基于异地监视的无人机国土资源巡查系统实现与应用

邱舒怡 李玄

（中国电子科技集团公司第二十研究所 陕西省西安市 710075）

近年来，无人机成为研究和投资的热点，由于其机动性能好、生存能力强、无人员伤亡风险、使用方便，已在多个行业领域得到了广泛的应用。我国幅员辽阔、资源丰富，在国土资源管理中可利用无人机飞行机动、快速、覆盖范围大、环境适应性强的特点，迅速深入恶劣环境对地表目标做出进一步评估，为相关决策部门快速取得详实地表影像资料、航拍数据等一手监测与评估资料提供保障，为处理决策工作提供重要的依据。

1 无人机巡查系统架构

无人机巡查系统由无人机平台、地面站和服务器端构成。系统总体设计图如图1所示。无人机平台包括机体结构、飞行管理控制系统、导航系统、航电系统、动力系统、燃油系统、电气系统和起降系统。地面站是地面操作人员直接与无人机交互的渠道，具备本地化对无人机飞行平台和任务载荷进行监控和操纵的能力；在本系统中地面站还实现了无人机平台姿态信息、视频数据的转发。服务器端通过接收解析来自地面站的无人机相关监视数据，实现无人机航拍实时视频的异地直播、无人机状态(高度、经纬度、方向等)在地图上异地监视等功能。

无人机姿态信息可由UDP协议在地面站通过转化插件进行转化，再由Http持续更新至服务器；无人机航拍视频经HDMI视频采集卡输入地面站后，在地面站转码推流至对应服务器可实现异地同步直播。

2 无人机巡查系统实现

2.1 系统主要功能

2.1.1 飞行数据管理

飞行数据管理基于数据库技术实现，使用Mysql做数据库服务器。基于该系统实际需求，飞行数据主要包括飞行任务信息和航迹信息，可实现对数据库中数据进行查询、新增、批量上传、修改、删除、批量删除等操作。

飞行任务信息表（图2）中主要存储任务的目标区域、任务创建的时间，任务执行状态以及任务的类型(拍照或视频)等信息。

航迹信息表（图3）中主要存储各任务中无人机的姿态信息，包括经纬度、高度、航向等。2.1.2 无人机姿态信息解析

主要实现将原始无人机姿态信息解析并转换，发送到指定服务器，以一定的标准接口保存到给定的任务序号中。无人机姿态信息解析的重要性体现在为无人机飞行数据的重现、应用提供了完善、详实、准确的飞行数据[1]。通过UDP接收从地面站转发来的无人机自身的遥测数据帧，并从中提取必要的无人机姿态信息，以POST方式发送到数据服务器的指定接口。遥测数据帧一般有五部分，包括姿态角、速度、高度等；机体数据，如电压、转速、温度、控制模式等；GPS位置、GPS时间、距离等；指令数据；变长数据。无人机姿态信息解析模块解读转发来的无人机遥测数据帧，从中提取经度、纬度、高度、时间、航迹编号、姿态角度等数据后，封装对应的POST请求，通过HttpClient对象发送到数据服务器。服务器接收数据后追加到目标任务的航迹记录中。

图1：系统总体设计图

图2：飞行任务信息表

图3：航迹信息表

无人机姿态信息解析流程如图4所示。

2.1.3 航迹可视化

基于三维地图模型实现不同航程的航迹曲线绘制，以模拟真实环境中的巡查过程，使无人机巡查记录看起来具有空间感、立体感，生动的反映无人机飞行模态的转变过程，便于飞行人员通过相关参数从整体上把握无人机飞行的变化趋势。航迹可视化示意图如图5所示。

2.2 无人机异地监视实现流程

以无人机异地监视需求为背景，传统数据链只能实现可通讯距离内的本地直播，一般是为地面飞行控制人员提供操作飞机的相关数据支持。但随着无人机应用领域的扩大，在国土资源管理中，相关业务人员无法亲临飞行操控现场，但是仍然有实时观看航拍视频的需求。无人机异地监视需要转发的内容包括两部分，一部分是无人机自身飞行的姿态信息，一部分则为无人机载荷所记录的航拍视频。

关于无人机飞行姿态信息的实时转发，主要是从无人机地面控制站接收无人机的位置和姿态等信息，解析并转换发送到指定服务器，保存到给定的任务序号中。主要流程如下：

（1）无人机起飞后，地面站转发UDP形态的遥测数据到无人机姿态信息解析模块；

（2）无人机姿态信息解析模块进行解析，构造HTTP请求发送到服务器；

（3）服务器解析并保存对应航迹点信息到指定任务。

无人机异地监视实现流程图如图6所示。

关于无人机航拍视频的实时转发，为保障通讯的可靠性，在无人机和地面站之间依然沿用数据链来传送视频，从地面站接收载荷摄像机的视频流数据，经OBS直播工具，传递到流服务器，并在服务器转换成HLS协议，提供RTMP/HLS访问。

2.3 系统实验结果

经过实际飞行试验，我们对无人机姿态信息解析转发和视频传输效果进行了测试。地图上标注的无人机运行轨迹与实际飞行基本一致，航拍视频传输由于实际飞行地点的网络传输速度有限，产生了2～3秒的时延，不影响本系统的使用效果。相关业务人员可通过本系统实时获取国土资源的影像资料，实现对国土资源的动态监测，促进相关土地资源的有效利用。试飞示意图如图7所示。

3 无人机在国土资源管理中的应用

由于无人机具有体积小、质量轻、驱动力较强等特点，可以完美地完成国土资源的勘测任务。通过快速获取无人机航摄数据，能够快速掌握测区的详细情况，应用于国土资源动态监测与调查、土地利用和覆盖图更新、土地利用动态变化监测、特征信息分析等，高分辨率的航空影像还可应用于区域规划等[2]。

4 结束语

本文提出了一种基于异地监视的无人机巡查系统，完成了系统总体设计、功能设计、异地监视无人机的技术实现等内容。经过多次测试、实际飞行试验，系统性能稳定、工作正常，可为远在异地的业务工作人员提供一手的无人机姿态信息和航拍视频。无人机因其独特的优势，将在国土资源管理中扮演一个重要的角色[3]。它提高了国土资源信息收集的速度及质量，节省了大量的人力、物力及财力，未来在确保无人机技术先进性以及系统功能完善性的同时，还需与国土资源管理相互结合，强化应用。

图4：无人机姿态信息解析流程

图5：航迹可视化示意图

图6：无人机异地监视实现流程图

图7：试飞示意图