曹偉偉

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 唐山 063299）

0 引言

人工智能的高速發(fā)展令無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛，成為輔助獲取工程現(xiàn)場(chǎng)信息的重要手段，為人們了解現(xiàn)場(chǎng)地形，提高施工措施準(zhǔn)確率提供數(shù)據(jù)參考［1］。目前，無人機(jī)在工程現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用多是通過一次性飛行來獲取大量影像數(shù)據(jù)，然后返回基地進(jìn)行后續(xù)信息處理，無法做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，這也是傳統(tǒng)空中三角測(cè)量方法的弊端［2］。另外，搭載了視頻傳感器的無人機(jī)所獲取到的視頻影像通常會(huì)以視頻流的形式進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示，沒有地理信息，雖然可以幫助人們了解現(xiàn)場(chǎng)但無法作為分析和量算的參考［3－4］。因此只有讓獲取到的現(xiàn)場(chǎng)信息配合地理位置信息同時(shí)出現(xiàn)，才能更好地提升應(yīng)急處理的效果。本文構(gòu)建出一套測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)系統(tǒng)，希望能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)可視化分析、現(xiàn)場(chǎng)三維情境構(gòu)建、在線實(shí)時(shí)檢測(cè)、人員與設(shè)備實(shí)時(shí)在線監(jiān)管、全流程應(yīng)急處理和一體化智能服務(wù)功能。

1 測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)體系架構(gòu)

在進(jìn)行測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)體系架構(gòu)的設(shè)定時(shí)，首先需要遵循現(xiàn)場(chǎng)中測(cè)繪地理信息的服務(wù)需求，并且要將實(shí)際應(yīng)用環(huán)境充分考慮在內(nèi)。具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)體系架構(gòu)

（1）構(gòu)建獲取并傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)。借助測(cè)繪無人機(jī)集成平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)獲取數(shù)據(jù)完整信息的傳輸。數(shù)據(jù)傳輸鏈路、數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)以及軟硬件之間的時(shí)空基準(zhǔn)等問題，都可在這個(gè)集中平臺(tái)上得到解決。

（2）集成管理現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的多源數(shù)據(jù)，如圖2 所示。搭載著光學(xué)傳感器的無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為了快速提取到視頻上有價(jià)值的信息，需要首先解決地理信息系統(tǒng)和地理編碼視頻流影像平臺(tái)的深度融合、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）與視頻流的時(shí)空同步合成碼等核心問題。當(dāng)下熱度比較高的北斗短報(bào)文，可以不借助運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)短信的發(fā)送，定位功能更加強(qiáng)大，也更適用于智能服務(wù)體系的需求。當(dāng)無人機(jī)與“北斗”結(jié)合在一起，多源數(shù)據(jù)的集成管理便可以順利實(shí)現(xiàn)。

圖2 測(cè)繪無人機(jī)多源數(shù)據(jù)集成管理

（3）應(yīng)急智能服務(wù)系統(tǒng)，如圖3 所示。實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的應(yīng)急智能服務(wù)，搭建集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析、評(píng)估平臺(tái)，多源數(shù)據(jù)接入服務(wù)和三維場(chǎng)景構(gòu)建服務(wù)為一體的系統(tǒng)，并兼?zhèn)淙藛T測(cè)繪和重點(diǎn)定位監(jiān)督管理等功能。

圖3 測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)系統(tǒng)

（4）設(shè)立應(yīng)用示范窗口。測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)系統(tǒng)主要服務(wù)于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因?yàn)楸仨毻ㄟ^相關(guān)技術(shù)規(guī)程進(jìn)行示范方案的設(shè)計(jì)，以滿足提前了解工程活動(dòng)時(shí)環(huán)境概況的目的。

2 測(cè)繪無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取與傳輸

信息平臺(tái)集成處理獲取數(shù)據(jù)的能力在整個(gè)測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)系統(tǒng)中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。平臺(tái)功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于對(duì)多源遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)、多無人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)多傳感器技術(shù)等的集成，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸鏈路、數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)、各個(gè)組件部件、各個(gè)系統(tǒng)和子系統(tǒng)、各個(gè)功能模塊間的時(shí)空基準(zhǔn)等環(huán)節(jié)的集成度越高，整個(gè)平臺(tái)能夠發(fā)揮出來的能效就越大［5］。

2.1 測(cè)繪無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)

選擇抗風(fēng)強(qiáng)、耐磨損的高強(qiáng)度復(fù)合材料制造無人機(jī)，可滿足最高海拔為4 200 m 的作業(yè)需求，應(yīng)對(duì)比較惡劣的工作環(huán)境；高精度機(jī)械增穩(wěn)系列吊艙系統(tǒng)配合三冗余度北極星系列自駕儀，展現(xiàn)出來的超強(qiáng)穩(wěn)定性使其具有巡航抗7 級(jí)風(fēng)，起降抗6 級(jí)風(fēng)的能力；其測(cè)繪板最長(zhǎng)續(xù)航120 min，作業(yè)最長(zhǎng)續(xù)航為90 min；采用具有30 倍光學(xué)變焦能力、1080P 高清的攝像機(jī)，兼?zhèn)淇梢姽庑?，能夠?qū)δ繕?biāo)開展穩(wěn)定跟蹤，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)自助拍照和圖像錄制。

