遼寧省應急測繪系統中高寒型無人機的應用

徐漢超,蔡雨寒

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

遼寧省位于東北地區南部，冬季一般溫度在-20℃，特殊高山極寒地區最低溫度能達到-40℃以下。作為一個自然災害多發省份，地質災害、氣象災害、海洋災害、農業災害和林業災害都較為頻繁，近年來洪澇災害更有頻發趨勢。自然災害不僅威脅人民群眾生命財產安全，還會造成巨大經濟損失。遼寧省應急測繪保障的無人機航攝系統存在有效載荷輕、姿態控制難、續航時間短、天氣要求嚴、遙控距離近等限制條件，不支持大面積、惡劣天氣、遠距離、高精度的應急測繪影像快速獲取，無法滿足全省多災種、大區域、快速獲取應急地區現場尤其是高寒地區的多源遙感影像需要。

為提升遼寧省應急測繪保障能力，本文針對高寒型無人機特殊設計、光電吊艙數據實時處理系統、輕型大面陣航攝數據處理系統等關鍵技術進行研究和驗證。

1 系統設計

為縮短研制周期，降低研制風險，按照“成熟產品原則”，在充分分析地理環境和技術要求的基礎上，采用了成熟貨架產品來完成項目設計。本項目采用了ASN-218垂直起降無人機系統，具體組成部件如圖1所示。

圖1 高寒型無人機航空應急測繪系統組成

飛行器同時搭載光電吊艙、光學面陣傳感器、定位定姿系統等傳感器，并接受無人機及相關載荷的控制指令，對飛行姿態和設備工作狀態進行控制，飛行器外觀如圖2所示。

傳感器分系統是遼寧省高寒型無人機航空應急測繪系統的核心組成部分，由輕型大面陣航攝系統、光電吊艙、任務計算機3部分構成。其中，光電吊艙集成FAIS-145雙光吊艙和升降機構于一體；輕型大面陣航攝系統集成光學面陣傳感器(集成經出廠嚴格檢校的IXU-RS1000相機)、定位定姿系統(AP20)及三軸穩定云臺RS-M150于一體。通過將光電吊艙、輕型大面陣航攝系統等設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。任務計算機用于控制輕型大面陣航攝系統相機曝光。

指揮控制平臺分系統由視距數據鏈和指揮設備組成，其通過數據鏈完成地面指令的傳輸、無人機設備狀態的接收與顯示，以及對無人機上搭載設備的狀態進行遠程控制和監測。

綜合保障平臺分系統由數據處理的軟、硬件組成，其功能包括2部分內容：①完成飛行前的航線設計，規劃無人機作業的飛行航線；②對傳感器獲取的各種數據進行現場快速處理，滿足突發事件現場信息的獲取需求。

備品備件、易損件和專用工具是遼寧省高寒型無人機航空應急測繪系統運輸、存儲、展開、維修更換等情況下的輔助裝備。具體工作原理及過程如圖3所示。

2 高寒型無人機特殊設計

為解決無人機平臺及機載設備無法在低溫環境下正常工作的問題，項目對硬件進行了特殊設計。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。舵機溫控方面，將聚酰亞胺加熱薄膜粘貼于舵機兩側，從而保證舵機恒溫。聚酰亞胺具有絕緣且耐高溫的特點，不會因舵機溫度過高而影響到舵機工作。相機溫控方面，采用主動和被動相結合的溫控方式，既內部黏貼溫控及溫控感光元件，亦用溫控腔體包裹相加，內部黏貼保溫材料。

3 光電吊艙數據實時處理系統研究

光電吊艙數據實時處理系統研究主要針對高寒型無人機航空應急測繪系統內航空視頻數據進行處理分析，實現實時顯示與存儲雙光吊艙視頻，并對視頻提取的關鍵幀影像數據進行拼接，糾正和配準等操作，實現航空視頻數據與其他應急數據的聯動。

