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1、項目編號： 密級：北京市科技計劃項目實施方案 項目名稱：無人飛艇低空遙感系統技術集成及系列產品研制所屬領域：無人機主持單位：北京測科空間信息技術有限公司主管處室：起止年限：北京市科學技術委員會制二一四年七月一、項目的目的、意義及必要性今日世界，盡管衛星遙感和有人駕駛飛機的航空遙感已經非常發達，但是在及時性、靈活性和精細度方面，還難以滿足當代經濟社會發展的需求。因此，無人機遙感異軍突起，發展迅猛，大有在將來三分天下之趨勢。目前，國內有幾百個單位廠商從事無人機遙感的研發、生產與應用。但是，遍布全國的大大小小的固定翼、多旋翼無人機中，能用于城市人口密集地區進行低空遙感的卻非常少見，主要問題是低空安全2、度不足。本項目之目的是研發一種能在城市人口密集區安全飛行，同時又能滿足城市精細化管理比鄉村曠野地區更高質量需求的無人飛艇低空遙感系統。城市是一個國家的發達地區，那里人口密集，建筑設施高低縱橫，立體交錯，經濟社會信息內容豐富，環境脆弱，公共安全因素復雜。因此每個城市，尤其是大中城市非常需要一種能天天進行巡查監測、及時發現變化，快速報告災情與突發事件的現場情景，支持現場指揮決策，同時，還能承擔為城市各專業部門提供基礎測繪與地理信息服務的低空遙感系統。衛星遙感顯然不適此任；有人駕駛飛機的和大型無人機的航空遙感雖然能承擔部分任務，但難以承擔“天天巡查”的任務；輕小型固定翼和旋翼無人機，雖然靈巧性可以，3、但是安全度不足，不適在人口密集的城市上空航飛；微小型有效載荷不足1公斤的多旋翼無人機，安全性威脅雖不大，但運行能力太差，也難承擔此重任。比較目前為止的各種航空飛行器，唯無人駕駛的氦氣飛艇裝載高性能的低空成像傳感器才最合適此重任。遙感數據采集是地理信息產業鏈的上游產業。所以，抓好當前潛在需求旺盛、而實際技術還差一步的無人飛艇低空遙感技術，將會極有力的牽動城市地理信息產業的技術進步，成為推動數字城市和智慧城市發展的一支巨大正能量，成為信息產業的一個新經濟增長點。二、項目任務與目標、考核指標1 任務本項目面向我國智慧城市建設和2812科技北京建設工程的目標，研發一套能滿足城市精細測繪和日常巡查監測需4、求的、具有足夠安全度的無人飛艇低空遙感系統技術，以獲取豐富的遙感數據資源，帶動城市地理信息產業的發展，形成現代城市的新經濟增長點。2 目標以本企業現在擁有的國家技術發明二等獎成果“輕小型組合寬角航空相機”技術為基礎，集成當前先進的無人飛艇、飛控系統、數傳鏈路、POS系統及其他先進傳感器技術，形成完整的城市低空遙感解決方案，并且研發出可投放市場的系列產品，完成示范工程。3 考核指標本項目成果包括無人飛艇低空遙感系統集成技術及系列產品。系列產品包括精細測繪子系列和巡查監測子系列。總體考核指標如下：1）飛艇的安全性指標 飛艇依靠氦氣產生升力，不燃不爆，無毒害； 飛艇具有能調節內壓的副氣囊和排氣閥，確5、保不因升高或日曬而膨脹爆炸，安全航飛相對高度50800米； 飛艇具有手工遙控和計算機操控兩種可靈活切換的飛行模式，確保能緩慢升降，軟體氣囊不與地面物體產業硬碰撞； 飛艇在城區限速50km/h，并且具有垂直升降和懸停功能，來得及進行應急減速和升降避險； 飛艇操作具有完善的規程，確保起降、作業和應急處置的安全性，可裝備空管應答機，接受低空航飛管理。