遼寧省應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)中高寒型無(wú)人機(jī)的應(yīng)用

徐漢超,蔡雨寒

(1.沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004；2.遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

遼寧省位于東北地區(qū)南部，冬季一般溫度在-20℃，特殊高山極寒地區(qū)最低溫度能達(dá)到-40℃以下。作為一個(gè)自然災(zāi)害多發(fā)省份，地質(zhì)災(zāi)害、氣象災(zāi)害、海洋災(zāi)害、農(nóng)業(yè)災(zāi)害和林業(yè)災(zāi)害都較為頻繁，近年來(lái)洪澇災(zāi)害更有頻發(fā)趨勢(shì)。自然災(zāi)害不僅威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，還會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。遼寧省應(yīng)急測(cè)繪保障的無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)存在有效載荷輕、姿態(tài)控制難、續(xù)航時(shí)間短、天氣要求嚴(yán)、遙控距離近等限制條件，不支持大面積、惡劣天氣、遠(yuǎn)距離、高精度的應(yīng)急測(cè)繪影像快速獲取，無(wú)法滿足全省多災(zāi)種、大區(qū)域、快速獲取應(yīng)急地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)尤其是高寒地區(qū)的多源遙感影像需要。

為提升遼寧省應(yīng)急測(cè)繪保障能力，本文針對(duì)高寒型無(wú)人機(jī)特殊設(shè)計(jì)、光電吊艙數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)、輕型大面陣航攝數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為縮短研制周期，降低研制風(fēng)險(xiǎn)，按照“成熟產(chǎn)品原則”，在充分分析地理環(huán)境和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，采用了成熟貨架產(chǎn)品來(lái)完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目采用了ASN-218垂直起降無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，具體組成部件如圖1所示。

圖1 高寒型無(wú)人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)組成

飛行器同時(shí)搭載光電吊艙、光學(xué)面陣傳感器、定位定姿系統(tǒng)等傳感器，并接受無(wú)人機(jī)及相關(guān)載荷的控制指令，對(duì)飛行姿態(tài)和設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行控制，飛行器外觀如圖2所示。

傳感器分系統(tǒng)是遼寧省高寒型無(wú)人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)的核心組成部分，由輕型大面陣航攝系統(tǒng)、光電吊艙、任務(wù)計(jì)算機(jī)3部分構(gòu)成。其中，光電吊艙集成FAIS-145雙光吊艙和升降機(jī)構(gòu)于一體；輕型大面陣航攝系統(tǒng)集成光學(xué)面陣傳感器(集成經(jīng)出廠嚴(yán)格檢校的IXU-RS1000相機(jī))、定位定姿系統(tǒng)(AP20)及三軸穩(wěn)定云臺(tái)RS-M150于一體。通過(guò)將光電吊艙、輕型大面陣航攝系統(tǒng)等設(shè)備固定裝載在飛行器中，以獲取高分辨率、高定位精度的地面遙感信息。任務(wù)計(jì)算機(jī)用于控制輕型大面陣航攝系統(tǒng)相機(jī)曝光。

指揮控制平臺(tái)分系統(tǒng)由視距數(shù)據(jù)鏈和指揮設(shè)備組成，其通過(guò)數(shù)據(jù)鏈完成地面指令的傳輸、無(wú)人機(jī)設(shè)備狀態(tài)的接收與顯示，以及對(duì)無(wú)人機(jī)上搭載設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)。

綜合保障平臺(tái)分系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理的軟、硬件組成，其功能包括2部分內(nèi)容：①完成飛行前的航線設(shè)計(jì)，規(guī)劃無(wú)人機(jī)作業(yè)的飛行航線；②對(duì)傳感器獲取的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速處理，滿足突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)信息的獲取需求。

備品備件、易損件和專用工具是遼寧省高寒型無(wú)人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)運(yùn)輸、存儲(chǔ)、展開、維修更換等情況下的輔助裝備。具體工作原理及過(guò)程如圖3所示。

2 高寒型無(wú)人機(jī)特殊設(shè)計(jì)