雙光吊艙具有系統加電自檢功能，并上報自檢結果；可接收外部角度設置指令，將視軸角度鎖定；能按照預定的路徑，自動掃描由操作員指定的區域；能人工操作轉臺運動，手動搜索、鎖定目標并對目標進行自動跟蹤；適配升降機構，可自動收放；可實現搭載光電設備的自動對焦、自動調光、電子變倍、預置位變倍、視場切換功能；能適應無人機飛行特性，清晰、穩定、實時地獲取可見及紅外圖像；具有視軸穩定功能；具有角度輸出功能；具有目標地理坐標引導功能；具有狀態參數、標識框顯隱功能；具有存儲、輸出視頻圖像和照片功能；接收飛控指令對光電載荷進行通斷電功能；能通過通訊接口將分系統的狀態信息對外輸出；能通過通訊接口接收系統外設備發出的指令信息。雙光吊艙穩定平臺系統采用兩軸兩框架結構，實現方位軸和俯仰軸穩定，保證光學載荷在慣性空間穩定，從而獲取清晰的圖像。系統主要由載荷艙、U型架和電子艙組成。其中可見光相機和紅外熱像儀安裝于平臺載荷艙內。

光電吊艙視頻數據處理模塊可對航空視頻數據進行處理分析，實時顯示與存儲視頻，并對視頻提取的關鍵幀影像數據進行拼接，糾正和配準等操作，實現航空視頻數據與其他應急數據的聯動。

光電吊艙視頻數據處理模塊的主要技術指標為：在接收到光電吊艙獲取的視頻數據后，抽取500張關鍵幀影像并進行快速拼接的總時長不超過1h，拼接后的影像數據平面精度優于50m。

視頻數據處理模塊提供快速(全自動)處理和常規處理2種業務模式，既支持全自動模式下的關鍵幀提取、連接點匹配、拼接裁切，快速生成無POS應急模式下的快拼影像成果；又支持輔以精細化交互編輯與質量檢查工序的常規處理模式，生產滿足相應規范要求的關鍵幀糾正拼接影像成果與視頻成果。

4 輕型大面陣航攝數據處理系統

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

圖4 輕型大面陣航攝系統工作原理圖

光學面陣傳感器是輕型大面陣航攝系統的核心部分，主要包括相機、圖像存儲器、相機集成部件；相機包含Phase One IXU-RS1000機身和焦距為50mm的鏡頭；相機集成部件包含相機控制器、相機電源、相機溫控器以及溫控組件等。

光學面陣影像處理模塊支持市面上主流無人機及大飛機獲取光學影像，提供無人機航飛質量檢查功能，具備原始數據、平差成果、DEM和DOM成果的質檢能力。系統針對不同的數據源，提供具有高精度、高效的多種匹配算法和聯合平差算法，實現對光學面陣影像的連接點自動匹配和區域網平差解算，產品精度可滿足國家標準規范需求，保障DEM/DOM生產精度要求。

高寒型無人機航空攝影生產在實際作業中一般有3種業務模式，具體如下。

(1)實時快拼模式是指應急災害現場，在飛行過程中通過通訊鏈路即時回傳數據，地面工作站根據接收到的數據進行實時空三處理及實時鑲嵌。每下行一張數據，則測區重新構網并渲染鑲嵌效果。

(2)快速處理生產模式是在分析整理所獲取的無人機數據特點的基礎上，結合項目生產目的和成果要求，以原始影像為輸入數據，經過自動化的空三加密、DEM生產、正射糾正、勻光勻色和影像鑲嵌等一系列的處理過程生成自動化DOM生產成果

(3)常規處理生產模式在分析整理所獲取的無人機數據特點的基礎上，結合實驗目的和成果要求，充分發揮光學面陣影像處理模塊技術優勢，實現DOM生產等業務的高自動化快速處理，同時輔以便捷的交互操作，提供完備的質檢及編輯工具，保證成果的正確性和可靠性。

5 結語

依托國家應急測繪保障能力建設項目，本文設計的高寒型無人機航空應急測繪系統在遼寧單項工程中完成建設，并在常規的應急演練中得到成功應用。該系統在災害頻發區的現場高清航空視頻影像及航空遙感圖像獲取“第一時間”從原來的24h縮短至6h以內，可為應對突發事件現場全天時、全地形航空遙感影像獲取提供無死角數據支撐，對高緯度、高海拔地區建立全天候、全地域、快速反應的應急測繪系統具有借鑒意義。該系統如何與原有短航時固定翼無人機系統進行整合，如何與省應急數據交換中心及省資源共享節點，有待進一步研究。