51.基于地理信息的“航空+”业务系统技术研究与应用.pdf

基于地理信息的“航空+”业务系统技术研究与应用 2019 年 3 月，李克强总理所作的《2019 年政府工作报告》中指 出，要加大民用和通用航空等基础设施投资力度；11 月，在主持中 央政治局第十九次集体学习时，习近平总书记指出，要加强航空应急 救援能力建设，完善应急救援空域保障机制。随着国家及地方在通用 航空领域给予的政策支持及战略规划布局，通用航空作为一种先进的 生产工具和技术手段，在我国经济和社会发展中起到了举足轻重的作 用，尤其在民用无人机产业，实现了中国制造向中国创造的转型。 地理信息产业，作为高技术产业、现代服务业和战略性新兴产业， 已成为国民经济发展新的增长点。根据中国地理信息产业发展报告 （2019）,我国地理信息产业产值为 5957 亿元,同比增长 15%，地理 信息产业已进入高质量发展转型阶段。 基于上述背景，中绘云图信息科技有限公司和福建图宇燎原信息 技术有限公司项目团队以“航空护林”业务为切入点，融合地理信息、 下一代互联网、移动互联网、物联网、云计算等新技术，提炼形成技 术方案，研发“航空+”业务系统，创新基于地理信息的“航空+”服 务模式，推动地理信息科技进步，提升行业业务应用信息化水平。 项目的研究内容主要分为以下四个部分：“航空护林”业务需求 分析、关键技术研究、 “航空+”业务系统研发和产品应用推广。项目 成果包括：软件产品成果 7 套、软件著作权成果 6 件、项目文档成果 等。 在成果推广方面：地区上， “航空+”系列产品已在福州市、天津 市、漳州市、莆田市、泉州市、平潭综合实验区 6 个地区推广使用或 试用中，其中包含 2 个省级用户单位、3 个市级用户单位以及 1 个县 级用户单位。行业上， “航空+”系列产品相续推出了航空护林指挥调 度综合管理系统、航空农事一体化平台、航空巡检 GIS 系统、航空消 防一体化平台、通航 GIS 综合管理平台、中海油 NDB 管理平台等，满 足了农业、林业、消防、电力等部门对“航空+”业务系统的需求。 随着项目成套关键技术的沉淀、系统研发的持续投入以及“航空 +”系列产品的推广使用，在涉及到林业、农业、电力、消防等行业 的政府部门、企业用户通过通用航空与地理信息的集成应用，避免了 以往项目实施的流程贯通难、航空成果孤岛等各类难题，节约了经费 投入，降低了生产成本，提高了自身的工作效率， “航空+”系列产品 具有广阔的市场推广前景，特别是 5G 技术的商用拓展，将进一步深 化市场应用，成果将推广到更多的行业。" "1.立项背景 目前，我国通用航空事业的发展仍然处于初级阶段，行业业务应 用不够深入，特别是在应急救援领域，加之技术尚不成熟等客观现实 问题的存在，使得各行业在面对突发危机事件时，保障不够及时、不 够精确、不够全面。如何融合地理信息、下一代互联网、移动互联网、 物联网、云计算等新技术，解决诸如应急救援、医疗救护、森林防火 中“最后一公里”的难题是我国通用航空事业的关键问题。 以森林防火为例，2020 年 3 月 28 日四川凉山发生森林火灾，在 抗击火灾过程中，有 18 名专业扑火队队员和 1 名向导牺牲，3 名扑 火队员受伤。而距离 2019 年凉山火灾 3.30 事件，仅仅过去一年，在 那场大火中 30 名扑火员牺牲。除此之外，还有 2018 年美国加州森林 火灾、2019 年的澳大利亚火灾，不仅是造成人员伤亡、财产损失， 还会影响地区和全球气候变化和生态系统的生物多样性。传统的人工 巡查和管理方式效率低、损失重。航空护林以其机动灵活性发挥“发 现早、行动快、灭在小”的优势，已成为森林防火中独特的、不可替 代的手段。 项目团队以“航空护林”业务为切入点，分析“航空护林”业务 需求，解决诸如通用航空飞行综合保障、基于位置定位及融合通信的 实时数据回传、飞行数据处理与集成、应急指挥调度等关键问题，开 发“航空+”业务应用系统，推出“航空+”系列产品，如航空护林、 航空农事、航空巡检、航空消防等，并应用到农林、环保、水利、电 力、公安、消防等政府信息化工作中，创新基于地理信息的“航空+” 新型服务模式，进一步提升行业的通航业务应用信息化水平，推动地 理信息产业做强做大，对于促进我国产业结构调整与经济转型，实现 高质量发展具有重要的战略意义。 