基于无人机的净空监测技术.pdf

中国科技信息 2024 年第 4 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-66-航空航天机场净空安全是试飞机场安全的基本条件，科研试飞工作需要在特定的空域内进行，如果试飞机场净空管控不足，科研试飞工作就面临安全风险，直接影响试飞机场运行的安全与效率。随着我国的城市化发展进程加快，机场净空区受到了不同程度的破坏，国内发生了多起在净空区范围里建设超高建筑，严重威胁机场净空安全事件，这些事件严重威胁航空器的起飞、降落等重要阶段的安全，同时也带来了巨大的经济损失。因此，机场净空管理问题越来越受到军用和民用机场管理部门高度重视，必须采取科学、有效、适宜的措施来保证航空器的飞行，尤其是起飞和降落阶段的安全。目前，军用和民用机场都有明确的净空区限制，即这个区域的范围是从机场两端各延伸 X 公里，从两侧各延伸 X 公里。为有效做好试飞机场净空管理工作，结合某试飞机场运行特点，成立了机场净空委员会，根据军用及民用标准，建立了试飞机场净空区管理及巡查制度。目前阶段净空区巡查，主要依靠巡检技术人员借助车辆进行作业，受地域地形影响，工作量大、工作效率低、占用时间长、存在漏检风险等情况。在实地测量工作中，技术人员主要借助全站仪和 GPS 测量仪器开展测量，受外部环境影响，部分高大障碍物无法进行精准测量，同时还存在测量难度大、精度差和时间长等缺点。总之，主要存在如下不足：净空区巡查方面：全域巡查费时费力、存在漏检的风险，即在机场周边城市、农村住宅区巡查时，由于视角广度大幅降低，障碍物隐蔽性高，存在障碍物漏查的风险；障碍物测量方面：部分障碍物测量难度大、精度差，即针对恶劣环境下的障碍物及反光性差的障碍物，存在测量难度大、精度差的问题，甚至出现束手无策的问题；障碍物管理方面：数据库信息不全面、障碍物不利于动态管理，即现有障碍物数据不能全面反应障碍物的外形特征、面积和实时动态等信息，难于实现障碍物信息的快速获取、更新等动态管理。针对存在的不足，本文引入无人机进行试飞机场净空区监测，创新创效，准确、动态管理障碍物信息，实时掌握净空区状态。机场净空监测技术研究机场净空监测技术发展趋势引入无人机飞行器平台开展机场净空区监测具有很多优势，如低成本、低损耗、低风险、可重复使用以及操作简便。目前，无人机监测技术已在多个领域得到广泛应用，包括资源勘探、气象观测及处理突发事件处置。无人机监测技术是行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度基于无人机的净空监测技术洪 刚 单少帅 侯晓婧洪 刚1 单少帅1 侯晓婧21.中国飞行试验研究院2.中航西安飞机工业集团股份有限公司洪刚（1988），陕西，研究生，现从事飞行场务工程保障技术研究以及机场运行管理研究工作。-67-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024中国科技信息 2024 年第 4 期航空航天一种以无人机为平台的航空摄影测量技术，即无人机飞行器受到无线电设备操控，并利用搭载在无人机飞行器平台上的任务设备快速获取多种数据信息。结合遥感技术，无人机飞行器平台搭载高速高清数码相机，能够快速采集高分辨率影像，通过自动化三维重构技术，生成目标物数字表面模型、数字高程模型及正射影像，从而获取多种精准数据信息。相比于技术人员借助全站仪和 GPS 测量工作模式，无人机监测工作模式具有更强的机动性、更高的精度、更低的成本、更广的应用范围以及更短的工作周期等优势，为技术人员提供了更为高效、灵活和准确的机场净空区监测手段。基于无人机的机场净空监测设计思路基于某试飞机场净空管理实际情况及存在问题，结合无人机遥感技术的工作原理，本文通过引入无人机飞行器平台来进行试飞机场净空区监测，基于 GIS 技术构建系统进行净空评价评定，保安全、保高质量发展，也为其它军用和民用机场净空安全工作提供借鉴。基于无人机的机场净空监测整体思路，主要包括两大部分：基于无人机的净空区障碍物监测。