2）精細測繪子系列產品指標（1）油動無人飛艇載四鏡頭寬角相機與Lidar的組合系統； 飛艇體積200m，最大任務載荷20kg，一架次航時2h，燃油驅動； 軟件實現寬角影像與Lidar點云的配準，精度達到1:500、1:1000、1:2000測圖標準； 平6、面測量精度最高可達5cm； 高程測量精度最高可達10cm； 樹林覆蓋區能同時測繪樹冠層的表面模型和樹下地面的高程模型。（2）無人飛艇載五鏡頭組合寬角相機 飛艇技術性能同上； 具有一次航飛同時完成大比例尺測圖和城市建筑物景觀三維紋理建模的能力，五鏡頭組合構建單中心投影的畸變差不超過0.5像元； 影像分辨率最高可達2cm，滿足1:500、1:1000、1:2000大比例尺測圖的精度和分辨率要求； 組合相機的視場角超過90，能獲取4個方面的建筑物側面紋理影像。3）巡查監測子系列產品指標（1）電動艇載雙鏡頭寬角相機與視頻攝像組合系統； 電動氦氣飛艇，體積80m，最大任務載荷8kg，一架次航時1h，電動7、機驅動，在低空（50m）時噪聲很小，不擾民； 視頻攝像機每秒圖像數25幀，可低空懸停拍攝動態圖像，可實時傳輸； 雙鏡頭寬角相機形成可立體量測圖像，與視頻圖像配合可進行災情規模或土石方量估算等工作； 可同時滿足城市日常巡查監測和地形圖修測工作需求。（2）電動艇載雙拼寬角相機與紅外攝像機的組合系統 電動氦氣飛艇性能同上； 雙鏡頭寬角相機拍攝城市夜間燈光影像進行構建空中三角測量網，用以支持實現紅外影像的準確定位，定位精度達2m； 紅外影像實時傳輸，可實現夜間巡查和火災快速報警； 利用夜間紅外影像可進行城市環境熱島效應分析。三、項目主要研發工作、關鍵技術及創新點1 主要研發工作及其關鍵技術項目分成六個8、課題，每個課題的主要研發及其關鍵技術如下：1） 城市精細測繪的無人飛艇系統技術集成輕小型組合寬角相機、Lidar、POS、傾斜相機等技術集成融合，做成超過當前市場一般產品的新品牌系統，達到在高精度測圖和三維精細建模的新高水平。（1）組合寬角相機與Lidar的系統集成任務吊艙研制關鍵技術實現組合寬角相機、GPS、IMU、激光掃描儀的時間和空間操作一致性的硬件銜接、誤差補償和數據融合，實現一體化的高精度定向定位解算；（2）五鏡頭組合寬角成像任務吊艙研制關鍵技術區別于市場上現有的傾斜相機做三維建模的技術，實現五鏡頭影像的單中心投影轉換，從而提升三維建模的幾何精度。擺脫目前城市三維建模只是好看，而未能9、投入實用的停滯狀態，為下一步構建精確三維電子地圖打下基礎；（3）油艇低空遙感系統性能優化研究關鍵技術從光能量和幾何精度兩方面定量研究低空成像條件，設計體量最輕小的成像傳感器系統，進而優化設計飛艇的體量與性能，達到全系統的最優化。2）城市巡查監測的無人飛艇系統技術集成針對城市環境保護、災害預警、社會安全和應急事件處置等現代信息需求，以電動無噪聲飛艇為平臺，集成Video、雙鏡頭組合寬角成像、紅外攝像等技術，構建城市日常巡查與監測的低空遙感系統。（1）雙鏡頭寬角相機與Video組合系統任務的配準融合，同時利用線陣影像的實時性和面陣影像的高精度，實現監測目標的快速準確定位及現場景觀響應的災情規模與體10、量測算；（2）雙鏡頭寬角相機與紅外相機的組合系統任務吊艙研制關鍵技術利用雙鏡頭組合寬角相機的夜間燈光影像構建空中三角測量網，支持紅外影像的定位定向，提高紅外遙感定位精度、實現夜間火災巡查報警。