基于系留無人機的應急測繪技術應用

胡鳴

（內蒙古自治區航空遙感測繪院，內蒙古自治區 呼和浩特 010010）

目前世界范圍內的防災減災形勢嚴峻，各類災害對人類經濟、社會發展的影響不斷加劇。應急保障，測繪先行。應急測繪需要“既快又準”，但是傳統的測繪裝備與方法主要以“準”為目標，其對數據采集、存儲、處理、顯示的要求都比較高，數據處理周期較長，難以滿足應急測繪的要求舊J。近幾年來，測繪裝備和技術的發展逐漸能夠對突發災害進行快速的響應，獲得的測繪數據成果可以作為救災減災的重要參考依據。

一、系留無人機系統組成

系留無人機系統與普通多旋翼系統的區別在于飛行器平臺系統和供電系統，飛行器平臺系統作為空中設備的搭載平臺，搭載任務載荷到目標區域上空用于通信中繼或執行偵察等任務。與普通多旋翼不同，系留無人機長時間在空中懸停需要考慮恒風或突風的影響，在風場中懸停時，實際上相當于平臺在向來風方向做平面飛行，因此系留無人機設計時需要綜合考慮氣動外形和動力設計。系留無人機與普通無人機最大的區別在于供電系統的不同，系留多旋翼懸停高度一般為100m 或200m，因此從地面到達平臺供電需要經過一定的傳輸距離，為減少電能的消耗，一般采用高壓供電方式，減小輸送電流。系留無人機供電系統包括地面電源、地面升壓模塊、系留線纜及機載降壓模塊及機載應急電池等，地面電源可為地面電池組、發電機或市電，地面電源經地面升壓模塊轉換至300～400V 高壓，經系留線纜進行高壓電能傳輸至機載降壓模塊，機載降壓模塊再將高壓電降至一定低壓為飛機和機載電子設備供電。系留線纜為復合光纖電纜，不僅用于傳輸動力電源還用于傳輸平臺電子設備的光電信號。系留線纜一般由一根動力線、兩根光纖及增強單元組成，增強單元為系留線纜的承力元件，一般由軟質纖維絞制而成，可用于減緩外力沖擊對內部線纜的影響。線纜要求具有輕的結構重量，以減輕平臺升力，增加升空高度，提高使用效能。系留多旋翼通常配備有機載應急電池，用于防止地面供電系統出現問題時無人機可平穩降落。機載應急電池與地面供電系統并聯設計，供電時可根據需求進行相互轉換：1.當機載應急電池與地面供電系統都正常時，優先使用地面供電系統供電；2.當地面供電系統出現故障時，系統可迅速轉換至機載應急電池供電；3.當地面供電系統恢復正常時，無人機系統又可快速切換回地面供電系統供電。而當地面供電系統超過2min 不能恢復時，無人機可依靠機載應急電池安全降落，為保證系留無人機系統安全，機載應急電池通常設計有足夠的余量。