為解決無(wú)人機(jī)平臺(tái)及機(jī)載設(shè)備無(wú)法在低溫環(huán)境下正常工作的問題，項(xiàng)目對(duì)硬件進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。電池溫控方面，用電加熱膜包裹電池部件，并由溫控元器件控制其溫度。舵機(jī)溫控方面，將聚酰亞胺加熱薄膜粘貼于舵機(jī)兩側(cè)，從而保證舵機(jī)恒溫。聚酰亞胺具有絕緣且耐高溫的特點(diǎn)，不會(huì)因舵機(jī)溫度過(guò)高而影響到舵機(jī)工作。相機(jī)溫控方面，采用主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的溫控方式，既內(nèi)部黏貼溫控及溫控感光元件，亦用溫控腔體包裹相加，內(nèi)部黏貼保溫材料。

3 光電吊艙數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)研究

光電吊艙數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)研究主要針對(duì)高寒型無(wú)人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)內(nèi)航空視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)雙光吊艙視頻，并對(duì)視頻提取的關(guān)鍵幀影像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，糾正和配準(zhǔn)等操作，實(shí)現(xiàn)航空視頻數(shù)據(jù)與其他應(yīng)急數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)。

雙光吊艙具有系統(tǒng)加電自檢功能，并上報(bào)自檢結(jié)果；可接收外部角度設(shè)置指令，將視軸角度鎖定；能按照預(yù)定的路徑，自動(dòng)掃描由操作員指定的區(qū)域；能人工操作轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，手動(dòng)搜索、鎖定目標(biāo)并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤；適配升降機(jī)構(gòu)，可自動(dòng)收放；可實(shí)現(xiàn)搭載光電設(shè)備的自動(dòng)對(duì)焦、自動(dòng)調(diào)光、電子變倍、預(yù)置位變倍、視場(chǎng)切換功能；能適應(yīng)無(wú)人機(jī)飛行特性，清晰、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)地獲取可見及紅外圖像；具有視軸穩(wěn)定功能；具有角度輸出功能；具有目標(biāo)地理坐標(biāo)引導(dǎo)功能；具有狀態(tài)參數(shù)、標(biāo)識(shí)框顯隱功能；具有存儲(chǔ)、輸出視頻圖像和照片功能；接收飛控指令對(duì)光電載荷進(jìn)行通斷電功能；能通過(guò)通訊接口將分系統(tǒng)的狀態(tài)信息對(duì)外輸出；能通過(guò)通訊接口接收系統(tǒng)外設(shè)備發(fā)出的指令信息。雙光吊艙穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)采用兩軸兩框架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)方位軸和俯仰軸穩(wěn)定，保證光學(xué)載荷在慣性空間穩(wěn)定，從而獲取清晰的圖像。系統(tǒng)主要由載荷艙、U型架和電子艙組成。其中可見光相機(jī)和紅外熱像儀安裝于平臺(tái)載荷艙內(nèi)。

光電吊艙視頻數(shù)據(jù)處理模塊可對(duì)航空視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)視頻，并對(duì)視頻提取的關(guān)鍵幀影像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，糾正和配準(zhǔn)等操作，實(shí)現(xiàn)航空視頻數(shù)據(jù)與其他應(yīng)急數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)。

光電吊艙視頻數(shù)據(jù)處理模塊的主要技術(shù)指標(biāo)為：在接收到光電吊艙獲取的視頻數(shù)據(jù)后，抽取500張關(guān)鍵幀影像并進(jìn)行快速拼接的總時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)1h，拼接后的影像數(shù)據(jù)平面精度優(yōu)于50m。

視頻數(shù)據(jù)處理模塊提供快速(全自動(dòng))處理和常規(guī)處理2種業(yè)務(wù)模式，既支持全自動(dòng)模式下的關(guān)鍵幀提取、連接點(diǎn)匹配、拼接裁切，快速生成無(wú)POS應(yīng)急模式下的快拼影像成果；又支持輔以精細(xì)化交互編輯與質(zhì)量檢查工序的常規(guī)處理模式，生產(chǎn)滿足相應(yīng)規(guī)范要求的關(guān)鍵幀糾正拼接影像成果與視頻成果。

