王慧慧，孫智軍，帕麗旦·艾尼，趙永振，多斯波力·哈力木別克，鄧淋之

(1.新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪大隊，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆寶地測繪有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

北塔山牧場的邊境地區(qū)地理環(huán)境復雜多樣，或峰巒起伏、林地茂密，或冰山雪峰，人跡罕至，邊境管控異常復雜。邊防應急情況復雜多變，傳統(tǒng)的依靠普通二維地圖或人工現(xiàn)場熟悉地理環(huán)境的指揮調(diào)度方式已經(jīng)不能滿足當前需求。為此，本文以實現(xiàn)北塔山牧場智能化管理為目的，運用WebGIS[1]技術和三維平臺SuperMap，研究實景三維模型、無人機在邊境管控中的應用，詳細介紹平臺框架的設計，具體闡述無人機視頻實時傳輸、實景三維建模技術、單體化技術、海量空間數(shù)據(jù)管理技術[2]等關鍵技術以及系統(tǒng)的主要功能。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)框架設計

北塔山邊境管控作戰(zhàn)指揮平臺基于面向服務的SOA設計思想，實現(xiàn)手持終端、指揮中心和服務器之間的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)框架設計使用3層框架，分別為應用層、服務層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

圖1 邊境管控指揮平臺的系統(tǒng)框架

數(shù)據(jù)層包括地形數(shù)據(jù)、實景三維數(shù)據(jù)以及屬性數(shù)據(jù)。實景三維數(shù)據(jù)包括場部、連隊的實景三維模型以及修過的精模，地形數(shù)據(jù)包括北塔山牧場的DEM、DOM數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)包括巡邊員、執(zhí)勤房、無人機、監(jiān)控位置、任務等的相關屬性數(shù)據(jù)。

服務層由以下幾部分組成：將地理空間數(shù)據(jù)發(fā)布成對外的服務、移動網(wǎng)絡、GPS、WebSocket、Rtmp+nginx[3]等，使用SuperMap IServe[4]將包含地形、實景三維模型的三維數(shù)據(jù)發(fā)布成Rest服務，供客戶端使用；利用WebSocke技術，搭建手持終端與指揮中心實時通信的服務；運用Rtmp+nginx，搭建無人機實時視頻推流服務；GPS的實時定位數(shù)據(jù)加密后通過移動網(wǎng)絡進行傳輸。

應用層包括Android手持終端和PC端指揮中心。

1.2 技術路線

由于三維GIS平臺SuperMap支持傾斜影像、地形等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，因此本項目使用SuperMap相關軟件進行數(shù)據(jù)處理，為系統(tǒng)研發(fā)提供數(shù)據(jù)支持；手持終端基于Android系統(tǒng)，研究三維場景加載、GPS實時定位、人臉識別考勤打卡、基于Websocket服務與指揮中心通訊的在線通訊(包含圖片、文字)以及大疆無人機Demo接入等相關技術；PC端指揮中心主要使用Google Chrome瀏覽器訪問，基于Cesium進行三維GIS的開發(fā)，與巡邊員實時通訊基于搭建的Websocket實時通訊服務，無人機實時視頻傳輸基于搭建的Rtmp+nginx推流服務器。最終實現(xiàn)三維場景下邊境管控無人機實時視頻傳輸、手持終端與指揮中心實時通訊，建設高效、統(tǒng)一的巡邊調(diào)度系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體技術路線如圖2所示。

圖2 邊境管控指揮平臺系統(tǒng)技術架構(gòu)

1.3 功能設計

系統(tǒng)功能設計如下：

1)北塔山邊境管控地理信息作戰(zhàn)指揮平臺：實現(xiàn)二三維場景瀏覽、給巡邊員制定巡檢任務、實時監(jiān)控巡邊員、查詢巡邊員軌跡、與巡邊員實時通訊、北塔山實時監(jiān)控調(diào)度、無人機實時視頻傳輸、一鍵報警處理、大屏統(tǒng)計以及巡檢報表導出等功能。

