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CW-100应急通信侦察无人机系统实时视频建模技术及应用

消防界

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2023-11-29 17:03:12

 近年来,我国自然灾害处于多发、频发的分布态势,极易出现事发区域断路、断网、断电(后简称“三断”)等极端且突发情形,从而严重影响现场应急指挥决策与救援实施工作的开展。无人机以其灵活机动、操控方便、传感器丰富等优势特性为应急场景下超视距灾情侦察提供了一种全新视角。

目前,最常见的无人机应急作业模式是通过无人机多机实时回传视频至指挥中心后辅助现场指挥决策;然而,回传的视频流缺乏精确的空间位置信息,较难实现灾害区域的精准定位与定量分析,从而导致应急决策的不及时、不精准、不高效。

如何能在“三断”环境下解决快速获取灾害现场的“第一张图”已成为应急指挥救援向信息化、智能化、精准化转变的关键性难题。

专为极端应急环境而制:无人机视频实时视频建模解决方案

应急场景下的无人机视频实时建模的解决方案(后简称“联合方案”),直击高原、高寒及“三断”极端条件下无人机高效作业、实时二三维数据生产等技术难题,让无人机在航飞过程中“边飞、边传、边建”,实时生成灾情现场正射影像图、数字地表模型、实景三维模型,补齐应急指挥救援“第一张图”的实战短板,加速推进应急救援信息化工作,提升应急指挥的实时性、科学性,提高应急救援的响应速度。

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图 1 无人机视频实时视频建模解决方案

联合方案专为极端气象与复杂性地形环境和“三断”实战场景下实时获取灾情现场关键场景量身而制。方案由CW-100应急通信侦察无人机系统(卫通+光电吊舱+公网基站/PDT基站+宽带自组网)、实时建模移动工作站(鹰眼实时建模软件+移动建模算力重建农场便携版+野外电源)组成,可满足超视距灾情实时回传、超视距通信保障、超视距灾情实时侦测,满足从视频流到实时生成应急“第一张图”(实时正射影像、实时实景三维模型)的特殊需求。搭配由自主研发的“极速实景三维浏览器”DasViewer,可以让应急救援指挥现场实时看见到不止是视频流,更是能够丈量的运筹帷幄。

超视距灾情实时回传

CW-100应急通信侦察无人机系统(后简称“无人机系统”)可跨越复杂地形进行大范围、远距离、“三断”场景下的通信保障,实现超视距灾情数据实时采集回传。飞行平台采用CW-100垂直起降固定翼无人机,具有巡航时间长、飞行速度快、作战距离远的特点,无人机系统同时搭载卫通、光电吊舱、公网基站/PDT基站、宽带自组网多种设备,应用于应急通信、侦察监测、灾害救援等任务领域。

超视距通信保障

在极端情形下,超视距通信的保障将是连接空中采集作业与地面算力中心、指挥中心的关键一环。利用地面分布式组网、空中中继、卫通小站等通信保障方式,在无运营商通讯条件时保障监控数据实时回传,完成无人机视频监控的通信设备跨越复杂地形进行大范围和远距离通信的需求。主要用的设备有:地面控制和高清图传接收设备一体化的GCS-303便携式地面指控站,地面基站可选配ZT202转塔或GCS1000D。也可根据业务需要选择VCS-100无人机应急指挥车作为地面指控系统。

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图 2 GCS303便携式地面站

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图 3 ZT202转塔

超视距灾情侦测:从视频流到实时实景三维建模

超视距灾情侦测由实时建模移动工作站完成,通过鹰眼实时建模软件搭载重建农场便携算力接收无人机实时回传视频并进行实时二三维建模,实现灾情现场正射影像图(DOM)、数字地表模型(DSM)、实景三维模型的实时输出,让应急救援一线人员现场实时获取高精度、高准确度的二三维场景数据,实现侦测一体。

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图 4 鹰眼实时建模软件

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图 5 重建农场便携算力

联合解决方案中鹰眼、重建农场便携算力进行实时二三维建模主要采用的关键技术包括:视频流与空间位姿的精确融合、实时增量式精确空三、快速实景三维建模策略、野外稳定算力保障。

CW-100应急通信侦察无人机系统实时回传的视频数据为全动态视频数据(将视频数据和相关元数据组合成一个视频文件或视频流),采用无人机系统自研配套的流媒体SDK即可获取视频中的每一帧影像及其对应的元数据信息(即影像拍摄时刻的位姿外参信息),实现视频流与空间位姿的精准匹配。实时增量式精确空三基于大势智慧全自主的立体像对空三计算算法,对于实时回传的视频流数据同步进行计算。随着实时回传数据量逐步增加,地物影像信息增多,通过多次整体空三计算,可精准还原拍摄时刻影像的位姿。

