大中型无人机应急监测关键技术研究

郭忠诚，吉彩妮，宁娟

中航贵州飞机有限责任公司

我国自然灾害频发，灾害每年造成巨大损失。为提高救援效率，及时减少损失，大中型无人机凭借实时性好、监测能力强、机动性强等优点，可在应急监测中发挥重要作用，具有广阔发展空间和应用前景。本文提出大中型无人机应急监测关键技术，并对其进行简要分析和研究，为大中型无人机在应急监测领域的使用提供借鉴。

地震、洪水、山体滑坡、泥石流、森林火灾等自然灾害频发，尤其是重大自然灾害突发，往往造成严重损失，受灾地区通信设施遭到破坏，从而造成信息封闭。因此，灾害发生时及发生后，如何及时获取灾害信息，如何恢复信息传输成为急需解决的问题。

由于受气候条件和成本等因素制约，传统卫星遥感和有人驾驶飞机只能满足部分空间数据信息需求，而大中型无人机系统在应急救援中能发挥一些独特优势，它可在复杂地形、复杂天气条件下飞行，全天时全天候作业，可以在高污染、高辐射、高风险等特殊领域执行任务。同时，大中型无人机在应急救援行动中能有效利用国内现有航空保障服务体系进行跨区域飞行，而且航速快，续航时间长，飞行高度高，能同时搭载多种应急救援传感器获取灾情数据，可在空中实现无人机、卫星、地面之间的实时传输，将灾区信息实时传输至应急指挥机构，形成远距离、全天时、全天候、多类型突发事件现场信息快速获取与处理能力，为第一时间提供重特大突发事件现场信息提供保障。因此，低成本、多用途大中型无人机系统应急救援技术研究具有重要意义。

大中型无人机应急监测能力分析

大中型无人机系统应满足国家和政府应急需求，全年度每天24h处于备用状态，在接到调用命令且天气和空域条件允许飞行情况下，立即飞往灾害现场。

满足航空运行体系要求

无人机必须经国家有关空管部门批准，允许在民用航线飞行，办理国内航空设施与空域使用流程，如同有人驾驶飞机空域使用申报流程，应有效利用国内已建成的航空保障服务体系，包括机场、导航台、航空气象、空管平台等设施，实现规范快捷运行。因此无人机平台选型设计应考虑以下方面。

应急监测能力强

大中型无人机续航时间应大于10h，且巡航速度快，飞行高度高，能全天候全天时作业。一个航空应急基地一般覆盖2 ～3个省，当其设施出现故障或应急监测能力不足时，相邻基地的无人机系统可以立即飞往灾区提供支持，其运行能力超过一般有人驾驶飞机和小型无人机。大中型无人机可同时搭载多种监测传感器有效应对各种灾害，快速报告大面积灾情及灾区土石方测量值等，在空中实现无人机、卫星、地面之间的实时传输，直接将信息传输到中央和政府指挥机构。无人机多种传感器共用一套定位定姿系统（POS），使多种数据快速融合、相互支持，快速提供灾情一览图，第一时间报告现场灾情险情，支持上级决策指挥。

作业安全性高

无人机开展应急作业时，空中飞行受地形和气流影响较大。为保证无人机安全作业，无人机必须有上千小时的安全飞行记录，全系统可靠性和快速响应能力应满足更高设计要求。为保证恶劣天气条件下正常飞行，无人机飞行控制及关键系统应采用多余度设计，保证安全可靠。无人机应具备程控、遥控等飞行模式，可随时修改任务航线；具备自动起降、自动复飞、一键自动返航、严重故障自动待机并返航着陆等功能。

大中型无人机应急监测关键技术

多传感器集成和综合管理技术

一般自然灾害发生后常伴有恶劣天气条件，为全天时全天候掌握灾区信息并实时传输数据，无人机系统必须采用测绘相机、CCD摄像机、红外热成像仪、合成孔径雷达（SAR）、激光雷达（Lidar）、应急通信中继设备等多种应急救援设备，因此多传感器集成设计和综合管理技术极为关键，无人机平台不仅能实现多传感器之间快速换装，而且无需更换平台机载设备的任何模块和软件，实现多传感器统一管理，大幅节省因换装不同传感器的时间，节约成本并降低技术风险，系统集成设计流程见图2所示。

图2 大中型无人机应急监测典型流程图。

低空作业成像技术

光学相机，激光雷达等大多数传感器的收容面积与飞行高度有直接关系，在保证旁向重叠度满足应急监测要求的前提下，收容面积直接影响作业航线规划的复杂程度及作业效率。低空飞行作业能保证高分辨率影像，设计宽视场即扫描场在一定程度上对收容面积有所补偿。因此，任务传感器在获取高清晰度、高分辨率影像前提下，还要具有足够大的空间视场或扫描场。

