应急测绘交叉双旋翼无人机的设计与应用

张皓琳

1.天津航天中为数据系统科技有限公司

2.天津市智能遥感信息处理技术企业重点实验室

交叉双旋翼无人机系统能够全天候自动获取高精度激光点云和影像数据，为应急测绘提供及时、准确、高效的保障服务，对提升应急测绘保障服务效率，提高应急事件第一时间现场信息快速获取、处理和服务能力具有重大意义。

图2 交叉双旋翼无人机。

近年来，我国自然灾害和突发事件呈现出日益加重的趋势，这其中有地震、火山爆发、泥石流、海啸、台风、洪水、火灾等突发性灾害；也有地面沉降、土地沙漠化、干旱、海岸线变化等经历较长时间才能逐渐显现的渐变性灾害；还有化工厂爆炸、水体污染、水土流失、臭氧层变化、酸雨等人类活动导致的环境灾害。当灾害发生之时，实时监测灾害现场，获得灾情数据信息，现场处理获取的数据，初步分析灾情及其发展态势，并将第一手资料实时快速传给后方应急指挥部，为应急指挥部领导者会商和决策，提供实时灾情数据，尽可能保障人身安全、减少财产损失。

系统架构

针对上述需求，选用中型交叉双旋翼无人机挂载光电吊舱、航摄仪、激光雷达，获取灾区可见光、红外热成像视频、影像、三维激光等地理信息数据，将数据处理软硬件设备和卫星通信、4G通信等设备集成在测控运输一体车内，在现场完成数据处理、数据传输及通信，形成交叉双旋翼无人机应急测绘系统。系统架构见图1。

图1 系统架构图。

系统功能

机动飞行与控制

（1）能够从突发事件现场周边起飞，到达人员难以进入区域作业，具备较好的续航能力和近距离控制能力；

（2）能够应对复杂天气和地形环境的影响，最大限度保障应急测绘作业的有效开展；

（3）能够根据突发事件现场的气候条件和地形环境，快速设计或调整应急摄影方案；

（4）能够自主起飞和降落，可低空定点悬停。

多源遥感信息获取

（1）具备全天时地理信息数据获取能力，以应对各种突发事件；

（2）可同时获取现场可见光、红外热成像视频、光学影像信息、三维激光数据，满足不同应急工作对信息类型及精度的要求。

数据快速处理

（1）实时接收并显示现场可见光、红外热成像视频；

（2）能够对实时接收的可见光视频进行视频拼接；

（3） 飞行中能够在机上对影像进行必要的处理，并将处理后的数据通过数据链实时回传至车内，在地图上拼接显示；

（4）无人机降落后，能够在测控车内对重点区域原始影像数据、三维激光数据进行快速处理，获取高精度数据成果。

应急通信

卫星通信和4G通信双备份实现与后方应急指挥部的通信和数据回传。

夜间作业

系统能够在夜间飞行作业，利用红外热成像仪及激光雷达完成应急监测。

系统组成

应急测绘无人机系统由交叉双旋翼无人机和测控运输一体车分系统组成。

交叉双旋翼无人机分系统

交叉双旋翼无人机分系统是任务载荷设备和机载测控通信设备的载体，为系统提供空对地观测的飞行平台，主要包括无人机平台、任务载荷设备和地面控制站。

无人机平台是一款油动交叉双旋翼无人机，在安全性、稳定性及可靠性方面均表现良好。该机发动机采用高性能涡轮发动机，具备出色的承载能力和高海拔作业能力。平台具有常规直升机的优点，起降灵活、任务载荷能力强、稳定性好，适宜执行抬起重物、吊挂作业。交叉双旋翼无人机无尾桨，因此具有更加出色的载重比，结构更简单，对配重和桨叶的精确匹配要求都比普通旋翼无人机低。使用4桨叶交叉双旋翼设计，有效降低了故障率，使用维护更方便，仅需三名操控人员便可完成飞行任务，适用于野外机动作业。