首先,搭建无人机飞行器平台，规划无人机飞行航线并实施净空区巡检；其次,结合 GPS 定位技术和 TOS 技术，初步筛选机场净空区障碍物，通过无人机悬停、点对点定位等途径初步获取位置信息；再次,通过和障碍物所在区域规定的阈值高度数据对比，达到初步获取疑似超高物的目的；最后,利用倾斜摄影测量技术，从多个角度对疑似超高物体拍摄照片，同时结合计算机视觉和摄影测量原理，获取疑似超高物体的精确数据。基于 GIS 技术构建的机场净空区障碍物动态管理系统。即：将无人机获得测量数据和 GIS 技术相结合，构建机场净空区障碍物动态管理平台，精确识别超高的建筑物，快速反馈障碍物地理位置、类型、三维信息、超高信息和高清图片等信息。基于无人机的机场净空监测实践试飞机场净空区巡检基于试飞机场净空区实际情况，利用无人机高空视野宽、移动速度快、飞行距离远、越障碍能力强等特点，通过搭载广角及高分辨率的数码传感器设备，进行净空巡检，收集净空作业区基本信息。同时，根据试飞机场各净空区域区的高度限制要求，设计和规划无人机起飞点及飞行航线，通过无人机实时传输的信息锁定净空巡检区域存在的异常情况，操纵无人机向异常区域靠近，并通过高分辨率的数码传感器设备，多角度、多位置查看净空区原有障碍物具体情况及新增障碍物情况，实时开展初步筛选，实现图像复采集，并生成重点区域的巡视检查报告。巡检具体步骤如下。1.根据机场净空区边界划分，结合净空区物体分布特点，确定重点检查区域。2.针对机场各净空区域状况复杂程度，规划无人机起飞点及各区域飞行航线。3.按照当前净空区规定限制高度，从设点起飞点起飞，升空至该点规定限制的飞行高度，随即开展 360 度环绕排查周边障碍物情况。4.按照规划的飞行航线持续飞行，按需求对无人机进行调整，包括进行无人机悬停对重点物体进行靠近巡查，继续引导无人机完成各区域净空巡检，最终形成巡视检查报告。障碍物初步筛查本文引入的无人机飞行器平台，配备了激光测距仪、惯性导航系统和动态接收机。通过激光测距仪确定距离，惯性导航系统确定姿态、动态接收机确定空间位置。利用 POS技术测量距离远、速度快、精度高等特点，将无人机图传系统与显示模块连接，回传数据信息，包括净空区物体高度信息；同时利用 GPS 定位技术，通过操纵无人机靠近悬停，点对点定位等途径，初步获取净空区物体位置信息；通过与该区域阈值进行对比，实现初步筛选疑似超高物体。初步筛查具体步骤如下。1、测前准备：将无人机的俯仰角度设置为平行状态也就是 0 度，然后将飞机朝向目标物。获取物体高度：调整无人机飞行高度，操作显示屏中心和障碍物顶点重合，利用 TOF 技术获取当前物体高度信息。获取物体位置：通过无人机悬停目标物体上空，利用POS 技术获取物体经纬度信息。初步判断是否超高：通过与该区域限制高度数据对比，初步筛查超高物体。障碍物精确测量本文引入的无人机飞行器平台，配备了多种传感器。通过无人机飞行器平台，进行倾斜摄影，实现多角度全方位采集信息；通过搭载的微型计算机，同时控制多台高清高速相机，实现实时同步采集障碍物的数据信息；通过数据回传服务器端和数据分析系统，平差解算测量疑似超高物体光学特征所需的全部控制点，生成数字高程模型及数字正射影像，形成数字表面模型，构建实景三维模型，最终获取真实的三维坐标信息及障碍物三维图像。精确测量具体步骤如下。倾斜摄影，获取影像：针对筛选出疑似超高物体，通过对其或者群体进行倾斜摄影，采用连接点、控制点和辅助数据的多视角影像联合计算，从而获得更准确、更可靠的数据。空三加密、三维建模：针对采集的数据信息进行数据分析，同名点匹配和增加控制点，进行空三加密，实现点云匹配及 TIN 构建，同时进行三维重建与纹理映射，最终构建了实景三维模型。超高障碍物信息：针对采集的障碍物三维图像及三维坐标信息，实现超高物体的精确测量。试飞机场净空区障碍物三维模型评定传统的机场净空区障碍物评定方法，首先借助全站仪和GPS 测量仪器开展测量，获得净空区范围内疑似超高物体的数据信息，然后通过人工绘制疑似超高物体及机场净空区障碍物限制面关系图，最后通过数学计算确认疑似超高物体是否超高，存在费时费力、难于实现障碍物信息的快速获取、更新、动态管理等缺点。