基本信息
- 项目名称：
- 基于无人机航测数据分析的灾后救援系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 无人机的空中飞行优势，使得其在人员无法靠近的灾区救援中发挥了重大作用。为此，本作品设计并实现了以可移动空中支架模拟无人机，沙盘模拟航测区域的无人机航测图像分析处理实体模型，实现了多尺度分层拼接的全景及细节图像重构，场景的三维地貌重建；给出了无人机的系统导航及地面指挥导航两种模式，以适应救灾需求；实现了地面目标的空中查找等功能。通过对航测数据的分析处理，为救援人员提供及时有效的信息。
- 详细介绍：
- 无人机的空中飞行优势，使得其在人员无法靠近的灾区救援中发挥了重大作用。为此，本作品设计并实现了由模拟无人机的加载摄像头的可控移动空中支架，以及模拟现场的沙盘构成的无人机航测图像采集及分析处理实体模型。 系统对无人机航测数据的分析处理包括了无人机的航测图像全景图及局部区域细节图形的重构，场景的三维地貌重建，无人机的系统导航及地面指挥导航两种模式，以及地面目标的空中查找定位等功能。 无人机的航测图像全景图及局部区域细节图形的重构采用了多尺度分层拼接的方法完成，对大视场的数据采用降采样方式重建，最大限度地获取航测区域的全景概貌图像；对指定区域，由视频关键帧采用保采样方式重建，确保重建图像具有较高的清晰度，视频关键帧由数据库进行管理，根据指定区域的位置信息进行调用；对重点关注区域，采用超分辨率重建方式重建，以对重点区域的细节信息进行清晰化增强处理。 场景的三维重建，则通过在空中支架上加载微波测距传感器模拟无人机的高程检测装置，获取沙盘上目标的三维信息并进行重建，以获得现场的地形地貌，以及灾区出现的动态变化的塌方等信息。 无人机的系统导航由系统指定路线盘旋航测，无人机根据系统给定的路线飞行并返航；地面指挥模式，则由无人机实时检测指定的可移动的目标实现相应的导航移动。 地面目标的空中查找定位，实现了能够适用于复杂的地形的目标检测方法，以检测在复杂地形中散落的物质，失踪的目标等。在检测定位到目标之后，根据无人机所在当前位置，发送相应的信息给系统，以及救援人员所持的无线手持信息终端，以便实施及时救援。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计目的: 针对无人机可进入人无法靠近的灾区现场的优势，本作品设计并实现了基于无人机数据分析的灾后救援系统，完成对航拍视频的全景与细节的图像重建，场景三维重建，无人机导航模式，以及地面目标查找等智能化处理。 基本思路： 1）场景重构 采用降采样方式重构航拍区域的全景概貌图；采用保采样方式重构指定局部区域的高清图；采用三维重建方式重构航拍区域的三维地形图。 2）无人机的导航模式 设计系统导航与地面导航车进行导航两种模式，引导无人机的灵活飞行，以便及时提供相关信息。 3）重点区域的图像清晰化 采用超分辨率重建技术，对重点区域细节实现清晰化增强。 4）地面目标的搜寻与通信 设计适用于复杂的地形的视频静态目标的检测方法对地面目标进行查找，并将查找到的目标信息发送到无线手持信息终端。 创新点： 1）降采样与保采样结合的航拍区域的图像拼接方法 降采样方法可最大限度地获得大视场的全景概貌图；局部区域的关键帧图像保采样拼接可获得高清的局部区域图。 2）无人机导航方法 采用了系统导航与地面指挥车辆导航两种模式的切换，可实现地面指挥与无人机飞行的互动。 3）超分辨率重建可获取重点区域的细节清晰化。 4）三维重建技术估算山体的塌方量。 技术关键： 实体模型制作；多尺度图像重构；复杂环境下目标检测与跟踪；三维重建。 主要技术指标： 实时重构大视场的多尺度全景概貌图；重点区域的超分辨率重建；动背景下检测跟踪目标；场景三维重构；散落目标的查找。
科学性、先进性
