配备Allied Vision相机的无人机在防洪与海岸防护领域的应用

德国布伦瑞克工业大学正在开发一款辅助救灾人员的自动侦察系统,其主要部件是携带Manta G-917的无人机“Hugin”。

Automated reconnaissance system with unmanned aircraft and ground-based system

Drone "Hugin" with a Manta G-917 on board

近年来,因暴风雨导致的洪涝灾害明显增加。短时强降雨所带来的大量降水会导致许多地区下水道排水能力过载,水体将漫过河岸,往往有着极大的破坏性并带来灾难性后果。现场急救人员因此需承担尽快协调救援和防护的任务。然而,受影响的地区往往无法进入,同时伴随着各种棘手状况。空中的实时数据和图像与地面情况的传感器数据将为急救人员提供有价值的信息,从而对最需要谨慎对待的地方进行干预。

为此,布伦瑞克工业大学飞行制导学院的工程师Martin Becker、Simon Batzdorfer和Markus Bobbe以及移动机器及商用车辆学院的Jan Schattenberg、Hannes Harms和Julian Schmiemann针对这一课题开发了一套自动化探测系统。这一项目得到了DLR航天局支持,并通过联邦经济与能源部为之提供了大约100万欧元资金,以帮助工程师们与德国阿恩斯贝格的AirRobot公司共同完成这一探测系统的制造工作。这一探测系统中的关键在于利用自动化无人机在洪涝等灾害严重地区进行的航拍记录。通过航拍系统与地面系统的结合,可以收集与受影响地区相关的信息,从而帮助受影响地点的急救人员。这样,在一张地图上即可标注所有从空中和地面收集的数据,并提供给急救人员。

 

用于快速救援的高分辨率航拍图像

无人机“Hugin”搭载了Allied Vision Manta相机,实现了空中图像传输。项目组对无人机的命名也有着特殊的寓意。在挪威神话中,Hugin是奥丁的一只乌鸦,它受命飞行于地球上空,报告它所看到的一切。Allied Vision的GigE Vision Manta G-917相机充当了无人机的眼睛。这款相机配备了1英寸的 Sony ICX814 CCD传感器,采用了EXview HAD II技术,分辨率高达9.2 M像素。这款传感器的与众不同之处在于其出色的图像质量和极高的分辨率,可以对地面物体进行细微的检查。Manta相机在提供高分辨率的同时保持着极低的重量,这对于系统的开发人员而言十分重要。此外,另一个重要的因素为是否支持以太网连接,以及是否支持全局快门。Hugin应尽量减少额外重量,从而尽量减少对操作时间的干扰。根据不同的外部条件,Hugin在不充电的情况下最多可在空中停留30分钟。Hugin通过其命令链路进行安全通信,在一公里范围内可保证通信质量。无人机配备了基于位置数据的控制系统,即使在极苛刻的环境条件下也能对预定路线进行安全导航,最高速度可达12m/s。

在飞行过程中,根据不同的应用,通常从100米的高度对单个图像进行记录。随后,对所有拍摄的图像进行处理,生成整个应用区域的连续概览。得益于相机的自动照明修改/曝光调节功能,即便光线条件不断变化仍可实现可控拍摄。由于综合图像预处理(即图像优化、光线校正、白平衡、色彩校正、去噪、抽取)发生于相机内部,蕴含大量信息的二维图像将被传输到地面基站中。此外,自主开发的本地通信网络实现了基于不同通信技术的针对性信息交换。在灾难性事件中,急救人员可以利用这些图像更好更快地评估对应状况。由于他们能够看到必须采取或加强保护措施的地方,因此可以发起必要的后续工作。在紧急情况下,系统运行必须快速直观。该系统仅需几个参数就能确定飞行路径,因此,急救服务人员只需花费最少的精力就能对无人机进行操控。急救小组组长可以在系统地面站轻松选择飞行区域。随后,飞行计划将被自动执行,包括所有必须的参数(例如镜头的打开角度),从而确保获取的图像在摄影测量处理中有着最小的重叠。无人机将沿着飞行路径自动飞行,而(实时)图像评估也将被自动触发。在地面站内,用户可以指定实际驾驶的无人机并选择数据流。通过这种方式,数据流将被实时提供给用户,包括空中图像或其它传感器数据。

 

成功实测

Stadtentwässerung Braunschweig公司在2017年夏天遭遇了严重的洪水,迫切需要有关流经城市的奥克河附近的水位信息。他们通过布伦瑞克消防部门联系到布伦瑞克工业大学寻求帮助。随后,一个特别危险的区域(从Eisenbütteler Wehr到Volkswagen Halle)受到了监测并被记录在各种航拍图像中。因此,Stadtentwasserung公司不仅了解了洪水的传播途径,而且还可以追溯在1994年洪水期间所采取的保护措施现在是否已得到强化。

 

基于这些图像,可以做出重要决策并解答一些重要问题,例如:是否需要发出警告?是否需要封锁区域?哪些位置需要布放沙袋?还可以通过哪些路径进入这些区域?今后,Braunschweig Stadtentwässerung还希望利用布伦瑞克工业大学的这套系统对防洪措施进行长期观测,并评估预测模型。

 

在另一个应用案例中,布伦瑞克工业大学研究小组在海岸防护领域对Hugin进行了成功的测试,在北海南部朗格奥格岛的东弗里西亚群岛的一座立交桥上拍摄了沙丘和堤坝的航拍照片。其中一项引起特别注意的事项是当时正在进行的海滩养护。在一次浪涌过程中,多张航拍照片清楚地向当地海岸防护部门展示:在未完成海滩养护的区域,海浪会非常接近沙丘;与此同时,当额外用沙子加高海滩后,海浪则会远离沙丘。

 

布伦瑞克工业大学的工程师们已经在研究该系统的其它应用领域以及可以改进的地方。例如,通过无人机搭载热成像相机,从而完成摸黑搜寻受伤人员等任务。