任务载荷设备是系统对目标观测和数据采集的工具，收集任务目标的影像和测绘数据。主要包括航摄仪、光电吊舱、激光雷达。通过任务载荷通用挂载设计，实现任务载荷组合挂载、快速换装。

地面控制站用于无人机的操控，由飞控地面站、配套飞控软件和硬件组成，实物见图4。

图4 便携式地面控制站。

测控运输一体车分系统

测控运输一体车分系统集成了数据处理软硬件、测控、卫星通信、4G通信等设备，实现系统设备及机组人员的运输，以及测控、通信、数据处理等功能，并为外场作业供电、提供操控与会议工作环境。

图3 任务载荷通用挂载部件。

作业模式与应用成果

接到应急任务后，测控运输一体车运输所有设备奔赴灾害现场，到达后快速展开，根据受灾类型、受灾区域选择任务载荷类型，进行任务规划，同时进行任务载荷安装、设备检查，根据任务规划开展监测，获取监测数据，现场快速完成数据处理，将成果传回应急指挥部；任务结束后撤收所有设备，测控运输一体车将设备运回储备库。

光电吊舱+航摄仪作业模式

针对地震、洪水、火灾、爆炸等灾害，无人机挂载光电吊舱和航摄仪在白天飞行作业时，光电吊舱利用可见光摄像机和红外热成像仪搜寻地面目标，操控人员通过实时回传的可见光视频数据搜寻无人机监测区域内的可视地面目标；红外热成像仪对车辆、建筑物内的人员、火源等发热目标进行热成像搜索，具有重要作用；航摄仪对任务区域进行航空摄影，并在机上实时处理影像数据，将处理后的数据通过通信链路回至地面，在车内完成实时影像拼接并显示；飞行任务结束后，进一步对重点区域的影像进行快速拼接，获取高精度测绘成果，便于对灾区重点区域进行重点分析。最终数据成果包括实时影像镶嵌图、正射影像图、可见光及红外视频。灾害现场实时视频、影像拼接成果均可通过卫星通信或4G通信回传应急指挥部显示。

光电吊舱+激光雷达作业模式

图5 实时影像镶嵌图。

图6 后处理正射影像图。

图7 可见光监测视频截图。

图8 红外热成像监测视频截图。

图9 视频实时拼接图。

图10 彩色激光点云图。

针对泥石流、山体滑坡、坍塌、爆炸等灾害，无人机挂载光电吊舱和激光雷达在白天或夜间飞行作业，光电吊舱利用可见光摄像机和红外热成像仪搜寻地面目标，操控人员通过实时回传的可见光视频数据搜寻监测区域内的可视地面目标，并实现可见光视频实时拼接，生成视频拼接图，实时观察全区域情况，红外热成像仪可全天候对车辆、建筑物内的人员、火源等发热目标进行热成像搜索，并将现场视频实时传回应急指挥部；激光雷达内置可见光照相机完成空对地作业，能够全天候自动获取目标区域高精度激光点云和影像数据，经过数据处理形成数字正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM）、数字地面模型（DSM）等信息产品，并进一步处理建立真实可量测三维模型，进行滑坡监测及评估、土石方量测算、洪水评估、泄洪区选址、道路走廊带勘测及线路走向优化设计等工作。成果形式包括三维激光点云图、正射影像图、视频拼接图、可见光及红外视频。

应急测绘无人机系统具备灾区数据快速获取、数据快速处理、应急通信等功能，可实现灾害现场可见光和红外视频数据、影像数据、三维激光数据快速获取，辅助救援人员全面掌握灾区地形地貌，发现受灾目标并实现精确测绘，可在现场对获取的灾情数据实时处理或快速处理，快速预判灾情，同时为灾害现场与后方应急指挥部之间的实时通信和数据传输提供支持。系统从2015年起应用于工程实践，经过水利监测、应急测绘、电网巡检等多个行业应用验证、优化改进，各种任务载荷挂载模式飞行稳定，可以作为系统级产品继续推广。