三维GIS与无人机技术在边境管控中的应用*——以北塔山牧场为试点

王慧慧，孙智军，帕丽旦·艾尼，赵永振，多斯波力·哈力木别克，邓淋之

(1.新疆地质矿产勘查开发局测绘大队，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆宝地测绘有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

北塔山牧场的边境地区地理环境复杂多样，或峰峦起伏、林地茂密，或冰山雪峰，人迹罕至，边境管控异常复杂。边防应急情况复杂多变，传统的依靠普通二维地图或人工现场熟悉地理环境的指挥调度方式已经不能满足当前需求。为此，本文以实现北塔山牧场智能化管理为目的，运用WebGIS[1]技术和三维平台SuperMap，研究实景三维模型、无人机在边境管控中的应用，详细介绍平台框架的设计，具体阐述无人机视频实时传输、实景三维建模技术、单体化技术、海量空间数据管理技术[2]等关键技术以及系统的主要功能。

1 系统设计

1.1 系统框架设计

北塔山边境管控作战指挥平台基于面向服务的SOA设计思想，实现手持终端、指挥中心和服务器之间的数据交互。系统框架设计使用3层框架，分别为应用层、服务层和数据层，如图1所示。

图1 边境管控指挥平台的系统框架

数据层包括地形数据、实景三维数据以及属性数据。实景三维数据包括场部、连队的实景三维模型以及修过的精模，地形数据包括北塔山牧场的DEM、DOM数据，属性数据包括巡边员、执勤房、无人机、监控位置、任务等的相关属性数据。

服务层由以下几部分组成：将地理空间数据发布成对外的服务、移动网络、GPS、WebSocket、Rtmp+nginx[3]等，使用SuperMap IServe[4]将包含地形、实景三维模型的三维数据发布成Rest服务，供客户端使用；利用WebSocke技术，搭建手持终端与指挥中心实时通信的服务；运用Rtmp+nginx，搭建无人机实时视频推流服务；GPS的实时定位数据加密后通过移动网络进行传输。

应用层包括Android手持终端和PC端指挥中心。

1.2 技术路线

由于三维GIS平台SuperMap支持倾斜影像、地形等多源异构数据，因此本项目使用SuperMap相关软件进行数据处理，为系统研发提供数据支持；手持终端基于Android系统，研究三维场景加载、GPS实时定位、人脸识别考勤打卡、基于Websocket服务与指挥中心通讯的在线通讯(包含图片、文字)以及大疆无人机Demo接入等相关技术；PC端指挥中心主要使用Google Chrome浏览器访问，基于Cesium进行三维GIS的开发，与巡边员实时通讯基于搭建的Websocket实时通讯服务，无人机实时视频传输基于搭建的Rtmp+nginx推流服务器。最终实现三维场景下边境管控无人机实时视频传输、手持终端与指挥中心实时通讯，建设高效、统一的巡边调度系统。

系统总体技术路线如图2所示。

图2 边境管控指挥平台系统技术架构

1.3 功能设计

系统功能设计如下：

1)北塔山边境管控地理信息作战指挥平台：实现二三维场景浏览、给巡边员制定巡检任务、实时监控巡边员、查询巡边员轨迹、与巡边员实时通讯、北塔山实时监控调度、无人机实时视频传输、一键报警处理、大屏统计以及巡检报表导出等功能。

2)手持终端：实现三维场景浏览、人脸识别考勤打卡、GPS实时定位、与指挥中心通讯、不在巡检范围内报警、以文字和图片进行边情上报、一键报警等功能。

3)数据服务：实现三维数据服务、手持终端与指挥中心实时通讯服务、无人机实时视频传输服务等功能。

2 关键技术

2.1 实景三维建模技术

实景三维建模技术利用搭载倾斜相机的无人机对真实场景拍摄，然后利用建模软件ContextCapture自动建模，最终生成三维场景。该方法具有能够对复杂的实体进行快速建模，但是对于有棱角、复杂的建筑物拉花的情况，本系统使用DP软件进行修模，对自动建模成果按照要求对树、房屋、路等进行修模，建成逼真的实景三维场景[5]。

2.2 单体化技术

对比切割单体化、动态单体化和矢量叠加单体化方法后，本文使用矢量叠加单体化对模型进行单体化的方法。此方法操作便捷，无需过多的人工干预，不会对Mesh面造成破坏进而对模型的渲染快慢造成影响，也不会对数据原始造成毁坏，并且能够使原始数据保持完整[6]。

2.3 无人机实时视频传输技术

手持终端搭载大疆无人机Demo，将无人机视频流通过蜂窝移动网络和无线WIFI推送给Rtmp+nginx流媒体服务器，Web端根据流媒体服务器地址从nginx拉取数据，展示实时视频数据[7-8]。

2.4 海量空间数据管理技术

项目采用SDX+MySQL大型空间数据库引擎[9-10]来管理与空间信息有关的数据。解决项目数据量大、矢量数据和属性数据一体化存储的问题。

3 系统功能实现

系统主要实现功能有：

1)任务制定：指挥中心实现每个执勤房日常任务(步巡、车巡、看监控)、紧急任务、演练任务的制定。

2)越界报警：执勤人员在执行任务时，超出执勤范围，手持终端越界报警，指挥中心实时监控。

3)一键报警：执勤人员发现特殊情况时，点击一键报警，指挥中心进行缓冲区分析，查询最近的资源进行调配。

4)巡检轨迹：指挥中心可按时间段查询人员、车辆、无人机轨迹(见图3)。

图3 轨迹查询

5)边情上报：指挥中心和手持终端可进行实时通讯，指挥中心可给手持终端的巡边员发送紧急任务，手持终端可通过文本、图片的形式将发现的问题及时发送给指挥中心，如图4所示。

图4 边情上报

6)无人机实时图传：手持终端通过蜂窝移动和WiFi信号将无人机实时视频流推给Rtmp流服务器，在指挥中心展示视频流，如图5所示。

图5 无人机图传

4 结束语

本文以北塔山牧场为试点，探索“三维GIS+无人机”在边境管控中的应用，以 B/S 方式构建北塔山边境管控地理信息作战指挥中心，基于GPS定位、人脸识别技术研发边境管控Android 手持终端，并详细阐述了系统框架设计、技术路线和关键技术，实现了无人机实时视频传输、轨迹查询、任务制定、边情上报、实时通讯等功能，提高了北塔山牧场运用信息化、智能化手段管控边境的能力。