二、系留無人機特點

隨著系留無人機設備和技術的快速發展與日益成熟，為滿足防災救災的迫切需要，系留無人機開始逐漸涉及應急測繪領域。美國和以色列在系留無人機方面已經有了很成熟的技術。以色列航宇工業公司生產的系留無人機可以在15s 內升至50m 高度并懸停，有效載荷達到6k；美國CyPhy 公司研制的PARC 系留無人機可以在122m的高度懸停，有效載荷為1.8k，可以進行移動目標的跟蹤；Drone Aviation 公司研制的Bolt 系留無人機可以在250m的高度懸停，并且能夠實時傳輸高清視頻和安全通信。應用領域方面，美國很早就用系留無人機進行建筑物垮塌現場的應急測繪；法國也開始使用系留無人機進行海洋石油泄露的應急測繪。系留無人機在應急測繪的應用，主要以獲取高空間分辨率的數字影像和視頻為目標，以系留無人機為平臺，搭載高清相機，通過3S 及深度學習網絡等技術對獲取的原始數據進行處理，最終獲得小區域、高精度、現勢性強、大比例尺的數字高程模型和數字正射影像等測繪數據。1.與普通無人機相比，系留無人機具有長時間的滯空能力，采用系留線纜供電方式，可持續進行供電，減少了機載電池重量，保證了無人機全天24h的飛行能力。2.相比其他飛行器，系留多旋翼安全性高，無人機可固定懸停在某一監控區域，懸停高度不會超過200m，不會對其他飛行器造成飛行安全隱患，再者起降環境要求低，不需要專門的機場跑道，超低空應用無須空域申報或空域協調；同時無人機長時間的系留，不需要操作手進行頻繁的操作，減少了操作失誤帶來的安全隱患。3.相比固定翼無人機，系留多旋翼具有穩定的懸停能力，這是無人機飛行具有的獨特優勢，系留多旋翼無人機通過慣性測量元件對三維角速度、三維加速度及三維速度的狀態進行測量使無人機進行穩定的懸停。4.系留無人機具有良好的電磁兼容能力，多旋翼無人機飛行過程中電機、電調、機載降壓模塊、大電流線纜等都會產生電磁輻射，通過布線技術、濾波技術、接地技術、屏蔽技術等降低電磁輻射對通信系統的干擾。5.系留無人機具有超強的掛載能力，可掛載晝夜光電偵察設備、無線電偵察設備及通信中繼設備等，可滿足不同的使用環境需求。6.與直升機相比，系留無人機具有結構簡單、升降操縱方便、體積小、重量輕、噪音小、可靠性高等優點。與直升機不同，系留無人機飛行原理簡單，不需要復雜的零部件和機械結構，對零部件的磨損較小，安全性和可靠性得到提升。在國內，也有很多研究單位和企業在積極探索系留無人機相關設備的研發與生產。北京大工科技有限公司研制的大工科技系留無人機系統有效載荷可以達到15kg，可以檢測故障并自動降落。除了系留無人機外，各類研究機構也開始研發系繩系統，比較有代表性的是法國EuSTAIR 公司研發的盤繩系統，目前國內的系留無人機主要應用在應急通信領域和無線電監測領域一。在應急測繪方面的應用尚屬空白。系留無人機系統的不斷完善將在未來的應急測繪領域展現更強大的能力，為提升我國的防災減災能力提供強有力的保障。

三、系留無人機的應急測繪技術應用

（一）系留無人機應急測繪應用的數據處理方法

系留無人機采集的數據類型有很多種，根據搭載的傳感器的不同，可以獲取不同類型的所需數據。可以搭載的傳感器包括可見光高清相機、微波雷達、紅外相機等。系留無人機的數據處理方法和普通無人機的數據處理方法一樣，所以系留無人機的適用性更強，也更容易入門。近年來，國內外的無人機數據處理軟件都在快速發展，這些軟件基本上都實現了對無人機影像數據的自動化處理。本文通過系留無人機獲取實驗區域的視頻，然后通過視頻抽幀方法，獲取一系列高重疊度的影像，然后將影像圖片導入到軟件進行后處理。軟件處理數據的常見問題及處理方法包括：1.遇到一些復雜場景或者發生故障的路段時，根據地面控制點進行劃分測區處理，再進行圖像拼接，可以提高圖像的處理效率和準確性；2.對于一些質量比較差的照片可以剔除，軟件會自動調整測區中的相關參數，從而避免不必要的冗余；3.選擇地面控制點時，盡量精確到點且均勻分布，不選擇接近影像邊緣的點。深度學習模型要通過大量的樣本訓練來提高識別的精度，在進行視頻識別之前，需要對大量的樣本進行標定。本文使用YOLOv3訓練一個小型的特定類別的目標檢測器。訓練過程步驟為：1.準備數據集。對大概1000 張照片進行標注，分為訓練集和測試集2 部分。2.準備Darknet。下載編譯好Darknet，修改里面的代碼使它適合于自己的數據集。3.下載預訓練的模型。使用ImageNet 數據集上的預訓練模型，這樣可以使網絡收斂得更快。4.指定訓練所需文件的路徑和參數的配置。5.訓練YOLOv3。當損失函數下降到一定閾值后停止訓練，保存模型。6.測試模型。調用測試模型。7.目標識別。通過高清多媒體接口將無人機相機拍攝的視頻實時傳輸到地面控制端的電腦上，地面電腦通過框架對視頻內的目標進行檢測識別。

