基于無人飛行器和GIS的防汛抗旱監測系統

田文生 范文睿

水質災害是我國特別是南方地區最常見且頻繁發生的嚴重地質災害，一旦發生即會對當地老百姓造成嚴重的人生安全損失和財產損失，對當地正常經濟生活次序造成巨大影響（道路、電力中斷，飲用水、糧食減少，工業生產暫停等等）。可以說每到汛期時間特別是主汛期來臨，各地政府人民都會對防汛減災工作高度重視并且全力以赴減少降低損失。二十一世紀已邁入信息數據時代，信息亦是防汛抗旱工作決策的基礎，是正確分析和判斷防汛抗旱形勢、科學地制定防汛抗旱調度方案的依據。

隨著MEMS技術和無線通訊技術的快速發展，利用無人飛行器對水利信息進行監測，將大大提高雨情、水情、旱情和災情信息采集的準確性及傳輸的時效性，并通過后臺GIS地理信息系統和數據分析處理軟件對收集到的信息進行全方位橫向縱向的分析，對各種災情（水患干旱）險情其發展趨勢作出及時、準確的預測和預報，可提前或及時制定防洪抗旱調度方案，以及災后的評估、查勘和定損，為決策部門科學決策提供更有效、更真實的數據依據。同時，無人飛行器的組裝、拆卸、運輸和操作也極為方便，在運用時完全不受地面交通道路等條件的影響，有效的保障了在搶險過程中指揮人員搶險工作人員的人生財產安全。對比傳統方式的信息收集，有著超高的靈活性和時效性，操作性和低成本性。

基于無人飛行器和GIS的防汛抗旱監測系統是空中機器人智能控制領域關鍵性創新成果，具有高性能、低成本、多功能、微型化等特點，目前處于國際先進水平。本系統采用開放型設計，可配置、可裁減、可擴充、可升級，具有面向系統的可編程性。適用于多種結構的無人飛行器。它集成了全自動衛星導航、飛行穩定控制、任務編程、視頻傳輸、視頻疊加（On Screen Display）、遙測數據記錄以及數據鏈路傳輸等功能，地面站系統可實時接收機載系統傳回的視頻、聲音以及數據信息，通過三維渲染模型，更加真實的顯示飛行器在空中的飛行姿態、地理位置、飛行軌跡、作業情況等信息。通過設置導航點信息，系統可控制飛機器自主完成飛行任務，飛行過程中也可臨時修改導航路徑，在出現突發情況時，系統會根據情況判斷，選擇繼續完成預定任務、緊急迫降或自動返航。

一體化地面站的導航計算機配備GIS地面系統軟件，并可以隨車移動辦公，隨時到達離險情近的相對安全區域，包含航跡規劃、電子地圖、飛機狀態監控等。根據目標區域，自動規劃航線，完全覆蓋任務區域；地面站實時顯示飛行器飛行數據和定位信息。自動飛行控制系統控制任務載荷執行任務，包括定時、定距拍照與定點拍照。

無人飛行器裝上高清航拍攝像機飛行，通過保證重疊率的航拍，和簡便的軟件拼圖，獲得一個區域大致地貌的影像圖，方便快捷，現場幾個小時以內就能完成數百張照片和處理。通過并行處理技術和海量數據工程化技術實現探測數據（CCD、視頻）產品的自動化、實時處理，為探測信息提取、分析和指揮決策提供基礎數據支撐。

后期航拍處理系統突破了傳統航測在攝影比例尺、姿態角、重疊度等方面的嚴格限制，能夠處理現有航攝相機、數碼相機、組合寬角相機（包括各種全景數碼相機）的影像。通過無人機航攝攝所獲取的豎直攝影影像、交向攝影影像、傾斜影影像以及復雜航線多基線攝影影像；通過多視影像匹配自動構建空中三角測量網，能進行多達10000片影像的大區域網光束平差；配合低空遙感的高分辨率影像，實現高精度航測定位；并且，能自動化生產數字高程模型（DEM）和數字正射影像（DOM）等產品。

本系統的運用了一下幾個方面的技術創新：

（1）捷聯慣性導航系統的姿態算法及優化。

根據捷聯慣導系統的基本工作原理，捷聯姿態算法是整個捷聯慣導系統的一個重要組成部分。它既涉及到載體姿態的實時解算，又關系到“數學平臺”—姿態矩陣的即時修正。因此，其更新算法、計算機計算周期的選擇均需仔細選擇，才能保證系統的精度和實時性。

（2）傳感器信號的濾波技術，降低系統噪聲引起的誤差。

使用獨有數字濾波器算法，特別是對陀螺儀，經過濾波后，準確度提高一倍以上。該陀螺的刻度因數為20mv/so，即準確度從0.07/s提高到了0.03/s。通過試驗測試表明，給出的濾波器方法可以大大提高系統的使用精度。

（3）系統的標定及補償，利用軟件通過誤差補償措施來提高使用時的實際精度。

該系統的技術指標主要涉及以下幾個方面：

1.飛行信息的實時回傳

在飛行過程中實時回傳視頻信息，供地面人員參考，為更進一步是地面人員了解飛行器的狀態，在視頻數據上面疊加了經緯度，高度，速度等信息，避免了通過外加一路數據通道傳輸數據的問題。

在高度信息處理上，使用氣壓計獲取高度，而不是直接使用GPS高度，這樣避免了飛行器快速移動過程中，產生的高度誤差，使高度更精確，

2.GPS抗干擾和快速定位

因為飛行器上面無線傳輸設備功率較大，設計對GPS搜星干擾明顯，GPS采用獨有的抗干擾設計，并為GPS增加后備電池，支持熱啟動，大大增強GPS抗干擾能力，加快了GPS定位速度，熱啟動模式下，20秒以內就可以的快速定位。

3.飛行器設備一體化電源管理

因為飛行器上面需要載有攝像頭，視頻傳輸、姿態控制、 GPS等多個模塊，在供電上采用一體化供電方案解決機載設備布線繁雜的問題，并在電源模塊設計上增加了濾波，最大限度避免了對視頻信號的干擾。

4.自動天線跟蹤系統

系統設計目的是為地面信號接收系統提供全方位的信號接收能力。飛行器飛行中，我們為了獲得更好的視頻信號接收質量，希望采用高增益的接收天線。但高增益的天線往往伴隨著狹窄的有效角度。自動天線跟蹤系統的設計就是為了解決飛行器飛行時定向天線難以保持在最佳收發角度的問題。性能參數：自動天線跟蹤系統內部有高質量的電器滑環，可以連續無限旋轉而不產生線纜纏繞的問題，內建的電子羅盤使得系統可以即插即用，無需額外的方向初始化操作。

5.地面GIS系統

地面GIS系統是建立在自駕儀系統基礎上的帶地面軟件的GIS控制系統 。它除了擁有基本飛行控制功能之外，還能編輯3D地圖航點、規劃飛行航線、實現實時的飛行姿態反饋以及航拍圖像合成。可應用于專業航拍（AP）、遙感測繪、航空探礦、災情監視、交通巡邏、治安監控、森林防火、電力巡線等廣泛領域。