4 輕型大面陣航攝數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

輕型大面陣航攝系統(tǒng)由光學(xué)面陣傳感器、定位定姿系統(tǒng)、三軸穩(wěn)定云臺(tái)RS-M150組成。光學(xué)面陣傳感器包括相機(jī)(IXU-RS1000)、圖像存儲(chǔ)器、相機(jī)集成部件。定位定姿系統(tǒng)包括IMU、GPS天線、PCS。三軸穩(wěn)定云臺(tái)RS-M150由俯仰軸組件、橫滾軸組件、偏流軸組件、三軸陀螺、平臺(tái)控制電路、平臺(tái)電源等組成，輕型大面陣航攝系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

圖4 輕型大面陣航攝系統(tǒng)工作原理圖

光學(xué)面陣傳感器是輕型大面陣航攝系統(tǒng)的核心部分，主要包括相機(jī)、圖像存儲(chǔ)器、相機(jī)集成部件；相機(jī)包含Phase One IXU-RS1000機(jī)身和焦距為50mm的鏡頭；相機(jī)集成部件包含相機(jī)控制器、相機(jī)電源、相機(jī)溫控器以及溫控組件等。

光學(xué)面陣影像處理模塊支持市面上主流無(wú)人機(jī)及大飛機(jī)獲取光學(xué)影像，提供無(wú)人機(jī)航飛質(zhì)量檢查功能，具備原始數(shù)據(jù)、平差成果、DEM和DOM成果的質(zhì)檢能力。系統(tǒng)針對(duì)不同的數(shù)據(jù)源，提供具有高精度、高效的多種匹配算法和聯(lián)合平差算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)面陣影像的連接點(diǎn)自動(dòng)匹配和區(qū)域網(wǎng)平差解算，產(chǎn)品精度可滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需求，保障DEM/DOM生產(chǎn)精度要求。

高寒型無(wú)人機(jī)航空攝影生產(chǎn)在實(shí)際作業(yè)中一般有3種業(yè)務(wù)模式，具體如下。

(1)實(shí)時(shí)快拼模式是指應(yīng)急災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，在飛行過(guò)程中通過(guò)通訊鏈路即時(shí)回傳數(shù)據(jù)，地面工作站根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)空三處理及實(shí)時(shí)鑲嵌。每下行一張數(shù)據(jù)，則測(cè)區(qū)重新構(gòu)網(wǎng)并渲染鑲嵌效果。

(2)快速處理生產(chǎn)模式是在分析整理所獲取的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目生產(chǎn)目的和成果要求，以原始影像為輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)自動(dòng)化的空三加密、DEM生產(chǎn)、正射糾正、勻光勻色和影像鑲嵌等一系列的處理過(guò)程生成自動(dòng)化DOM生產(chǎn)成果

(3)常規(guī)處理生產(chǎn)模式在分析整理所獲取的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮统晒?，充分發(fā)揮光學(xué)面陣影像處理模塊技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)DOM生產(chǎn)等業(yè)務(wù)的高自動(dòng)化快速處理，同時(shí)輔以便捷的交互操作，提供完備的質(zhì)檢及編輯工具，保證成果的正確性和可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

依托國(guó)家應(yīng)急測(cè)繪保障能力建設(shè)項(xiàng)目，本文設(shè)計(jì)的高寒型無(wú)人機(jī)航空應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)在遼寧單項(xiàng)工程中完成建設(shè)，并在常規(guī)的應(yīng)急演練中得到成功應(yīng)用。該系統(tǒng)在災(zāi)害頻發(fā)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)高清航空視頻影像及航空遙感圖像獲取“第一時(shí)間”從原來(lái)的24h縮短至6h以內(nèi)，可為應(yīng)對(duì)突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)全天時(shí)、全地形航空遙感影像獲取提供無(wú)死角數(shù)據(jù)支撐，對(duì)高緯度、高海拔地區(qū)建立全天候、全地域、快速反應(yīng)的應(yīng)急測(cè)繪系統(tǒng)具有借鑒意義。該系統(tǒng)如何與原有短航時(shí)固定翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行整合，如何與省應(yīng)急數(shù)據(jù)交換中心及省資源共享節(jié)點(diǎn)，有待進(jìn)一步研究。