基于異地監(jiān)視的無人機國土資源巡查系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

邱舒怡 李玄

（中國電子科技集團公司第二十研究所 陜西省西安市 710075）

近年來，無人機成為研究和投資的熱點，由于其機動性能好、生存能力強、無人員傷亡風險、使用方便，已在多個行業(yè)領域得到了廣泛的應用。我國幅員遼闊、資源豐富，在國土資源管理中可利用無人機飛行機動、快速、覆蓋范圍大、環(huán)境適應性強的特點，迅速深入惡劣環(huán)境對地表目標做出進一步評估，為相關決策部門快速取得詳實地表影像資料、航拍數(shù)據(jù)等一手監(jiān)測與評估資料提供保障，為處理決策工作提供重要的依據(jù)。

1 無人機巡查系統(tǒng)架構

無人機巡查系統(tǒng)由無人機平臺、地面站和服務器端構成。系統(tǒng)總體設計圖如圖1所示。無人機平臺包括機體結構、飛行管理控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和起降系統(tǒng)。地面站是地面操作人員直接與無人機交互的渠道，具備本地化對無人機飛行平臺和任務載荷進行監(jiān)控和操縱的能力；在本系統(tǒng)中地面站還實現(xiàn)了無人機平臺姿態(tài)信息、視頻數(shù)據(jù)的轉發(fā)。服務器端通過接收解析來自地面站的無人機相關監(jiān)視數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無人機航拍實時視頻的異地直播、無人機狀態(tài)(高度、經(jīng)緯度、方向等)在地圖上異地監(jiān)視等功能。

無人機姿態(tài)信息可由UDP協(xié)議在地面站通過轉化插件進行轉化，再由Http持續(xù)更新至服務器；無人機航拍視頻經(jīng)HDMI視頻采集卡輸入地面站后，在地面站轉碼推流至對應服務器可實現(xiàn)異地同步直播。

2 無人機巡查系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)主要功能

2.1.1 飛行數(shù)據(jù)管理

飛行數(shù)據(jù)管理基于數(shù)據(jù)庫技術實現(xiàn)，使用Mysql做數(shù)據(jù)庫服務器?；谠撓到y(tǒng)實際需求，飛行數(shù)據(jù)主要包括飛行任務信息和航跡信息，可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行查詢、新增、批量上傳、修改、刪除、批量刪除等操作。

飛行任務信息表（圖2）中主要存儲任務的目標區(qū)域、任務創(chuàng)建的時間，任務執(zhí)行狀態(tài)以及任務的類型(拍照或視頻)等信息。

航跡信息表（圖3）中主要存儲各任務中無人機的姿態(tài)信息，包括經(jīng)緯度、高度、航向等。2.1.2 無人機姿態(tài)信息解析

主要實現(xiàn)將原始無人機姿態(tài)信息解析并轉換，發(fā)送到指定服務器，以一定的標準接口保存到給定的任務序號中。無人機姿態(tài)信息解析的重要性體現(xiàn)在為無人機飛行數(shù)據(jù)的重現(xiàn)、應用提供了完善、詳實、準確的飛行數(shù)據(jù)[1]。通過UDP接收從地面站轉發(fā)來的無人機自身的遙測數(shù)據(jù)幀，并從中提取必要的無人機姿態(tài)信息，以POST方式發(fā)送到數(shù)據(jù)服務器的指定接口。遙測數(shù)據(jù)幀一般有五部分，包括姿態(tài)角、速度、高度等；機體數(shù)據(jù)，如電壓、轉速、溫度、控制模式等；GPS位置、GPS時間、距離等；指令數(shù)據(jù)；變長數(shù)據(jù)。無人機姿態(tài)信息解析模塊解讀轉發(fā)來的無人機遙測數(shù)據(jù)幀，從中提取經(jīng)度、緯度、高度、時間、航跡編號、姿態(tài)角度等數(shù)據(jù)后，封裝對應的POST請求，通過HttpClient對象發(fā)送到數(shù)據(jù)服務器。服務器接收數(shù)據(jù)后追加到目標任務的航跡記錄中。