（二）系留無人機應急測繪的應用場景

系留無人機可以搭載高空間分辨率的相機，能達到專業測繪無人機的要求精度，且具有較長的滯空時間，更強的穩定性等特點，而且后期數據處理成本低、速度快，自動化程度高，能夠承擔受災區域和危險區域的長時間、高精度的應急測繪，是目前甚至將來一段時間內，最有效、最經濟的應對應急測繪難題的一種方法。在我國的南方地區很容易發生泥石流、滑坡等地質災害，當這些地質災害發生時很難對災害進行精確的評估和認定。系留無人機可以快速地獲取災區的三維模型，并且進行定量的計算(例如計算塌方量、確定堰塞湖的大小等)。系留無人機能夠為應急救援的決策者直觀地展示災害現場狀況，并為災害救援方案的制定提供數據支持。由于目前的災害現場管理嚴格，非官方人員很難在第一時間獲取災害現場的航拍數據，航拍數據來模擬類似的地質災害場景。地震等自然災害發生時，往往會造成通信設備的癱瘓，給救援工作帶來極大的不便，傳統解決通信問題往往是搭建臨時的通信基站，而受天線高度的影響服務范圍有限，難以快速全面快速地展開救援工作。系留多旋翼無人機作為搭載平臺搭載微型基站、集群微型基站及自組網平臺等多種通信設備飛抵受災區上空，作為通信中繼提供應急通信服務。相比于傳統臨時通信基站，通過系留多旋翼無人機搭建的應急通信基站具有覆蓋范圍廣、成本低、安全可靠等優點，可快速實現與災區取得聯系。

（三）社會公共安全場景

在這種大型的人群聚集區，需要系留無人機進行現場的安全保護、系留無人機以解決普通無人機滯空時間短、穩定性差的問題，可以在大型活動的全部時間段進行監測。無人機獲取的數據通過通信端口傳輸到地面終端，通過深度學習網絡，對現場人員位置和流動情況進行監測。當發生危險情況時，可以給地面的管理人員實時地提供人員分布和流動情況。工作人員根據無人機數據制定合理的救援方案，很好地疏導人員，減少傷亡。

（四）重大交通事故場景

隨著我國汽車保有量逐年增加，交通事故的發生頻率也在增多。當道路交通事故時，如果不能及時快速地得到處理，很容易發生交通擁堵，甚至發生二次事故。快速獲取交通事故現場的情況就非常的重要。通過系留獲取交通事故現場的實時視頻信息，并可以通過深度學習網絡，識別道路上的車輛類型和人員，有利于疏導交通和制定具體的救援方案，由于重大交通事故發生后非救援人員很難進人事故現場。

現階段局部沖突、邊境摩擦問題依然存在，安保與反恐問題越來越受到國家的重視，更多的國家將系留多旋翼無人機應用于軍事偵察和要地監控。將攜帶不同載荷的系留無人機部署在邊境地區或重點防范區域，可以對目標進行全天候、不間斷的監控，防范惡性事件的發生，系留無人機同樣可以作為武器的安裝平臺，當監控目標中發現敵對分子時對目標實施精確打擊。

結束語：系留無人機系統的優勢和系留無人機數據的處理方法以及在應急場景中的應用。2 系留無人機具有續航時間長、穩定性好、易操作等特點，是承擔突發災害現場大比例尺測圖任務、三維建模、目標識別的較為經濟有效的技術手段。系留無人機的測圖和實時監測功能可以滿足突發災害現場提出的快速、精確、持續性的應急測繪任務，在應急測繪領域具有得天獨厚的優勢，在未來的智慧城市建設以及應急救災中會提供更加有效的測繪支持。