在薄云雾或阴暗天气条件下，无人机需低空、低速应急飞行，采用较长曝光时间获取高分辨率、高清晰度影像，而不会因为没有像移补偿造成影像清晰度下降；但低空飞行视距通信容易被遮挡，影响了应急监测区域的大小；再者，低空飞行减小了像幅收容面积，从而影响监测作业效率。因此，低空作业时关键要平衡高分辨率、高清晰度与低空、低速之间的关系。

在典型200m高度（相对高度）下飞行，为获取高分辨率、高清晰度影像，可采用较大视场的组合宽角成像系统，如视场角为87°×97°，在200m高度（相对高度），收容面积可达380m×450m，影像分辨率为5cm；三维激光成像系统扫描视场为0 ～90°，侧向扫描宽度可达400m，空间分辨率为2 ～5cm。当低空视距通信被遮挡时，需采用可靠的超视距通信链路实时传输数据。

稳定可靠的超视距通信技术

大中型无人机应急作业常处于低空、超视距飞行状态，因此要重点解决无人机与地面控制站之间的通信问题，采用数传电台、卫星、移动网络等接收和放大信号，实现信号之间相互传输，在相关领域的应用已较为广泛且成熟。

卫星通信中继传输距离远，不受地面控制站和无人机之间的遮挡物干扰，能够远程和跨越障碍物建立通信链路，但卫星信号时延较长，使用费用较高，且地面站架设需选择开阔场地、地面卫星信号接收稳定的区域；

数传电台通信传输频率高、数据传输量大，但该方式受起降场地限制较大，当起降场地狭窄、地面不平整或只可单向起降时，在起降过程中无人机易受场地或风向影响，发生损坏或坠机，若连续起降作业，起降风险会相应增加；

图4 无人机应急监测影像数据处理流程图。

移动网络通信中继适用在无线网络覆盖区域使用，可远程和跨越障碍物建立通信链路，但受限于网络信号强度，在无网络覆盖区域无法使用，由于无线网络信号覆盖主要针对地面，在空中信号强度衰减较大，当地面基站信号强度不够时，空中信号较弱，网络通信不稳定，不推荐采用该通信模式。

大中型无人机普遍采用基于同步通信卫星的空中中继平台，构成卫星数据链，转发无人机的遥控指令和遥测信息，并充分利用卫星波束的有效覆盖范围，实现无人机超视距应急监测。另外，可利用铱星等作为同步通信卫星的备选方案，设计铱星自动拨号硬件模块，解决铱星通信过程中链路易掉线、通信不稳定、不连贯问题，实现铱星链路联通或链路中断后自动拨号，保障铱星通信链路稳定、连贯。

高精度三维测绘和处理技术

三维测绘技术是指以激光为主动探测源，通过接收目标对激光信号的反射及散射回波，测量目标位置、距离及目标表面特性，从而得到多层次、高精度目标三维测量信息。采用激光进行主动式、非接触测量，具有单色性好、方向性强、能量高、光束窄等特点，可以实现高精度测角精度与测角分辨率。

三维处理技术即扫描数据的预处理技术，是将机载三维激光成像系统所获取的原始扫描数据，经过解码分类、数据检查、灰度映射、坐标转换及坐标解算，实时快速地获取各种格式如LAS，xyzi等标准格式的含有世界标准时间（UTC）时间、坐标信息、回波层次信息和反射强度信息的点云数据文件，在后续处理中还可将点云数据文件与其它影像数据进行融合，重点应用于土石方测量、堰塞湖估测等灾害监测。

影像快速处理技术

针对不同时期、不同应急决策指挥部门对应急数据的需求，建立多种应急监测图像快速处理能力，可分三个阶段提供不同形式的产品与服务。

第一阶段，在无人机影像获取后，2h内完成数据处理，并在半小时内将应急监测产品传输到后方应急指挥中心；

第二阶段，应急监测产品需提供应急地区1∶50000精度的正射影像图、大场景立体模型和DEM等数据；

第三阶段，应急监测产品能提供应急灾区1∶10000精度以上的正射影像图、大场景立体模型和DEM等数据。

（1）无人机应急监测影像快拼技术

无人机应急救援应满足现场实时监测与决策的需求，可利用高清摄像机实时传输视频，对回传至地面的视频影像进行实时拼接，为地面应急指挥中心提供现场决策，对应急监测具有重要意义。

