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探讨黑龙江省应急测绘保障任务中长航时固定翼无人机的运用

2020-06-20 432 上传者：管理员

摘要：为健全黑龙江省应急测绘保障工作，发挥应急测绘在突发事件中的保障服务作用，减少自然灾害给人们带来的生命和财产威胁，我省不断加强应急测绘保障能力。无人机航空应急测绘系统作为一种新兴的技术手段，可以为各类公共突发事件提供基础地理信息数据和技术支撑，是政府指挥决策的依据和保障。长航时固定翼无人机可搭多种载荷，具有良好的气动设计，可满足长时间、高航速、远距离巡航的要求，并作为应对突发状况的一种应急处理技术手段。本文介绍了长航时固定翼无人机系统的组成结构、功能特点、操作流程和成果形式。通过对实际案例成果的分析，总结出一套优化长航时无人机航测的技术参数，为黑龙江省应急测绘保障工作提供参考。

关键词：
基础地理信息数据
应急测绘保障
无人机航测
测绘学
长航时固定翼无人机
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近年来，随着无人机航测技术的不断发展和完善，无人机在地质灾害应急测绘中得到越来越多的应用。2010年以来，黑龙江省测绘主管部门加大了对无人机航测技术的研究，尤其是在应急测绘方面。2016年12月，国家发改委对国家应急测绘保障能力建设项目进行批复，为黑龙江测绘地理信息局配备了彩虹-4型长航时固定翼无人机。

本文分析了应急测绘保障任务对无人机遥感的需求，针对长航时固定翼无人机的优势和特点，对应急测绘保障任务中的应用进行探讨，结合彩虹-4型无人机航摄实验测区实例，阐明了其在实际航摄任务中的应用情况，如精度、效率和时效性等。

1、概述

1.1无人机应急测绘任务的需求

当下应急测绘采用的无人机平台都是小型、短航时的无人机。此种航测技术效果不够理想，还存在很多问题亟待解决。

1)小型无人机搭载的航摄相机多采用非量测相机，此类相机属于非测绘专用相机且未经检定，相机的内方位元素无法获取精确值，对后期的数据快速处理及精度造成较大影响。

2)小型无人机飞行姿态不平稳。由于其质量轻，抗风能力差，容易受大风气流的影响。造成相片成果旋偏角、航线弯曲度较大，且对航高和飞行平稳度也有要求。因此，在设计航线时，需加大航向和旁向重叠，影响了作业效率，给后期质量检查和数据处理造成很大负担。

3)小型无人机效率低，受动力的限制，航摄时间被严重压缩，无法完成大面积受灾区域的航摄任务。

小型无人机重量轻，体型小，抗干扰能力差，飞行姿态易受气流等外界因素的影响，只能搭载小型传感器，无法进行夜航，拍摄时相机倾角过大、高程精度差等劣势，制约了应急测绘的发展。

1.2长航时固定翼无人机系统的特点

1)系统具有中空长航时的飞行能力，飞行姿态平稳，机动性、灵活性好，受天气的影响小，为飞行质量提供保障。

2)系统具有长航时的飞行任务能力，在空域允许的条件下，每架次可飞行6h以上，可面向大范围大区域航空测绘作业，缩短作业周期，提高作业效率。

3)系统具有搭载大载荷载重任务的能力，每次可搭载多类任务载荷，同步作业获取多源数据，形成全天侯、全天时的作业监测能力。

4)系统具有强大的通信能力，具有视距无线传输和卫通链路备份，可采用机场视距站和用户办公场所卫通地面站分布设计，将灾情现场信息实时回传至地面站，形成灾情现场动态变化远程监测监控的能力。

5)系统时效性强。突发状况是不可预测的，需要应急保障系统具有极强的时效性和极高的应急预案响应速度。系统能够提供时效性较强的影像数据，确保任务及时完成。

6)系统机动性强，便于远距离运输，具有较强的快速机动能力，可以保障应急装备快速到达指定地点。

长航时固定翼无人机应急测绘系统作业方式，如图1所示。

图1长航时固定翼无人机应急测绘系统作业方式

2、系统设计及技术路线

根据应急测绘项目需求，长航时固定翼无人机应急测绘系统由无人机飞行平台分系统、任务载荷分系统、综合保障分系统、指挥控制分系统及运输设备分系统组成(如图2所示)。通过视距及卫通数据链有机地将任务载荷、指挥中心连接形成一套应急测绘系统，采用视距和超视距链路无缝切换，构成“小视距大卫通”链路体系。地面指挥控制站分别完成多源数据的实时获取、远程控制与传输及快速处理，为重、特大突发事件提供现场信息保障和决策支撑。系统组成如下:

图2长航时固定翼无人机应急测绘系统组成

2.1无人机飞行平台分系统

系统由机身、机翼、尾翼、起落架、动力、导航、电器、空管、飞行控制系统组成。

2.2任务载荷分系统

包括航测相机、光电吊舱、轻小型SAR、定位定姿系统(POS)和集成座架，可搭载适宜载荷飞往突发事件或自然灾害应急现场。彩虹-4型无人机具有长航时及大载重的特点，可以同时搭载多种任务载荷(高清光学、航测相机、轻小型微型SAR、高清光电吊舱以及激光雷达)，完成全天候、全天时的应急测绘任务。

