基于系留无人机的应急测绘技术应用

胡鸣

（内蒙古自治区航空遥感测绘院，内蒙古自治区 呼和浩特 010010）

目前世界范围内的防灾减灾形势严峻，各类灾害对人类经济、社会发展的影响不断加剧。应急保障，测绘先行。应急测绘需要“既快又准”，但是传统的测绘装备与方法主要以“准”为目标，其对数据采集、存储、处理、显示的要求都比较高，数据处理周期较长，难以满足应急测绘的要求旧J。近几年来，测绘装备和技术的发展逐渐能够对突发灾害进行快速的响应，获得的测绘数据成果可以作为救灾减灾的重要参考依据。

一、系留无人机系统组成

系留无人机系统与普通多旋翼系统的区别在于飞行器平台系统和供电系统，飞行器平台系统作为空中设备的搭载平台，搭载任务载荷到目标区域上空用于通信中继或执行侦察等任务。与普通多旋翼不同，系留无人机长时间在空中悬停需要考虑恒风或突风的影响，在风场中悬停时，实际上相当于平台在向来风方向做平面飞行，因此系留无人机设计时需要综合考虑气动外形和动力设计。系留无人机与普通无人机最大的区别在于供电系统的不同，系留多旋翼悬停高度一般为100m 或200m，因此从地面到达平台供电需要经过一定的传输距离，为减少电能的消耗，一般采用高压供电方式，减小输送电流。系留无人机供电系统包括地面电源、地面升压模块、系留线缆及机载降压模块及机载应急电池等，地面电源可为地面电池组、发电机或市电，地面电源经地面升压模块转换至300～400V 高压，经系留线缆进行高压电能传输至机载降压模块，机载降压模块再将高压电降至一定低压为飞机和机载电子设备供电。系留线缆为复合光纤电缆，不仅用于传输动力电源还用于传输平台电子设备的光电信号。系留线缆一般由一根动力线、两根光纤及增强单元组成，增强单元为系留线缆的承力元件，一般由软质纤维绞制而成，可用于减缓外力冲击对内部线缆的影响。线缆要求具有轻的结构重量，以减轻平台升力，增加升空高度，提高使用效能。系留多旋翼通常配备有机载应急电池，用于防止地面供电系统出现问题时无人机可平稳降落。机载应急电池与地面供电系统并联设计，供电时可根据需求进行相互转换：1.当机载应急电池与地面供电系统都正常时，优先使用地面供电系统供电；2.当地面供电系统出现故障时，系统可迅速转换至机载应急电池供电；3.当地面供电系统恢复正常时，无人机系统又可快速切换回地面供电系统供电。而当地面供电系统超过2min 不能恢复时，无人机可依靠机载应急电池安全降落，为保证系留无人机系统安全，机载应急电池通常设计有足够的余量。