2.2 測(cè)繪無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸鏈路

平臺(tái)傳輸鏈接與接口如圖4 所示。

圖4 平臺(tái)傳輸鏈接與接口

（1）組成光電吊艙的硬件設(shè)備包括減震器、機(jī)載鏈路系統(tǒng)、SD/TF 卡存儲(chǔ)系統(tǒng)和無人機(jī)控制系統(tǒng)等，因減震器直接決定著獲取視頻質(zhì)量的高低，所以顯得尤為重要；加裝北斗模塊，用來實(shí)時(shí)檢測(cè)人員與無人機(jī)所在位置；飛機(jī)控制系統(tǒng)則主要負(fù)責(zé)對(duì)光電吊艙進(jìn)行跟蹤。

（2）視頻數(shù)據(jù)流有兩條輸出通路，一條由機(jī)載鏈路系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)傳輸，一條借助SD/TF 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。利用飛控POS 作為地理信息數(shù)據(jù)，并由鏈路負(fù)責(zé)傳輸?！半p鏈路接收，單鏈路傳輸”的模式，能夠保證地理信息數(shù)據(jù)與視頻流數(shù)據(jù)的時(shí)間同步性。地理信息數(shù)據(jù)的輸入輸出接口皆為串口，視頻傳感器的輸入接口是USB3.0 和高清多媒體接口（high definition multimedia interface， HDMI），輸出端口是軟件定義基礎(chǔ)設(shè)施與HDMI，視頻流數(shù)據(jù)主要是由地理信息數(shù)據(jù)來處理的。

（3）飛控相關(guān)參數(shù)主要由北斗機(jī)載模塊負(fù)責(zé)接收和打包，再以短報(bào)形式借助衛(wèi)星鏈路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置信息的傳輸。測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)系統(tǒng)與地面北斗指揮機(jī)間的數(shù)據(jù)傳送主要以串口形式完成。

（4）遙控遙測(cè)數(shù)據(jù)被地面鏈路系統(tǒng)接收后再被轉(zhuǎn)傳輸給地面站，數(shù)據(jù)仍以串口形式傳輸，此時(shí)無人機(jī)/吊艙控制正式完成。

（5）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程指揮中心間的數(shù)據(jù)傳輸主要由地面站借助4G 或5G 通訊鏈路來實(shí)現(xiàn)。

3 測(cè)繪無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)多源數(shù)據(jù)集成管理

在實(shí)際應(yīng)用測(cè)繪無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)過程中，為了更好地集成管理數(shù)據(jù)、接口與實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)，有三方面的技術(shù)問題需要被重視和解決。

3.1 視頻關(guān)鍵幀提取與地理編碼

在攝影測(cè)量中需要獲得物方坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到像空間坐標(biāo)系中的φ、ω、κ3 個(gè)旋轉(zhuǎn)角，而無人機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中負(fù)責(zé)獲取傳感器姿態(tài)角的是慣性測(cè)量單元（inertial measurement unit， IMU），得到的是IMU 本位坐標(biāo)在導(dǎo)航坐標(biāo)中的Φ、θ、ψ角，即側(cè)滾、俯仰和偏航角。φ、ω、κ是影像的3 個(gè)外方位元素，可用于地理位置的精準(zhǔn)定位。換言之，只有將姿態(tài)角轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的影像外方位元素，才能實(shí)現(xiàn)視頻關(guān)鍵幀對(duì)地的高精度定位，其轉(zhuǎn)換路徑為“像空間坐標(biāo)系—載體坐標(biāo)系—IMU 本體坐標(biāo)系—導(dǎo)航坐標(biāo)系—地心直角坐標(biāo)系—物方坐標(biāo)系”。其間容易發(fā)生相鄰關(guān)鍵幀錯(cuò)位現(xiàn)象，可通過尺度和旋轉(zhuǎn)不變性特征檢測(cè)、尺度不變特征變換和加速穩(wěn)健特征等影像匹配算法進(jìn)行糾正。想要實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的地理編碼，離不開多源傳感器數(shù)據(jù)快速時(shí)空地理編碼技術(shù)，且需要同時(shí)使用視頻流和GNSS 的時(shí)間同步機(jī)制。接口可通過制定視頻流時(shí)空標(biāo)識(shí)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，能夠用于支持系統(tǒng)的匹配與融合分析。

3.2 視頻關(guān)鍵幀與三維場(chǎng)景融合

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀視頻與現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景地理的融合，可融合表達(dá)現(xiàn)場(chǎng)與空間信息。融合過程如圖5 所示。每張影像都可通過自己的格網(wǎng)與地理場(chǎng)景進(jìn)行融合，保證了關(guān)鍵幀能夠深入融合到地理場(chǎng)景中。

