yīng)根據(jù)不同影像特點完成參數(shù)設(shè)置，例如，山區(qū)等紋理特征不明顯地區(qū)，可降低匹配精度，增加匹配點數(shù)量，同時城市地區(qū)可提高影像匹配精度，減少匹配點數(shù)量，提高處理效率。

（2）應(yīng)急專題影像圖制作技術(shù)

專題影像圖主要為決策部門提供決策參考，是目前應(yīng)急數(shù)據(jù)的主要提供形式。專題影像圖包括兩種形式，一是應(yīng)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(yīng)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(zāi)區(qū)地形地貌，不僅是應(yīng)急前期主要數(shù)據(jù)資料，也是救援決策指揮的重要數(shù)據(jù)支撐，供專業(yè)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(qū)的各要素及其相互間關(guān)系。應(yīng)急無人機解譯專題圖結(jié)合無人機影像，完成土地流失、道路橋梁損毀、城鄉(xiāng)房屋損毀、江河堵塞等信息識別，主要用于搶險救援、災(zāi)損評估、災(zāi)后重建及災(zāi)害防治等工作。

（3）多種影像數(shù)據(jù)融合技術(shù)

將多任務(wù)傳感器獲取的影像數(shù)據(jù)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(tǒng)，在激光掃描過程中可同時獲取高精度及高清晰度數(shù)碼影像，在數(shù)據(jù)后處理過程中與激光點云數(shù)據(jù)融合，得到真實色彩的三維空間點云數(shù)據(jù)，而且經(jīng)處理后可得到相應(yīng)的正射影像數(shù)據(jù)，為救援決策提供重要支撐。

防撞組合設(shè)計技術(shù)

（1）無人機空管應(yīng)答體系建立

通過加裝S模式空管應(yīng)答機，使應(yīng)急無人機具有空管應(yīng)答功能，與各航區(qū)塔臺及航管部門建立可視化聯(lián)系，在飛行作業(yè)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(tǒng)。

（2）無人機防撞體系建立

無人機系統(tǒng)需對本機周圍的它機進行探測、感知，并對地面和空中發(fā)出預(yù)警信號，通過空中交通管制系統(tǒng)與它機進行聯(lián)系，雙方進行飛行策略協(xié)商，根據(jù)協(xié)商結(jié)果，無人機自動生成防撞路線，實現(xiàn)自動規(guī)避。

（3）無人機語音通信系統(tǒng)建立

語音通信系統(tǒng)分為兩種，一種是獨立語音系統(tǒng)，其作用距離比較近；另一種是語音數(shù)據(jù)與無人機鏈路相結(jié)合的語音通信系統(tǒng)，采用數(shù)碼語言，結(jié)合視距或衛(wèi)星通信鏈路，使作用距離更遠，范圍更廣，實現(xiàn)無人機系統(tǒng)全程語音監(jiān)控。

（4）自動規(guī)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(guī)劃應(yīng)嚴格按照民航規(guī)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(qū)許可后，應(yīng)根據(jù)防撞體系實際情況，穿越?jīng)]有飛機的航線區(qū)域；建立民航實時發(fā)布的最新航線數(shù)據(jù)庫，供無人機識別和規(guī)避有人機；無人機在通信鏈路中斷時能實現(xiàn)自動規(guī)避。

決策指揮部門利用大中型無人機應(yīng)急監(jiān)測信息，及時采取救援措施，將災(zāi)害損失降至最小。對無人機應(yīng)急監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)進行深入研究，將拓展大中型無人機在該領(lǐng)域的應(yīng)用。■