2)手持終端：實現(xiàn)三維場景瀏覽、人臉識別考勤打卡、GPS實時定位、與指揮中心通訊、不在巡檢范圍內(nèi)報警、以文字和圖片進行邊情上報、一鍵報警等功能。

3)數(shù)據(jù)服務：實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)服務、手持終端與指揮中心實時通訊服務、無人機實時視頻傳輸服務等功能。

2 關鍵技術

2.1 實景三維建模技術

實景三維建模技術利用搭載傾斜相機的無人機對真實場景拍攝，然后利用建模軟件ContextCapture自動建模，最終生成三維場景。該方法具有能夠?qū)碗s的實體進行快速建模，但是對于有棱角、復雜的建筑物拉花的情況，本系統(tǒng)使用DP軟件進行修模，對自動建模成果按照要求對樹、房屋、路等進行修模，建成逼真的實景三維場景[5]。

2.2 單體化技術

對比切割單體化、動態(tài)單體化和矢量疊加單體化方法后，本文使用矢量疊加單體化對模型進行單體化的方法。此方法操作便捷，無需過多的人工干預，不會對Mesh面造成破壞進而對模型的渲染快慢造成影響，也不會對數(shù)據(jù)原始造成毀壞，并且能夠使原始數(shù)據(jù)保持完整[6]。

2.3 無人機實時視頻傳輸技術

手持終端搭載大疆無人機Demo，將無人機視頻流通過蜂窩移動網(wǎng)絡和無線WIFI推送給Rtmp+nginx流媒體服務器，Web端根據(jù)流媒體服務器地址從nginx拉取數(shù)據(jù)，展示實時視頻數(shù)據(jù)[7-8]。

2.4 海量空間數(shù)據(jù)管理技術

項目采用SDX+MySQL大型空間數(shù)據(jù)庫引擎[9-10]來管理與空間信息有關的數(shù)據(jù)。解決項目數(shù)據(jù)量大、矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)一體化存儲的問題。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能有：

1)任務制定：指揮中心實現(xiàn)每個執(zhí)勤房日常任務(步巡、車巡、看監(jiān)控)、緊急任務、演練任務的制定。

2)越界報警：執(zhí)勤人員在執(zhí)行任務時，超出執(zhí)勤范圍，手持終端越界報警，指揮中心實時監(jiān)控。

3)一鍵報警：執(zhí)勤人員發(fā)現(xiàn)特殊情況時，點擊一鍵報警，指揮中心進行緩沖區(qū)分析，查詢最近的資源進行調(diào)配。

4)巡檢軌跡：指揮中心可按時間段查詢?nèi)藛T、車輛、無人機軌跡(見圖3)。

圖3 軌跡查詢

5)邊情上報：指揮中心和手持終端可進行實時通訊，指揮中心可給手持終端的巡邊員發(fā)送緊急任務，手持終端可通過文本、圖片的形式將發(fā)現(xiàn)的問題及時發(fā)送給指揮中心，如圖4所示。

圖4 邊情上報

6)無人機實時圖傳：手持終端通過蜂窩移動和WiFi信號將無人機實時視頻流推給Rtmp流服務器，在指揮中心展示視頻流，如圖5所示。

圖5 無人機圖傳

4 結(jié)束語

本文以北塔山牧場為試點，探索“三維GIS+無人機”在邊境管控中的應用，以 B/S 方式構(gòu)建北塔山邊境管控地理信息作戰(zhàn)指揮中心，基于GPS定位、人臉識別技術研發(fā)邊境管控Android 手持終端，并詳細闡述了系統(tǒng)框架設計、技術路線和關鍵技術，實現(xiàn)了無人機實時視頻傳輸、軌跡查詢、任務制定、邊情上報、實時通訊等功能，提高了北塔山牧場運用信息化、智能化手段管控邊境的能力。