二、系留无人机特点

随着系留无人机设备和技术的快速发展与日益成熟，为满足防灾救灾的迫切需要，系留无人机开始逐渐涉及应急测绘领域。美国和以色列在系留无人机方面已经有了很成熟的技术。以色列航宇工业公司生产的系留无人机可以在15s 内升至50m 高度并悬停，有效载荷达到6k；美国CyPhy 公司研制的PARC 系留无人机可以在122m的高度悬停，有效载荷为1.8k，可以进行移动目标的跟踪；Drone Aviation 公司研制的Bolt 系留无人机可以在250m的高度悬停，并且能够实时传输高清视频和安全通信。应用领域方面，美国很早就用系留无人机进行建筑物垮塌现场的应急测绘；法国也开始使用系留无人机进行海洋石油泄露的应急测绘。系留无人机在应急测绘的应用，主要以获取高空间分辨率的数字影像和视频为目标，以系留无人机为平台，搭载高清相机，通过3S 及深度学习网络等技术对获取的原始数据进行处理，最终获得小区域、高精度、现势性强、大比例尺的数字高程模型和数字正射影像等测绘数据。1.与普通无人机相比，系留无人机具有长时间的滞空能力，采用系留线缆供电方式，可持续进行供电，减少了机载电池重量，保证了无人机全天24h的飞行能力。2.相比其他飞行器，系留多旋翼安全性高，无人机可固定悬停在某一监控区域，悬停高度不会超过200m，不会对其他飞行器造成飞行安全隐患，再者起降环境要求低，不需要专门的机场跑道，超低空应用无须空域申报或空域协调；同时无人机长时间的系留，不需要操作手进行频繁的操作，减少了操作失误带来的安全隐患。3.相比固定翼无人机，系留多旋翼具有稳定的悬停能力，这是无人机飞行具有的独特优势，系留多旋翼无人机通过惯性测量元件对三维角速度、三维加速度及三维速度的状态进行测量使无人机进行稳定的悬停。4.系留无人机具有良好的电磁兼容能力，多旋翼无人机飞行过程中电机、电调、机载降压模块、大电流线缆等都会产生电磁辐射，通过布线技术、滤波技术、接地技术、屏蔽技术等降低电磁辐射对通信系统的干扰。5.系留无人机具有超强的挂载能力，可挂载昼夜光电侦察设备、无线电侦察设备及通信中继设备等，可满足不同的使用环境需求。6.与直升机相比，系留无人机具有结构简单、升降操纵方便、体积小、重量轻、噪音小、可靠性高等优点。与直升机不同，系留无人机飞行原理简单，不需要复杂的零部件和机械结构，对零部件的磨损较小，安全性和可靠性得到提升。在国内，也有很多研究单位和企业在积极探索系留无人机相关设备的研发与生产。北京大工科技有限公司研制的大工科技系留无人机系统有效载荷可以达到15kg，可以检测故障并自动降落。除了系留无人机外，各类研究机构也开始研发系绳系统，比较有代表性的是法国EuSTAIR 公司研发的盘绳系统，目前国内的系留无人机主要应用在应急通信领域和无线电监测领域一。在应急测绘方面的应用尚属空白。系留无人机系统的不断完善将在未来的应急测绘领域展现更强大的能力，为提升我国的防灾减灾能力提供强有力的保障。

三、系留无人机的应急测绘技术应用

（一）系留无人机应急测绘应用的数据处理方法

系留无人机采集的数据类型有很多种，根据搭载的传感器的不同，可以获取不同类型的所需数据。可以搭载的传感器包括可见光高清相机、微波雷达、红外相机等。系留无人机的数据处理方法和普通无人机的数据处理方法一样，所以系留无人机的适用性更强，也更容易入门。近年来，国内外的无人机数据处理软件都在快速发展，这些软件基本上都实现了对无人机影像数据的自动化处理。本文通过系留无人机获取实验区域的视频，然后通过视频抽帧方法，获取一系列高重叠度的影像，然后将影像图片导入到软件进行后处理。软件处理数据的常见问题及处理方法包括：1.遇到一些复杂场景或者发生故障的路段时，根据地面控制点进行划分测区处理，再进行图像拼接，可以提高图像的处理效率和准确性；2.对于一些质量比较差的照片可以剔除，软件会自动调整测区中的相关参数，从而避免不必要的冗余；3.选择地面控制点时，尽量精确到点且均匀分布，不选择接近影像边缘的点。深度学习模型要通过大量的样本训练来提高识别的精度，在进行视频识别之前，需要对大量的样本进行标定。本文使用YOLOv3训练一个小型的特定类别的目标检测器。训练过程步骤为：1.准备数据集。对大概1000 张照片进行标注，分为训练集和测试集2 部分。2.准备Darknet。下载编译好Darknet，修改里面的代码使它适合于自己的数据集。3.下载预训练的模型。使用ImageNet 数据集上的预训练模型，这样可以使网络收敛得更快。4.指定训练所需文件的路径和参数的配置。5.训练YOLOv3。当损失函数下降到一定阈值后停止训练，保存模型。6.测试模型。调用测试模型。7.目标识别。通过高清多媒体接口将无人机相机拍摄的视频实时传输到地面控制端的电脑上，地面电脑通过框架对视频内的目标进行检测识别。

