警用无人机空中实时图像侦察系统的设计与应用

刘 丹，田银枝，王红闯，梁 涛

（1.北京合众思壮科技股份有限公司，北京100015；2.北京超图信息技术有限公司，北京100015；3.河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003）

警用无人机空中实时图像侦察系统的设计与应用

刘 丹1，田银枝2，王红闯3，梁 涛1

（1.北京合众思壮科技股份有限公司，北京100015；2.北京超图信息技术有限公司，北京100015；3.河南省遥感测绘院，河南 郑州 450003）

对公安领域空中侦察手段不足的现状和问题，提出了利用无人机搭载专业任务载荷方式通过无线电实时回传图像的空中侦察指挥体系模式，设计了警用无人机空中侦察体系与公安扁平化指挥体系进行功能融合和信息共享的总体架构，介绍了无人机飞行器设计理念、飞行控制导航流程以及地面控制系统功能等内容。重点描述和解决了基于图像分析的动态目标跟踪的核心算法和关键问题，阐述了利用信标定位驱动无人机以及无人机侦察数据与公安业务融合应用的技术路线。最后总结了无人机数据在3G网络下使用环境受限和传输延迟等问题，提出了无人机在公安应急测绘方面的新应用方向。

警用无人机；图像侦察；情报处理站；任务载荷；信标跟踪

近年来无人机技术飞跃发展，自动化和智能化程度大大提高，除了在军事领域，无人机系统也逐渐进入到国家基础建设和公共安全等民用领域[1,2]。公安目前存在管理地域与警力不足的矛盾,对于群体性事件处置存在反应慢取证难的困难，利用无人机能很好解决公安对于现场把控和实时指挥调度的问题。无人机系统与公安现有网络、平台和侦查手段的紧密结合，既避免了信息孤岛，又可作为空中侦察要素参与顶层设计，有助于构建公安天地一体化的扁平化指挥体系。

1 系统组成和设计

1.1 总体架构设计

涵盖警用无人机空中侦察系统的公安天地一体化的扁平指挥体系总体架构如图1所示。

图1 系统架构图

1）空中侦察体系。无人机搭载任务载荷进行图像实时获取，侦察数据通过无线落地后通过公安移动警务前置机实时回传到指挥中心，再通过3G网络和安全边界分发给各指挥和作战单元，侦察能力和数据资源与公安扁平化指挥体系融为一体。

2）地面指挥体系。目标跟踪实现对目标位置的实时回传和驱动无人机进行定点跟踪。现场指挥部既能监控周边无线回传的实时信息，也能通过3G获取无人机的侦察图像。移动指挥能在行进中调度周边警力、收集现场证据、音视频监控、下发指令和调阅无人机图像。单兵作战民警利用北斗终端设备，进行现场执法、证据采集和实时监测无人机侦察数据[3]。

3）通讯网络部分。北斗卫星落地靠安装在公安网内的北斗指挥机来接收下属北斗用户机回传的定位和短报文信息；3G无线网主要通过运营商部署VPN专线到公安部门来实现数据传输，也是无人机回传侦察数据的通道；350 M集群是公安自建的语音集群对讲网络。

4）公安扁平化指挥中心。是指挥体系的核心大脑和后台，既能调度指挥，也能接收和展示无人机回传的侦察数据，并且与公安PGIS、警综平台和大数据情报平台实时对接。

1.2 飞控与导航设计

警用无人机飞行控制与导航系统具有姿态稳定、高度保持、空速保持、航迹控制等基本功能，还可以实现预设航线的自主导航飞行、飞行安全保护、任务设备控制等高级功能[4]。结构如图2所示。

图2 飞控与导航系统结构图

2 关键技术问题

2.1 动态目标侦察和智能跟踪

警用无人机对于静态目标侦察取证是常规功能，但是对于动态目标（例如车辆和移动的人群）如何有效锁定和智能跟踪是技术难点。本系统利用图像智能识别技术实施动态目标的甑别，同时指引无人机进行航线调整和跟踪，系统处理过程如图3所示。

图3 图像跟踪系统框图

1）动态目标的跟踪流程。首先根据预先设定的侦察范围规划无人机飞行航线，向无人机装订航线，到达设定的航线高度后，无人机自动驾驶仪实时计算目前的飞行航迹与设定航迹的偏差，修正无人机按航线飞行[5]。摄像头在转台带动下扫描，保证较大的搜索范围，便于发现地面目标。当发现目标后，地面操作人判断是否为需要监视的目标，采用人机交互方式通过数据链上传目标初始种子点坐标。图像跟踪处理系统分割出目标模板，确定目标相对于图像中心的位置，不断跟踪计算和给自动驾驶仪系统提供偏差数据，自动驾驶仪根据收到的偏差数据，按一定规律导引无人机跟踪目标。导引流程图如图4所示。

图4 图像跟踪导引算法流程图

2）实现图像追踪的算法步骤。①图像预处理：无人机飞行过程中，由于气流、发动机等影响会不停做低频振动，获取图像存在明显退化，其中脉冲噪声和目标与摄像头的相对运动引起的运动模糊是主要原因，必须对图像进行预处理。②图像分割：图像跟踪首先要获得跟踪目标的模板，常采用预先获得目标特征和存储目标模板的方式，但是存在适应多目标需要较大存储空间和模板自动选择实现复杂等困难。故从实时图像中分割目标，实时生成跟踪模板方式。采用人在回路控制的方式，通过人机交互确定目标初始种子点实现目标图像分割，根据分割出的目标图像生成目标跟踪模板。③图像跟踪：主要通过匹配跟踪和系统状态预测等算法，实现预测目标在下一帧中图像可能出现的位置，来减少搜索范围。