圖1：系統(tǒng)總體設計圖

圖2：飛行任務信息表

圖3：航跡信息表

無人機姿態(tài)信息解析流程如圖4所示。

2.1.3 航跡可視化

基于三維地圖模型實現(xiàn)不同航程的航跡曲線繪制，以模擬真實環(huán)境中的巡查過程，使無人機巡查記錄看起來具有空間感、立體感，生動的反映無人機飛行模態(tài)的轉變過程，便于飛行人員通過相關參數(shù)從整體上把握無人機飛行的變化趨勢。航跡可視化示意圖如圖5所示。

2.2 無人機異地監(jiān)視實現(xiàn)流程

以無人機異地監(jiān)視需求為背景，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈只能實現(xiàn)可通訊距離內(nèi)的本地直播，一般是為地面飛行控制人員提供操作飛機的相關數(shù)據(jù)支持。但隨著無人機應用領域的擴大，在國土資源管理中，相關業(yè)務人員無法親臨飛行操控現(xiàn)場，但是仍然有實時觀看航拍視頻的需求。無人機異地監(jiān)視需要轉發(fā)的內(nèi)容包括兩部分，一部分是無人機自身飛行的姿態(tài)信息，一部分則為無人機載荷所記錄的航拍視頻。

關于無人機飛行姿態(tài)信息的實時轉發(fā)，主要是從無人機地面控制站接收無人機的位置和姿態(tài)等信息，解析并轉換發(fā)送到指定服務器，保存到給定的任務序號中。主要流程如下：

（1）無人機起飛后，地面站轉發(fā)UDP形態(tài)的遙測數(shù)據(jù)到無人機姿態(tài)信息解析模塊；

（2）無人機姿態(tài)信息解析模塊進行解析，構造HTTP請求發(fā)送到服務器；

（3）服務器解析并保存對應航跡點信息到指定任務。

無人機異地監(jiān)視實現(xiàn)流程圖如圖6所示。

關于無人機航拍視頻的實時轉發(fā)，為保障通訊的可靠性，在無人機和地面站之間依然沿用數(shù)據(jù)鏈來傳送視頻，從地面站接收載荷攝像機的視頻流數(shù)據(jù)，經(jīng)OBS直播工具，傳遞到流服務器，并在服務器轉換成HLS協(xié)議，提供RTMP/HLS訪問。

2.3 系統(tǒng)實驗結果

經(jīng)過實際飛行試驗，我們對無人機姿態(tài)信息解析轉發(fā)和視頻傳輸效果進行了測試。地圖上標注的無人機運行軌跡與實際飛行基本一致，航拍視頻傳輸由于實際飛行地點的網(wǎng)絡傳輸速度有限，產(chǎn)生了2～3秒的時延，不影響本系統(tǒng)的使用效果。相關業(yè)務人員可通過本系統(tǒng)實時獲取國土資源的影像資料，實現(xiàn)對國土資源的動態(tài)監(jiān)測，促進相關土地資源的有效利用。試飛示意圖如圖7所示。

3 無人機在國土資源管理中的應用

由于無人機具有體積小、質量輕、驅動力較強等特點，可以完美地完成國土資源的勘測任務。通過快速獲取無人機航攝數(shù)據(jù)，能夠快速掌握測區(qū)的詳細情況，應用于國土資源動態(tài)監(jiān)測與調查、土地利用和覆蓋圖更新、土地利用動態(tài)變化監(jiān)測、特征信息分析等，高分辨率的航空影像還可應用于區(qū)域規(guī)劃等[2]。

4 結束語

本文提出了一種基于異地監(jiān)視的無人機巡查系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)總體設計、功能設計、異地監(jiān)視無人機的技術實現(xiàn)等內(nèi)容。經(jīng)過多次測試、實際飛行試驗，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作正常，可為遠在異地的業(yè)務工作人員提供一手的無人機姿態(tài)信息和航拍視頻。無人機因其獨特的優(yōu)勢，將在國土資源管理中扮演一個重要的角色[3]。它提高了國土資源信息收集的速度及質量，節(jié)省了大量的人力、物力及財力，未來在確保無人機技術先進性以及系統(tǒng)功能完善性的同時，還需與國土資源管理相互結合，強化應用。

圖4：無人機姿態(tài)信息解析流程

圖5：航跡可視化示意圖

圖6：無人機異地監(jiān)視實現(xiàn)流程圖

圖7：試飛示意圖