- 本团队通过网络查询、专家咨询、项目查新等方式进行了全面的调研，总结本作品的科学性及先进性如下。 科学性： 1）全景图的二维与三维重建 以降采样方式对视频帧序列拼接获取全景概貌图；调用数据库的关键帧图像，完成局部区域的高清拼接；采用超分辨率重建对重点进行清晰化处理；加入区域的高程信息，构建三维地形图；为救援指挥提供全面的信息。 2）目标检测与跟踪 根据对地面移动指挥车辆的检测与跟踪获得的信息，实现无人机的地面目标导航方式。 3）地面目标的搜寻与通信 对散落或失踪于复杂地形中的目标查找；利用无线传输技术发送信息至搜救人员的手持终端，便于及时救援。 先进性： 1）作品完成的多学科知识综合的先进性 本作品综合了机械设计、自动控制、模式识别等多个领域的知识，实现了模拟无人机与地面目标的交互，信息处理等功能。 2）无人机航测数据有效分析的先进性 可选择获取航测区域的多尺度全景图、3D地形图、并能根据需要对指定运动目标进行跟踪和对散落在复杂地形中的静止目标进行查找。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年11月，获西安理工大学自动化与信息工程学院，第十八届“理奥杯”科技节特等奖。 2010年11月，获西安理工大学第十九届大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。 2011年6月，获第八届西安高新“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 系统整体技术或部分核心技术的技术转让。
作品可展示的形式
- 实物、模型、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 用户可携带笔记本电脑，接收本系统传送回的航拍视频数据，进行即时处理。通过选择界面上对应的按钮,完成对应的功能。 技术特点和优势： 本系统的特点与优势是构建了模拟无人机航测的实体模型，对采集到的视频信号的处理，可获得多尺度分辨率的图像拼接与智能化处理。 推广前景： 无人机在几次大的救援中的作用是有目共睹的，本系统旨在更充分地发挥无人机的作用，使无人机发挥的作用不仅是航拍，更能对数据进行实时的智能化处理，为灾后的救援和重建提供准确、可靠的信息，满足提高救灾高度集成化、智能化处理的发展需要。 本作品还可延伸至用于国土资源勘测、土地荒漠化估计、民用航拍、遥感图像处理等诸多领域。 市场分析和经济效益预测： 利用无人机的实时动态监测、精确数据采集优势，加载本系统的核心软件，可在搜救、营救等场合提高无人机的智能性。将系统核心部分分离出来，可应用于更多的领域。 在良好的推广前景下，发展无人机航测数据的智能化处理系统，蕴藏着巨大的市场和经济效益。
同类课题研究水平概述
- 近10年来，无人机一直是一个非常活跃的研究领域，小型无人机具有在狭小空间和复杂环境中垂直起降和悬停等能力。无人机用于救灾已经成为发达国家和发展中国家应急救援体系的重要组成，其快速的反应能力在抗灾、救援等工作过程中，发挥了巨大的作用。无人机在民用方面主要用于大型的救援中。美国运输部示范性地建立了基于无人机的遥感系统，将其应用于快速获取道路运输网络的图像，并对所得信息进行快速分析，应用无人机取得近实时遥感影像对地震后出现问题的道路、桥梁进行评估，用以快速确定震后救灾的路线。日本减灾组织使用无人机携带高精度数码摄像机和雷达扫描仪对正在喷发的火山进行调查，抵达人们难以进入的地区快速获取现场实况，对灾情进行评估。 中国是世界上自然灾害损失最严重的国家之一，统计显示，中国七成的大城市、半数以上的人口、七成五以上的工农业产值，分布在海洋、洪水、地震等灾害严重的地区。在一般年份，全国受灾人口约二亿人，因灾死亡数千人，农作物受灾面积四千多万公顷，直接经济损失超过两千亿元人民币。从一系列触目惊心的灾情数据中，我们不难看出，无人机的实时动态监测、精确数据采集、快速坐标定位等功能都可以为防灾减灾提供有力依据，为减少损失起到重要作用。2008年初，民政系统第一次把无人机航拍技术运用到我国南方雨雪冰冻灾害的救灾抢险行动中。以后分别在5.12特大地震、舟曲特大泥石流灾害和玉树地震等灾情的救援中发挥重要作用，国家测绘局、国家地震局等相关部门都非常重视无人机在灾后救援中所发挥的作用。 参看世界各地无人机在救援工作中的作用，都主要是进行航拍，以及简单的图像拼接。为此，研制一个对无人机航测数据进行深入分析，实现为灾后救援提供更有效、更全面、更及时且适应灾情动态变化的灾后救援系统，是形势所迫。
