郭佳1 张天一2
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摘要：机场跑道毁伤的检测以及快速规划应急起降带并制定抢修方案在作战评估领域具有重要意义。针对该目标设计了基于无人机遥感技术的机场跑道毁伤检测修复评估系统。通过将无人机平台，激光雷达探测系统、地面控制系统及数据处理和分析系统结合，实现目标毁伤的三维可视化模型，依据弹坑分布和机场跑道毁伤情况，参照抢修标准自动规划应急起降带，同时自动计算修复应急起降带所需的各种数据，制定抢修规划方案。实测结果表明，该系统能合理的评估机场跑道毁伤情况并科学制定修复方案。对战时机场跑道快速修复具有重要意义。
关键词：激光雷达；点云处理；跑道毁伤；抢修方案
随着高精尖端武器的发展，在现代局部战争中夺取制空权对赢得战争胜利具有决定作用。而破坏机场跑道是最常见并且最有效的打击手段之一，因此战时机场跑道快速抢修是一项十分重要的工作。
本文基于搭载激光雷达探测系统的无人机平台，应用无人机遥感技术，从目标毁伤信息的采集，数据的分析，毁伤点可视化模型的建立到应急起降带规划和修复决策信息的制定，设计了一套完成的评估系统，为战时机场跑道快速修复提供科学有效的模型和数据支撑。
1.系统总体方案设计
1.1设计基本思路
利用挂载激光雷达探测系统的无人机对目标区域进行航测，对采集到的影像数据进行处理，得到测区正射影像；对毁伤后的点云数据进行降噪、滤波处理，和原始特征模型进行比对，确定毁伤位置，分布，计算毁伤体积等参数，并得到目标毁伤三维模型；并参照抢修标准制定抢修方案。
实现系统的重点和难点在于系统的集成、数据的采集、激光点云数据处理以及毁伤识别计算，这就要求系统在硬件集成的基础上和软件算法兼容。
1.2系统组成：
系统组成结构图如图1所示，由无人机平台、激光雷达探测系统、地面控制系统和数据处理分析系统组成。
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1.2.1无人机平台
主要用于搭载激光雷达和可见光航摄相机，由机架、动力系统、飞行控制系统、导航系统、电池和通讯电台等组成。
1.2.2激光雷达探测系统
主要用于采集目标区域点云数据，由可见光航摄相机、激光扫描系统、全球导航定位系统（GNSS）、惯性导航系统（INS）以及存储系统等组成。
1.2.3地面控制系统
主要应用完成与无人机平台的指令交互和信息传输，由PC机和遥测链路模块组成。
1.2.4数据处理和分析系统
主要用于处理和分析基于LiDAR系统所采集的影像数据和点云数据，由配套软件和数据处理工作站组成。
2.系统硬件设计与实现
2.1设计方案
系统的硬件部分由无人机平台、激光雷达探测系统、数据处理工作站等部分组成。各系统集成后的功能关系如图2所示，其中，无人机平台通过数据链路模块实现对激光雷达探测系统的控制与管理，数据处理系统用于对激光雷达探测系统采集到的数据进行预处理操作。
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2.2技术途径
2.2.1无人机平台
根据要求，系统需具备小范围精确采集能力即可，因此，选用多旋翼无人机飞行测量平台。
作业时的飞行速度约6m/s—10m/s，作业高度30m—100m，一架次可获取2km2的测区数据。
2.2.2激光雷达探测系统
激光雷达探测系统主要是将激光雷达扫描仪、可见光相机、组合惯导、嵌入计算机等部分集成为一体，实现数据共享。其中，激光雷达扫描仪用于采集激光点云数据，可见光相机用于采集影像数据，组合惯导用于采集机载GPS数据及POS信息。
2.2.3数传模块
无人机数据链按照传输方向可以分为：上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站到无人机遥控指令的发送和接受，下行链路主要完成无人机到地面站的遥测数据以及红外或可视图像的发送和接收，并根据定位信息的传输利用上下行链路进行测距。工作原理图如图3所示
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遥测数据链采用具备扩/跳频功能的大功率数传电台作为多旋翼无人机的数传模块，以保证飞行信号强度和链路可靠性。
3.软件系统设计与实现：
3.1 设计方案
软件系统包括激光点云与影像数据处理子系统、目标毁伤评估子系统和数据管理子系统三部分，系统总体架构如图4所示。
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其中，激光点云与影像处理子系统用于对原始激光扫描数据和原始影像数据进行轨迹解算、点云处理及影像拼接等操作，得到标准las数据和正射影像数据；目标毁伤评估子系统利用处理好的点云进行自动化损毁评估分析，自动测量评估目标场区内损毁的数量、尺寸、位置，拟定应急起降带抢修方案，自动提供关于道面抢修相关的决策信息；数据管理子系统负责实现数据的读取写入、存储、查询、维护等功能。
3.2技术途径
3.2.1 激光点云数据处理子系统
3.2.1.1激光点云数据纠正与处理
激光点云数据的处理流程如图5所示。
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具体过程如下：
1）进行数据准备，即采集IMU数据、静态数据、机载GPS数据、激光扫描数据等。
2）将基站GPS数据和机载GPS数据联合进行轨迹分析，得到轨迹解算数据。
3）将该轨迹解算数据与IMU数据进行联合解算，并利用POS数据进行校准。
4）利用该数据解算点云，得到每个时刻数据点的准确位姿信息。
5）将信息整合起来得到激光扫描仪轨迹数据，进行激光点的大地定向。
6）利用各控制点进行数据精度校验，并按照既定场景需要的坐标系进行坐标转换。
7）生成las格式的点云数据文件。
3.2.1.2 数字正射影像图（DOM）生成
无人机生产DOM技术在最近十多年取得了长足的发展，各方面均很成熟。本系统中利用可见光相机的获得的高清相片，进行外方位元素计算、空三加密、影像匀色、影像镶嵌，完成DOM制作
3.2.2毁伤评估子系统
基于处理完毕的点云数据，利用ArcGIS Engine组件进行二次开发，通过差值计算、分类、栅格转面等操作，进行毁伤的识别，提取，三维模型的创建以及属性测算，然后进行应急起降带的自动规划，并结合抢修标准，制定抢修方案。
3.2.3数据管理子系统
数据管理子系统是数据处理与分析的基石，主要功能包括：成果入库、数据浏览、数据检查、数据查询、数据删除、数据备份、数据恢复、数据统计等功能。
4.实测分析
在某机场进行系统整体功能和性能实地测试。通过对已存在毁伤点的目标区域进行巡航扫描，采集三维激光点云数据，处理后与数据库中目标区域的原始模型进行叠加比对，识别毁伤点。然后提取、计算损伤点属性，生成三维可视化模型，如图6-a所示；依据毁伤分布和毁伤情况，参照抢修标准自动规划应急起降带，如图6-b所示；结合毁伤具体情况以及应急起降带位置，自动计算修复毁伤的相关数据，制定抢修方案，如图6-c所示。
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5.结束语
建立机场跑道毁伤检测修复评估系统，对目标毁伤进行客观、准确的评价，对跑道毁伤修复具有重大意义。随着无人机遥感技术的不断发展 为目标毁伤效果评估提供一种有效的技术手段。本文从硬件和软件两方面详细阐述了机场跑道毁伤检测修复评估系统的设计与实现，将无人机平台、激光雷达探测、图像显示技术以及数据处理技术结合起来，并依托机场跑道抢修标准实现应急起降带自动规划及抢修方案制定。对指挥员评估、决策具有重要辅助作用。
参考文献
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