基于 GIS 技术构建净空区原始地貌中国科技信息 2024 年第 4 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Feb.2024-68-航空航天及净空区限制面三维可视化模型，模型中的空间算法可以精准的计算出某试飞机场周边地区的飞行最低高度限制；通过无人机采集的立体影像数据，得到试飞机场净空数字表面模型，与试飞机场限制面三维某型进行叠加，实现精确识别超高的障碍物；通过快速反馈障碍物地理信息、类型、三维信息、超高信息等信息，实现障碍物信息管理。具体步骤如下。基于试飞机场的基础信息，通过 GIS 技术构建净空区原始地貌及净空区限制面三维可视化模型，快速获取坐标点的标高和限高信息。使用特定的数学方法，对各个障碍物限制面进行了坐标转换，将实质性转换到地理坐标系中，从而构建出某试飞机场净空模型。利用三维可视化技术，构建了某试飞机场的三维净空模型，并将模型中的障碍物限制面转化为可用于空间分析的新模型。通过构建的某试飞机场三维净空模型，进行了超高障碍物的表面分析，并对新建项目进行了高程分析。例如，目前还通过该模型实现了对某新建民机试验场周边净空区域电信塔的测评，发现超高电信塔 10 处。基于 GIS 技术构建机场净空区障碍物动态管理系统基于试飞机场障碍物信息基础数据库，无人机监测技术的实践应用，提高了数据库信息完整性和准确性，还将障碍物信息扩展到包括安全状态、类型、建设批文、最高高度、三维图形等在内的多种详细数据信息。通过 GIS 技术搭建试飞机场净空区障碍物动态管理系统，快速、精确获取机场周边任何位置的障碍物许可高度信息，精确识别疑似超高的障碍物是否超高，并实现动态管理。具体步骤如下。数据层：包括试飞机场跑道中心点坐标；所有障碍物的真实数据信息。逻辑层：通过数据层对机场净空区数据输入，实现超高检测和对障碍物数据的查询、增加、删除、修改等功能，超高检测模块主要实现了对建筑物模型是否超出净空限制面而进行分析、计算。表示层：展示限制面模型及建筑物模型，并辅以表格等方式展示超高检测结果。4.输出层：基于 GIS 技术构建的机场净空区障碍物动态管理系统。该系统改变了之前采用手动作业进行机场净空管理工作的传统方式，准确、直观地计算并展示建筑物是否超过机场净空限制的结果，全面记录障碍物信息。项目应用情况和技术创新点目前，基于无人机的机场净空监测技术已运用到某试飞机场实际工作中，同时，还将无人机应用于某民机试验场净空区监测，民机试验场作为新建机场，因当地地势地貌相对复杂，导航地图路线误差较大，开展一次传统的净空巡查通常需要 2 天时间，配合巡查车辆行驶里程数约为 300km，引入无人机进行净空区监测后，应用效果显著。具体应用效果、创新创效方面如下。1.提高效率、节约成本。利用无人机开展净空巡查工作，仅需 6 个小时，车辆行驶里程数约为 75km，显著提高了净空区巡查效率，显著降低了工作成本。2.提高准确性。能够通过“初步筛查、精确测量”两套程序对传统手段不易测量的建筑物进行精确测量，从而获取超高物体的三维立体坐标信息，同时实现快速筛查，缩小测量群体；通过利用倾斜摄影测量技术和空三加密方法进行超高物的测量，提高了数据的精准性。3.确保有效性。通过无人机拍摄获取的俯视角影像，快速确定目标位置并在最短的时间内获得相关数据，从而做出准确判断，提高了数据的有效性。结束语本文重点构建机场净空区障碍物动态管理系统，其中重点进行了模型构建和软件构建。模型构建方面：以试验场为构建对象，首次构建基于 GIS 技术的某民机试验场净空限制面三维可视化模型，实现净空区动态管理和数据等信息调取。软件构建方面：通过数据层对机场净空区数据输入、业务逻辑层实现超高检测和对障碍物数据的查询、增加、删除、修改等功能，同时在表示层展示限制面模型及建筑物模型，并辅以表格等方式展示超高检测结果，最后结合三维模型形成机场净空区障碍物动态管理系统，实时掌握机场净空区状态。最终，实现了某试飞机场和某新建民机试验场净空区监测及动态管控，全方位提高净空管理工作质量和效率，同时该系统也适用于其它军用和民用机场净空安全管理工作。