2.科技含量 （1）总体思路 项目团队通过深入分析“航空护林”业务需求，得出通用航空飞 行综合保障、数据处理与管理、图传接收移动观察、通用业务管理、 地理信息辅助决策、航空指挥调度、无人机应急指挥、航空护林 APP 等航空护林业务需求点。结合“航空护林”业务需求，融合地理信息、 下一代互联网、移动互联网、物联网、云计算等新技术，研究“航空 +”地理信息关键技术，提炼通用航空飞行综合保障、飞行数据处理 与集成、分布式云存储与按需服务、大规模虚拟场景的组织管理与实 时绘制等关键技术点，在此基础上提炼形成系统技术方案，研发“航 空+”业务系统，包括通用航空飞行综合保障子系统、数据处理与管 理子系统、综合业务管理子系统、地理信息辅助决策子系统、应用支 撑子系统和“航空+”APP 六大应用子系统。推出“航空+”系列产品， 如航空护林、航空农事、航空巡检、航空消防等，并应用到农林、水 利、电力、消防、测绘等行业信息化工作中，创新“航空+”GIS 的 新型服务模式，推动行业应用。 （2）技术方案与创新成果 在总体思路的基础上，将“航空+”业务系统应用作为一个整体 进行规划，采用分层设计思想，实现“数据、管理、服务、应用相对 分离”的总体架构。 1）系统功能设计 包括通用航空飞行综合保障子系统、数据处理与管理子系统、综 合业务管理子系统、地理信息辅助决策子系统、应用支撑子系统、 “航 空+”APP 等。 ①通用航空飞行综合保障子系统 通用航空飞行保障系统保障通用飞机安全飞行、顺利完成作业任 务，实时掌握通用飞机待飞情况、飞行状态、飞行轨迹、机器余量等 信息。 ②数据处理与管理子系统 Ⅰ图传接收子系统 通过无线图传系统获取飞机当前的位置、姿态、连接状态、电量 及速度等数据，并对各类数据和相关业务数据依照相关要求进行处理、 加工、统计、分析。 Ⅱ业务数据库管理 数据库管理是系统建设的核心，包括基于空间数据、基础地理信 息数据、专题数据、业务数据、方法或模型数据。 ③综合业务管理子系统 Ⅰ通用业务管理 实现通用业务的统一管理，涵盖无人机和有人机的采购、入库、 列装、使用、维修等环节，还包括航线设计、飞行申报、飞行指挥调 度、飞行日志、数据采集与传输、报表统计、图表展示、影像信息共 享等功能。 Ⅱ行业应用——以航空护林为例 结合不同的行业需求，推出“航空+”系列产品。以航空护林为 例，在通用板块的基础上，增加护林业务模块，如林区巡逻、火情侦 察、机降灭火、林区照相、资源勘探、森林病虫害防治、野生动物保 护以及火烧迹地播种造林等。 ④地理信息辅助决策子系统 建设卫星影像和二维、三维电子地图，叠加地理信息数据、移动 业务终端采集的图像视频数据、专题数据等，生成行业专用的地理信 息辅助决策子系统，为指挥调度提供基础支撑。 ⑤应用支撑子系统 应用支撑子系统是一个信息的集成环境，是将分散、异构的应用 和信息资源进行聚合，通过统一的访问入口，提供一个支持信息访问、 传递、以及协作的集成化环境。 ⑥“航空+”APP Ⅰ对于数据采集功能的移动终端，具有图像、视频的采集、上传 功能，能与管理系统进行集成； Ⅱ手持移动终端 APP，面向业务人员使用，主要进行实时定位、 巡护轨迹记录以及图像视频拍摄等，满足指挥调度、航空巡护等工作 的需要。 2）关键技术 ①通用航空飞行保障 在航路飞行中，通过 GPS 接收位置数据实时在 GIS 电子地图上显 示飞机飞行具体方位，通过 ADS B 接收临近飞机的数据信息，同时显 示在 GIS 电子地图上，利用 GIS 的缓冲区分析技术和通用飞机冲突探 测模型建立飞机圆形缓冲区，判断是否与其它飞机存在冲突碰撞隐患， 及时在 GIS 电子地图上加亮显示，为飞行员提供直观告警提示，并伴 随语音告警，避免冲突事故。 ②飞行数据处理与集成技术 飞行数据包括实时定位数据、飞行姿态数据、搭载传感器实时数 据等。由于每种报文都涵盖用户想要传输和获取的数据信息，所以对 报文的有效处理至关重要。