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图 6 增量式空三计算

为了保障实时三维建模高效稳定,鹰眼创新推出快速实景三维建模策略,通过纠正影像、内参数据、空三文件覆盖原始影像的方式进行高效实时建模,进而减少GPU、SSD、CPU、内存之间细碎文件的反复读写。为进一步支撑野外应急算力,联合方案采用打造的“移动式实景三维数据中心”重建农场便携版,满足鹰眼集群运行环境要求,从而为二三维重建提供稳定且高效的算力保障,消除算力在无稳定电源支撑情况下自动降频问题。

理信息数据应用保障

为提升应急现场地理信息数据的应用率,鹰眼实时建模软件将数据采集与数据生产做到同频,以“边飞、边传、边建”的作业模式实现正射影像(DOM)的实时生成,确保应急指挥现场实时获取灾害现场真实而直观的地形、地貌、地物,以及道路交通、周边环境等地理环境信息;

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图 7 实时正射影像图

与此同时,由鹰眼实时生成数字表面模型(DSM)可对灾害现场地形进行数字化模拟,便于指挥中心人员迅速了解包括高程在内的各种地貌因子,如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布。

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图 8 实时生成数字表面模型

从视频流到可丈量的模型,鹰眼将实时建模做到“极致”,在满足实时、极速的更新现场灾害信息的同时,所生产的模型测量误差优于10cm,有效保障现场指挥与工作人员实时、极速查看现场灾害信息、高效多频次更新灾害信息、直观清晰的开展救援统筹、线路规划、灾害预防、灾后重建等应急工作。

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图 9 实时生成实景三维模型

视频 2  实时实景三维模形成果展示

应急实战现场:视频实时三维建模验证

经过实战考验,在大高差、高海拔恶劣环境下,无人机视频实时三维建模解决方案有效克服了数据采集作业中爬升坡度大、续航时间长、荷载重量大和数据传输过程中“三断”环境下算力降频、建模难度大等客观性挑战,并以鹰眼搭载移动建模工作站(重建农场便携版)进行了自动化实时视频三维建模验证,突破了视频流数据空三提点难、三维MESH构网难、纹理映射错位模糊等各个技术难点,第一时间为应急现场提供了真实、精确、多元的二三维空间信息数据。

现场实时建模参数说明:

作业区域:从起飞点到侦测点所覆盖的区域。

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图 10 作业区域

超视距灾情侦测与实时回传无人机:采用两架CW-25E,一架CW-25E搭载双光吊舱作为侦察任务机,实现对地面的实时图像侦测。一架CW-25E作为通信中继无人机,将任务机数据通过数据链中继回传至地面,起飞海拔3663米。

超视距通信保障设备:地面采用ZT202转塔地面站系统,作为无人机与指控终端的数据传输通道,实现无人机实时飞行数据和载荷视频数据的下行接收及指控终端控制指令的实时发送。

测区面积:226451.43m2;

原始视频分辨率:1080P;

实时三维建模时间:15min47s;

实时建模软件:鹰眼;

移动建模工作站:重建农场便携版;

视频 3 超实时实景三维模型

结合应急业务场景需求,利用DasViewer软件可对正射影像、实景三维模型进行极速浏览、标注与空间量测分析等功能,指挥与救援人员可在应急现场第一时间轻松获取灾害现场精准空间尺度信息(坐标、距离、面积、立方等);通过指挥大屏在实景三维模型中直观的地物标注,能够快速展示与突出事发现场地标点、线段、多边形等重点地物信息,有效降低现场的沟通成本与救援成本,辅助现场更好地制定指挥方案,有序开展救援行动。

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图 11 实时实景三维模型高差量测

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图 12 实时实景三维模型立方测量

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图 13 实时实景三维模型标注示意

聚焦极端环境下灾情获取需求,无人机视频实时建模解决方案有效解决了应急救援工作中快速获取现场“第一张图”难题。经过数据分析,联合方案所生产的实景三维模型成果可达到应急管理部科技和信息化司对实时三维模型要求,同时在实战任务中,成果做到了地形、地貌可判读、空间信息可量测。该方案实时还原灾害二三维场景,直观监测灾害场景态势变化,为应急救援场景下无人机超视距灾情侦测开辟了一条可落地、可复制、可推广的技术路径,加快推进应急救援“最后一公里”侦察速报、救援保障信息化实战。

文章来源:应急装备之家

特别声明:本文为人民日报新媒体平台“人民号”作者上传并发布,仅代表作者观点。人民日报提供信息发布平台。

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