单张影像由于幅宽有限，不能覆盖整个测区，因此，影像拼接是无人机影像处理必须采用的技术。应急作业期间，常有航摄时间紧、无人机影像倾角过大且无规律、航向重叠度小、影像像幅小且数量多、飞行航线呈曲线、影像的旁向重叠度不规则等问题，且无人机搭载的相机多为非量测型相机，成像质量差，存在影像不规则、畸变和明显的辐射信息差异等问题，数据处理流程不同于常规影像生产技术流程。为满足应急监测的效率需求，应设计应急无人机影像快速处理流程见图3，保障应急影像处理效率与质量。

图3 无人机平台与多传感器集成设计示意图。

应急数据处理流程主要包括影像数据质量检查、自动空三、DEM 生成、单片纠正以及镶嵌匀色等工序。针对应急无人机测绘特点，应急无人机数据检查应侧重于影像与曝光点是否对应、影像重叠度大小、旋偏角大小及是否有云覆盖等方面。有时无人机影像存在与曝光点不一致情况，需完成每一块测绘航线带曝光点与影像匹配情况检查，确保不影响后续空三计算。同时，为满足应急数据快速处理需求，检查影像重叠度，去除多余影像，适当完成影像抽稀，保障空三计算速率；其次，快速完成影像旋偏角大小及云覆盖检查，分析后期空三解算参数设置。空三解算应根据不同影像特点完成参数设置，例如，山区等纹理特征不明显地区，可降低匹配精度，增加匹配点数量，同时城市地区可提高影像匹配精度，减少匹配点数量，提高处理效率。

（2）应急专题影像图制作技术

专题影像图主要为决策部门提供决策参考，是目前应急数据的主要提供形式。专题影像图包括两种形式，一是应急影像图；另一种是解译专题影像图。两种专题影像图提供的时效性不同，应急影像图以快速提供为宗旨，以地名标注为主，第一时间直观反映灾区地形地貌，不仅是应急前期主要数据资料，也是救援决策指挥的重要数据支撑，供专业人士解译、分析；解译专题图通过图中各种符号、颜色等图形要素表示，揭示制图区的各要素及其相互间关系。应急无人机解译专题图结合无人机影像，完成土地流失、道路桥梁损毁、城乡房屋损毁、江河堵塞等信息识别，主要用于抢险救援、灾损评估、灾后重建及灾害防治等工作。

（3）多种影像数据融合技术

将多任务传感器获取的影像数据进行融合，得到更为丰富的目标信息。如可见光影像与红外热成像的融合、合成孔径雷达影像与光学影像融合、光学影像与三维激光成像融合等。例如光学成像与三维激光成像系统，在激光扫描过程中可同时获取高精度及高清晰度数码影像，在数据后处理过程中与激光点云数据融合，得到真实色彩的三维空间点云数据，而且经处理后可得到相应的正射影像数据，为救援决策提供重要支撑。

防撞组合设计技术

（1）无人机空管应答体系建立

通过加装S模式空管应答机，使应急无人机具有空管应答功能，与各航区塔台及航管部门建立可视化联系，在飞行作业时使用地面询问机或民用航管二次雷达，掌握无人机飞行情况如飞行高度、位置、航向、巡航速度等信息，纳入空中交通管制系统。

（2）无人机防撞体系建立

无人机系统需对本机周围的它机进行探测、感知，并对地面和空中发出预警信号，通过空中交通管制系统与它机进行联系，双方进行飞行策略协商，根据协商结果，无人机自动生成防撞路线，实现自动规避。

（3）无人机语音通信系统建立

语音通信系统分为两种，一种是独立语音系统，其作用距离比较近；另一种是语音数据与无人机链路相结合的语音通信系统，采用数码语言，结合视距或卫星通信链路，使作用距离更远，范围更广，实现无人机系统全程语音监控。

（4）自动规避民航航线

民航空中航线按高度进行分层，航线固定，无人机飞行高度规划应严格按照民航规定的飞行航线高度分层，避开民航航线。无人机在接近民航航线层时，能够自动识别，在未取得空管许可下，能够自动返航；在取得穿越航区许可后，应根据防撞体系实际情况，穿越没有飞机的航线区域；建立民航实时发布的最新航线数据库，供无人机识别和规避有人机；无人机在通信链路中断时能实现自动规避。

决策指挥部门利用大中型无人机应急监测信息，及时采取救援措施，将灾害损失降至最小。对无人机应急监测关键技术进行深入研究，将拓展大中型无人机在该领域的应用。■