无论对哪种格式的报文进行解析处理，实 质都是对报文内的字符以及字符串的识别、配对和处理过程。在分析 传统编程解析、基于人工智能的处理方法以及正则表达式解析法，提 出基于正则表达式的模式匹配算法解决飞行数据处理与集成。 ③分布式云存储与按需服务技术 航空应用的三维几何模型和相关的地理数据、多媒体数据，将是 海量的、与地理位置关联的大数据集，需要考虑采用分布式存储。基 于云的地理空间数据存储和按需服务，提供了新的解决途径。 ④大规模虚拟场景的组织管理与实时绘制技术 基于三维实体模型的“航空+”业务应用系统，涉及到大规模海 量虚拟场景的组织管理与实时绘制技术。需要利用 LOD 优化算法、八 叉树和层次包围盒、线性方程测试预裁剪等技术解决大规模航空三维 场景的组织管理，需要利用 GPU 机制和技术解决实时渲染大规模航空 三维场景的动态和真实感效果。 （3）实施效果 项目总投资 1153.8 万元，目前项目成果已推出航空护林、航空 植保、航空巡检、航空消防、航空测绘等行业应用产品，成果已经应 用到福建省航空护林总站等部门，产生直接经济效益约 2873.16636 万元，预计间接经济效益 16929 万。 3.创新点 （1）创新内容 ①基于位置定位及融合通信技术的实时数据回传机制 通过 GPS/BDS 定位技术，实现通用航空巡护的实时位置感知；基 于通用航空无线通信、Socket 通信等融合通信技术，实现对通用航 空器的实时轨迹跟踪；同时结合流媒体技术实现移动智能终端多媒体 采集数据实时回传到指挥平台，为后台指挥管理提供实时数据支持。 ②基于多源传感器的“航空+”智能决策模型 基于红外热感成像、纳米波滤光穿透等技术，集成多源多类型的 传感器，获取丰富的传感器数据，通过高精度、高复杂度的深度学习 算法，实现自动检测、识别，依托 Hadoop 数据存储，Spark 分析计 算建立“航空+”智能决策模型，为应急救援、防灾减灾等业务提供 辅助决策。 ③基于视觉即时定位与地图构建技术的无人机快速三维重建 即时定位与地图构建技术是机器人在未知环境下自主作业的核 心关键技术，为机器人构建周围环境图，同时提供机器人在环境图中 的位置，并随着机器人的移动而进行环境图的增量式构建与机器人的 连续定位，是实现机器人环境感知与自动化作业的基础。视觉即时定 位与地图构建以增量式方式进行特征点的追踪，并引入局部影像网平 差技术处理序列图像，快速获取影像的位姿参数，实现了实时定位， 并具有高效制图能力。将即时定位与地图构建序贯处理方法引入无人 机三维重建中，获取无人机序列影像的初始位姿信息，建立图像匹配 优先度队列，并采用 ORB 特征描述子有效减少匹配计算量，依据影像 GPS 定位结果校正制图结果，结合视差图融合方法快速获得三维重建 结果，实现无人机影像快速三维重建。 （2）创新成果 软件著作权成果 6 项，其中著作权人为中绘云图信息科技有限公 司 2 项，著作权人为福建图宇燎原信息技术有限公司 4 项。 ①二三维一体化地理信息应用平台软件 V1.0 ②农林二三维地理信息管理系统 V1.0 ③农业智能化物联网监管系统 V1.0 ④地理信息应用管理系统 V1.0 ⑤三维可视化管理系统 V1.0 ⑥地理信息系统应用管理平台 V1.0 实用新型专利 2 项： ①一种二三维规划、统计、展示、分析、应用地理信息系统 ②一种集成大数据接入、存储、分析、可视化的云端平台 4.国际比较 通用航空技术在国内外各领域的应用广泛。在军事领域，可以起 到侦查卫星、空中预警、军用战斗等功能；在民用领域，例如，城市 管理、农业建设、地质勘查、气象监测、抢险救灾等，与传统的人力 相比，效果显著。 在通用航空应用遍地开花的热闹景象背后，存在着应用模式不 够多样化和灵活化，脱离行业需求，可操作性不强等现实问题。就地 理信息行业来说，其实“通用航空+GIS”远不等于航测。“通用航空 +GIS”应以 GIS 行业应用为出发点，通用航空的作用不局限于航测， 而是作为信息采集平台。