2.3综合保障分系统

包括航线设计、光学面阵影像、视频、微型SAR数据处理模块。

2.4指挥控制分系统

2.4.1视距机载数据终端

安装在无人机平台上，用于接收指挥控制站的指令及向指挥控制站发送遥测信息，主要由两部分组成:

1)L波段机载数据终端

包括全向天线、收发组合、图像压缩设备。

2)UHF波段机载数据终端

包括UHF全向天线和收发组合。

2.4.2超视距机载数据终端

安装在无人机平台上，通过卫星通信天线接收和发射信号，从而实现超远距离的双向通信，确保遥测及遥控数据、任务载荷数据的高速传输，主要由卫星通信天线、卫星功放、定制型卫星综合业务通信终端三部分组成。

2.5运输设备分系统

包括无人机平台运输的集装箱，提供设备拆装工具和储运固定装置，提供电磁屏蔽、抗冲击力、抗震动方舱等。

3、任务流程

长航时固定翼无人机具有大范围、大载重和集成多任务载荷(高清相机、微型SAR及高清光电、激光雷达)等特点，可协同作业获取多源、多类型的地理信息数据，通过视距和超视距卫星通信线路无缝切换，实时传输高清影像及视频至地面指控站，并与由三维平台数字地球构建的灾情实时数据服务系统，形成应急救灾监测技术体系，为突发事件应急处理及应急救灾决策提供高效的地理信息数据服务保障。基于彩虹-4型长航时固定翼无人机应急测绘流程(如图3所示)如下:

图3应急测绘的任务流程图

1)灾情发生后，接到航空应急飞行任务指令，应急准备并启动应急飞行任务;

2)无人机搭载适宜的任务载荷(光学面阵传感器、轻小型SAR及光电吊舱)飞往突发事件或自然灾害应急现场，实现全天候、全天时的航测任务;

3)由视距链路指挥控制(200km内)无人机飞行作业;

4)超视距链路控制(超出200km)无人机飞行作业及获取信息传输;

5)获取航空遥感数据用于后期地面处理，形成应急灾情现场重点区域一张图;

6)实时回传视频信息至机场基地和应急中心，用于分析应急现场灾情，指导应急救灾;

7)无人机落地后完成数据拷贝及地面快速处理，制作灾情现场影像图，提供用于救灾决策的影像资料支撑;

8)将数据处理的影像成果和原始数据传输回用户应急中心，为应急灾情指导及备案存档，形成灾情现场第一手资料，为灾后重建工作提供基础地理信息数据。

4、系统应用情况

通过实际的作业案例，获得系统应用参数和技术指标如下:

1)航测相机

成果数据在符合飞行质量要求的情况下，满足1∶2000地形图规范要求。10GB影像快速拼接时间小于1h。

2)轻小型SAR

全极化16位伪彩色RGB影像，在条带模式下分辨率优于0.5m，聚束模式下分辨率优于0.15m。成像与处理效率90G/h，快速拼接和正射处理效率110G/h，平面精度优于7.5m。

3)光电吊舱数据处理能力

平面位置精度优于50m,500张关键帧影像快速拼接时间小于1h。

4)作业效率

载荷重量可达345kg，正常起飞准备时间小于1h，二次起飞准备时间小于0.5h，巡航速度为150—230km/h，续航时间在30h以上，巡航高度为1000—5000m。可获取2.5—50cm分辨率的影像数据，作业效率可达20—500km2/h。摄影测量软件可完成原始数据的空中三角测量建模和计算、相对定向和绝对定向及匀色镶嵌成图，其中，10cm处理时间为91min,20cm分辨率处理时间为52min。

5)飞行状态

彩虹-4型无人机具有中空长航时的飞行能力，飞行姿态基本在-2°—+2°之间变化，飞行姿态平稳。

6)精度情况

通过已有参考资料进行机上实时处理，平面精度优于10m;使用航测软件结合参考资料对原始数据进行摄影测量处理及空中三角测量建模计算，并进行检查点残差计算。其中，10cm分辨率正射影像的整体中误差小于0.8m，平面误差小于0.64m，高程精度误差小于1.07m;20crn分辨率正射影像整体中误差小于1.30m，平面误差小于0.88m，高程误差小于2.26m。

5、结束语

本文介绍了长航时固定翼无人机系统的组成和特点，航空摄影测量的相关技术及彩虹-4型无人机的应用案例情况。可指导大型无人机航摄任务的开展，促进空间地理信息数据在应急救援工作中的应用。同时，促进长航时固定翼无人机应急测绘技术在黑龙江省的落地吸收，从而进一步提升黑龙江测绘地理信息局为政府及行业部门提供测绘应急保障服务的能力与水平。

参考文献：

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蒋汪洋,刘加生,吴薇.长航时固定翼无人机在黑龙江省应急测绘保障任务中的应用[J].测绘与空间地理信息,2020(S1):187-189+193.