2.2 信标跟踪和公安业务整合

常规无人机系统是独立运行的，其数据获取、传输、分析和应用都是一个封闭的环路，不和其他系统发生关联，只能成为公安扁平化指挥过程中的孤立环节和辅助工具。如何把无人机的空中侦察能力和数据结果实时地融入到公安业务系统中，是关乎指挥效能的关键问题，另外如何与公安现有的信标定位侦查手段融合，也是有待解决的业务难题。以下通过现场部署前置机和软件接口定制开发等过程提出解决方案，系统流程如图5所示。

1）信标定位和控制过程。信标设备放置在嫌疑车辆上之后实时获取车辆位置信息，把经纬度和车辆标识通过3G无线回传到运营商VPN代理服务器上，通过安全边界进入公安内网进行存储。现场的移动警务前置机通过内置的VPN-3G网卡和公安USB数字证书借助安全边界进入公安内网获取指定的信标位置[6]，通过有线与地面控制站连接和实时推送监控目标经纬度，控制站发送跟踪坐标指令给无人机进行飞行跟踪目标的锁定。

2）与公安地理信息系统（PGIS）指挥平台整合。警用无人机空中侦察到的图像和视频通过无线链路落地到情报站后，通过有线网络与指挥现场的移动警务前置机连接，借助3G网络和公安USB数字证书[7]，通过安全边界把数据传回公安内网数据库中，基于PGIS指挥平台实时展现回传的图像和视频信息，协助领导了解现场情况和辅助指挥决策[8]。

3）移动终端实时展现。通过公安内网数据整理和发布接口，可以实时把无人机侦察数据推送到各个移动指挥和作战单元。其中移动指挥车上通过公安加固笔记本无线接入到公安内网，获取无人机数据进行现场指挥调度；现场执法和侦查的警员单兵通过智能手持终端APP软件，也可通过3G网络和公安TF加密卡实时获取内网无人机侦察数据，最终使得警员和警车能在移动过程中获取最新的现场情报和动态信息，保证任务执行和统一行动。

图5 信标跟踪流程图

3 应用实例与效果

3.1 公安侦查应用情况

应用场景：目前新疆东突恐怖分裂组织的基地和训练营经常安扎在边远和边境区域，地点隐蔽不易察觉，即使得到情报派人和车辆也很难靠近侦查。在这种情况下需要利用警用无人机进行远距离的空中侦察和取证，无人机到达现场后，搜索地面目标和区域，信息传回地面，并根据地面命令在侦察区域上空盘旋监视地面态势，将现场实时图像信息和精确坐标连续传回地面和指挥中心，再把情报信息转交给武警部门进行实地的抓捕和目标铲除。在云南和广西边境区域运毒贩毒情况比较猖獗的地区，对于某些嫌疑车辆隐蔽安装定位跟踪信标设备后，通过定位信息回传后和导入现场的控制站来指引警用无人机进行实时车辆跟踪。

使用操作：为了满足公安侦察的需求，无人机飞行器需要搭载不同的任务设备。例如，搭载CCD摄像头完成现场实时侦察，搭载双拼高分辨率数码相机，可拍摄和制作影像地图或大比例尺地形图，搭载热红外摄像头可进行夜航获取热图像。考虑到公安执行任务的方便性和隐蔽性，警用无人机采用手掷起飞和弹射方式起飞。回收系统采用伞降加减震胶垫的方式，对落地点环境要求不高[9]。

侦察成果：空中侦察系统通过低空摄像和图像跟踪导引算法以及信标跟踪功能进行静态和动态目标侦察和实时跟踪的效果如图6所示。

图6 多种侦察模式效果图

3.2 建设与应用效果

基于警用无人机的空中实时图像侦察系统作为公安全新和立体的侦查取证手段，率先在反恐和禁毒部门进行试用和推广，特别是在维护区域稳定和追捕毒贩车辆的案件中发挥了重要作用。系统建设也是北斗导航和无人机技术结合公安应用特点的一个崭新尝试，充分发挥出2者结合整体效益，确保符合一线公安侦查和指挥的业务需求。

4 结 语

利用无人机进行公安空中侦察取证，具有响应快、实时性高和图像真实可靠等特点，是实现“看得见、喊得通，拉得动”公安扁平化指挥体系必不可少的现场感知手段。目前无人机回传的数据主要通过3G无线进行传输，因为3G信号覆盖和带宽等问题，公安移动作战单元使用的场合还有局限，用户体验不够流畅，视频数据进出公安网也存在加密延迟的问题，随着4G网络建设和安全边界系统扩容，问题会逐步解决。随着无人机的续航时间、稳定度和图像清晰度等技术提升，将会在公安应急监控、维稳处突和交通执法等方面发挥更加重要的作用。

[1] 高峰. 无人机应用前景广阔[J]. 国防科技工业, 2011(9):44-45

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[5] 吴云东,张强.立体测绘型双翼民用无人机航空摄影系统的实现与应用[J].测绘科学技术学报,2009,26(3):161-164

[6] 马留英 .基于3G移动通信的视频监控系统研究[D] .西安:长安大学, 2011

[7] 张亮.“金盾工程”中公安信息系统结构[J].警察技术,2002(3):13-14

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P231.5

B

1672-4623（2015）01-0017-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.01.006

刘丹，高级工程师，主要研究方向为地理信息系统和导航位置服务应用技术。

2014-03-24。

项目来源：国家高技术研究发展计划资助项目（2012AA12A201）。