3.3 無人機(jī)/人員實(shí)時(shí)定位

（1）本系統(tǒng)所植入的“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)具有不受地域和飛行高度限制且能夠做到在我國空域的無障礙全覆蓋?！氨倍贰惫δ軓?qiáng)大，可以授時(shí)、定位、短報(bào)文通信，因此更有利于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)/人員監(jiān)管的功能，詳見圖6。

圖6 實(shí)時(shí)定位

（2）構(gòu)建“機(jī)上/人員被動(dòng)機(jī)載模塊—北斗衛(wèi)星—地面北斗指揮機(jī)”式傳輸鏈，用于位置信息的傳遞，再通過串口模式與智能服務(wù)系統(tǒng)相連。

（3）編寫用于智能服務(wù)系統(tǒng)的專屬飛行諸元傳輸協(xié)議，用于啟動(dòng)北斗短報(bào)文鏈路，協(xié)議包含但不限于電文內(nèi)容、電文長(zhǎng)、發(fā)信時(shí)間、發(fā)信方和信息類。

（4）當(dāng)有救援任務(wù)需要無人機(jī)/人員執(zhí)行時(shí)，飛行諸元信息主要以北斗短文通信為載體，其具體工作原理如圖6 所示。出站信號(hào)的發(fā)起者為用戶指揮機(jī)端，串口負(fù)責(zé)信號(hào)的獲取和發(fā)送，并根據(jù)接收到的完整數(shù)據(jù)包的幀長(zhǎng)或幀頭幀尾信息進(jìn)行“幀頭＋數(shù)據(jù)＋校驗(yàn)＋幀尾”模式的解讀。其中，時(shí)間信息檢測(cè)是指令被用戶機(jī)接收后返回給“北斗時(shí)間”；IC 信息檢測(cè)是指令到達(dá)用戶機(jī)后，由用戶機(jī)發(fā)出IC 卡號(hào)；“起始符”到“校驗(yàn)和”前一字節(jié)是否存在異或則需要循環(huán)冗余校核（cyclic redundancy check， CRC）進(jìn)行檢驗(yàn)。

（5）無人機(jī)/人員位置的實(shí)時(shí)信息需要通過協(xié)議解析后方可展示在智能服務(wù)系統(tǒng)內(nèi)。

4 測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)系統(tǒng)

綜上所述，測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)系統(tǒng)的構(gòu)建是依托各種先進(jìn)系統(tǒng)和科學(xué)技術(shù)所得，其功能板塊包括現(xiàn)場(chǎng)分析可視化、現(xiàn)場(chǎng)三維場(chǎng)景構(gòu)建、人員或設(shè)備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)等。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)

多源現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的順利接入和管理，需要在統(tǒng)一時(shí)空體系下按照信息接入和加載規(guī)范對(duì)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)空粒度、工程數(shù)據(jù)類型進(jìn)行信息標(biāo)準(zhǔn)化處理來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，系統(tǒng)還要為其準(zhǔn)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和實(shí)時(shí)接收接口，這樣才能分層化處理現(xiàn)場(chǎng)信息，分塊組織大規(guī)模場(chǎng)景，可視化場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)演變過程，為用戶提供更真實(shí)并且詳盡的現(xiàn)場(chǎng)信息。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)提取與分析

該系統(tǒng)能夠根據(jù)關(guān)鍵幀提取算法快速獲取現(xiàn)場(chǎng)圖像?；诳臻g分布范圍和發(fā)生時(shí)間特征構(gòu)建空間維和時(shí)間維索引方法，保證空間位置與視頻關(guān)鍵幀影像能夠順利互聯(lián)、互操作，例如可在視頻流時(shí)間上進(jìn)行空間定位的查找，或在空間位置上進(jìn)行視頻流幀信息的定位查找。

4.3 實(shí)時(shí)定位

智能服務(wù)系統(tǒng)可以全面示范工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)情況，并且能隨時(shí)掌控?zé)o人機(jī)的狀態(tài)，精準(zhǔn)定位現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的位置，可為復(fù)雜的工程行動(dòng)提供決策分析輔助，為營救團(tuán)隊(duì)提供科學(xué)合理的調(diào)度方案和現(xiàn)場(chǎng)救援措施。這就是智能服務(wù)的優(yōu)勢(shì)所在。

5 結(jié)語

為了能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲取現(xiàn)場(chǎng)信息，制定應(yīng)急措施，本文研究了測(cè)繪無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框架，構(gòu)建出一套測(cè)繪無人機(jī)應(yīng)急智能服務(wù)體系架構(gòu)。將視頻攝像頭搭載在無人機(jī)上作為傳感器，借助視頻流傳輸技術(shù)和4G/5G 通信技術(shù)實(shí)時(shí)完成現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)的獲取，利用協(xié)議規(guī)范了數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一了軟件與硬件間的時(shí)空基準(zhǔn)，使得數(shù)據(jù)鏈路傳輸和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得以順利實(shí)現(xiàn)。合理引入北斗導(dǎo)航技術(shù)，完美解決了對(duì)位置信息的實(shí)時(shí)獲取問題，優(yōu)化了測(cè)繪無人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)多維數(shù)據(jù)集成管理與服務(wù)內(nèi)容。