（二）系留无人机应急测绘的应用场景

系留无人机可以搭载高空间分辨率的相机，能达到专业测绘无人机的要求精度，且具有较长的滞空时间，更强的稳定性等特点，而且后期数据处理成本低、速度快，自动化程度高，能够承担受灾区域和危险区域的长时间、高精度的应急测绘，是目前甚至将来一段时间内，最有效、最经济的应对应急测绘难题的一种方法。在我国的南方地区很容易发生泥石流、滑坡等地质灾害，当这些地质灾害发生时很难对灾害进行精确的评估和认定。系留无人机可以快速地获取灾区的三维模型，并且进行定量的计算(例如计算塌方量、确定堰塞湖的大小等)。系留无人机能够为应急救援的决策者直观地展示灾害现场状况，并为灾害救援方案的制定提供数据支持。由于目前的灾害现场管理严格，非官方人员很难在第一时间获取灾害现场的航拍数据，航拍数据来模拟类似的地质灾害场景。地震等自然灾害发生时，往往会造成通信设备的瘫痪，给救援工作带来极大的不便，传统解决通信问题往往是搭建临时的通信基站，而受天线高度的影响服务范围有限，难以快速全面快速地展开救援工作。系留多旋翼无人机作为搭载平台搭载微型基站、集群微型基站及自组网平台等多种通信设备飞抵受灾区上空，作为通信中继提供应急通信服务。相比于传统临时通信基站，通过系留多旋翼无人机搭建的应急通信基站具有覆盖范围广、成本低、安全可靠等优点，可快速实现与灾区取得联系。

（三）社会公共安全场景

在这种大型的人群聚集区，需要系留无人机进行现场的安全保护、系留无人机以解决普通无人机滞空时间短、稳定性差的问题，可以在大型活动的全部时间段进行监测。无人机获取的数据通过通信端口传输到地面终端，通过深度学习网络，对现场人员位置和流动情况进行监测。当发生危险情况时，可以给地面的管理人员实时地提供人员分布和流动情况。工作人员根据无人机数据制定合理的救援方案，很好地疏导人员，减少伤亡。

（四）重大交通事故场景

随着我国汽车保有量逐年增加，交通事故的发生频率也在增多。当道路交通事故时，如果不能及时快速地得到处理，很容易发生交通拥堵，甚至发生二次事故。快速获取交通事故现场的情况就非常的重要。通过系留获取交通事故现场的实时视频信息，并可以通过深度学习网络，识别道路上的车辆类型和人员，有利于疏导交通和制定具体的救援方案，由于重大交通事故发生后非救援人员很难进人事故现场。

现阶段局部冲突、边境摩擦问题依然存在，安保与反恐问题越来越受到国家的重视，更多的国家将系留多旋翼无人机应用于军事侦察和要地监控。将携带不同载荷的系留无人机部署在边境地区或重点防范区域，可以对目标进行全天候、不间断的监控，防范恶性事件的发生，系留无人机同样可以作为武器的安装平台，当监控目标中发现敌对分子时对目标实施精确打击。

结束语：系留无人机系统的优势和系留无人机数据的处理方法以及在应急场景中的应用。2 系留无人机具有续航时间长、稳定性好、易操作等特点，是承担突发灾害现场大比例尺测图任务、三维建模、目标识别的较为经济有效的技术手段。系留无人机的测图和实时监测功能可以满足突发灾害现场提出的快速、精确、持续性的应急测绘任务，在应急测绘领域具有得天独厚的优势，在未来的智慧城市建设以及应急救灾中会提供更加有效的测绘支持。