（3）電艇低空遙感系統性能優化研究關鍵技術通過對應用需求的深入研究，精華成像傳感器系統結構，從而實現電動飛艇的進一步輕小型化。3）無人飛艇城市低空飛行的安全性技術攻關研究無人機的飛行安全問題是當前民用無人機推廣中遇到的最大難題，也是低空開放政策制定中的最大難題。本課題要把無人飛艇做成城市地區最安全的低空飛行器，須作以下幾點攻關研究。（1）飛艇安全性能的檢測關鍵技術構建無人飛艇培訓與檢測基地，實現對無人飛艇11、在各種安全氣象條件下的飛行性能及信號防干擾等方面進行檢測，使得在作業應用中能利用這些經驗提前預警飛艇的不良狀態，回避風險；（2）應急措施研究關鍵技術考慮可能遇到的主要作業應急情況，在培訓場地進行演練，總結出經驗手冊，供實用參照；（3）服從低空航管的技術關鍵技術根據開放低空條件下的航管要求，研制適用于無人飛艇的空管應答機，實現與空管的技術對接。4）無人飛艇低空遙感數據處理軟件研發在測科公司現有的4個低空航測軟件基礎上，按本項目的任務目標，進行擴充和升級，成為可直接提供給用戶的軟件包產品。關鍵技術硬件系統各部分間時序誤差的精校正；寬角影像與Lidar點云的融合解算；大數據量的平差解算和圖像數據處理12、的GPU加速；用戶界面的精設計。5）無人飛艇低空遙感系統的高精度測繪應用示范工程綜合前面的硬件、軟件技術集成一個完善系統，在一個具體工程展示全過程技術，解決工程實踐中遇到的問題，形成生產作業工藝流程。最后，評估實施效果。關鍵技術綜合系統技術和工程現場實情的工程技術設計，全過程操作工藝流程設計，工程實踐中出現問題的解決方案，工程質量檢測技術，工程成果評估。6）無人飛艇低空遙感系統的智慧城市應用研究面向我們智慧城市建設的戰略目標，具體研究無人飛艇低空遙感系統應用的技術，及其與其他相關技術的銜接問題。關鍵技術城市哪些業務工作需要利用高精度測繪數據；基于城市建筑物景觀三維建模的三維電子地圖設計方案；城13、市社會公共安全與防災救災的低空遙感應用技術。2 創新點1) 找到并將通過本項目實驗進一步證實，無人飛艇是人口密集城區最安全的低空飛行器，最適合作為城市低空遙感平臺積十幾年研究經驗，反復比較了較大型的長航時固定翼無人機、輕小型固定翼無人機、無人直升機和微小型多旋翼無人機，可以確認，無人駕駛氦氣飛艇是人口密集等城區最安全的低空飛行器。而且，它飛得慢、飛得低，可以復雜航線飛行，可以懸停，又有一定的載荷量（520kg），這些特點正適合當前城市低空遙感要求的及時性、靈活性、高精細度、可現場懸停監測等技術性能。2）利用寬角影像相對定向的高精度補償慣導系統的精度不足，提升傾斜相機、Lidar、Video、紅14、外的精度水平，形成具有高精度優勢的低空遙感系統本項目的前期基礎是發明了自檢校組合寬角成像技術，研制成功可裝載于無人機的輕量級組合寬角相機。接下來，本項目將進一步利用寬角影像相對定向能取得比現有市場IMU（慣導）量測值更高的一個數量級精度的優勢，以校正IMU的累積誤差，從而將與之相聯接的傾斜相機、Lidar、Video、紅外的數據精度全部提升一個量級。3）面向智慧城市建設和北京市2812工程的目標，研究出一套適合當代城市需求的低空遙感系統項目組基于長期從事城市GIS專業的經驗，全面分析了當前北京市和全國大中城市在經濟建設、社會管理、環境保護、安全應急等方面的需求，以無人飛艇為飛行平臺，研制一個系列的任務載荷，適應高精細度和日常巡查、應急監測的工作任務需求，并形成設備產品，向全國輻射，帶動城市地理信息產業鏈的發展。