相对于其他“通用航空+GIS”产品， “航空+” 地理信息系统具有以下几个方面特色： （1）快速低成本的获取各类基 础数据和应用数据成果，采取“一张图”的理念，将地理信息数据和 行业业务数据融为一体，可完成行业可视化管理和智能化操作； （2） 通用航空数据获取、处理、显示管理以及通用航空器维护的一站式智 能 AI GIS 系统：包括支持有人机、无人机等种类丰富的飞行平台、 满足各种应用需求的航线模式、支持真三维地形数据的精准三维航线 规划、三维实时飞行监控、快速的飞行质检、丰富的数据处理工具箱、 稳健的精度控制和自动成图、可视化的监控中心、以及系统升级、智 能维护、信息推送等云服务； （3）系统具有丰富图像分析和统计分析： 对通用航空器采集的倾斜摄影数据、低空多光谱遥感数据、定位数据 等进行分析，可以用于洪水灾害模拟、危险源识别、路线规划等多领 域，同时，通用航空器产生的大量数据，生成的三维模型数据必定会 促进二维地理数据库转向三维。二维地图将向信息更加丰富的三维方 向转变。 （4）根据不同行业定制模块：包括巡检模块、消防救援模块、 环保监测模块、护林模块等，满足各行各业需求，增强可操作性。" " 在地区上， “航空+”系列产品已在福州市、天津市、漳州市、 莆田市、泉州市、平潭综合实验区 6 个地区推广使用或试用中，其中 包含 2 个省级用户单位、3 个市级用户单位以及 1 个县级用户单位。 在行业上， “航空+”系列产品相续推出了航空护林指挥调度综合 管理系统、航空农事一体化平台、航空巡检 GIS 系统、航空消防一体 化平台、通航 GIS 综合管理平台、中海油 NDB 管理平台等系列产品， 满足了农业、林业、消防、电力等部门对“航空+”业务系统的需求。 在效益上，“航空+”系列产品已累计签订合同额约 2873.16636 万元，约 6 个用户出具了用户使用报告或使用说明，系统使用操作简 单、功能丰富、性能稳定，能够很好地满足用户的指挥调度、应急抢 险、防灾减灾、巡检等需求，取得了良好的经济效益和社会效益。随 着我国通信技术的迅猛发展，5G 技术的商用拓展，未来基于通用航 空+GIS 的“航空+”系列产品将不再受到信息传输限制，市场将进一 步深化，成果将推广到更多的行业。 目前已产生的成果和推广应用情况如下： （1）软件产品成果 “航空+”—航空护林指挥调度综合管理系统； “航空+”—航空农事一体化平台； “航空+”—航空巡检 GIS 系统； “航空+”—航空消防一体化平台； “航空+”—通航 GIS 综合管理平台； “航空+”—中海油 NDB 管理平台； “航空+”—航空测绘。 （2）软件著作权成果 ①二三维一体化地理信息应用平台软件 V1.0； ②农林二三维地理信息管理系统 V1.0； ③农业智能化物联网监管系统 V1.0； ④地理信息应用管理系统 V1.0 ⑤三维可视化管理系统 V1.0； ⑥地理信息系统应用管理平台 V1.0。 （3）专利成果 实用新型专利 2 项： ①一种二三维规划、统计、展示、分析、应用地理信息系统； ②一种集成大数据接入、存储、分析、可视化的云端平台。 （4）项目文档成果 项目需求规格说明书； 项目概要设计书； 项目详细设计书； 项目数据库设计说明书； 项目部署手册； 项目用户使用手册。 （5）推广应用 ①系统类型：福建省航空护林指挥调度综合管理系统（林业无人 机影像管理平台） 使用部门：福建省航空护林总站 证明材料：福建省航空护林指挥调度综合管理系统（林业无人机 影像管理平台）验收意见 ②系统类型：航空农事一体化平台 使用部门：福州陆海工程咨询有限公司 证明材料：航空农事一体化平台应用证明 ③系统类型：航空巡检 GIS 系统 使用部门：福建畅翔智能科技有限责任公司 证明材料：航空巡检 GIS 系统应用证明 ④系统类型：航空消防一体化平台 使用部门：福州博力科技有限公司 证明材料：航空消防一体化平台应用证明 ⑤系统类型：通航 GIS 综合管理平台 使用部门：福建北斗空间信息科技有限公司 证明材料：通航 GIS 综合管理平台应用证明 ⑥系统类型：中海油 NDB 管理平台 使用部门：中海油天津分公司 证明材料：中海油 NDB 管理平台验收意见 ⑦系统类型：航空监测数据平台 使用部门：福建省地质调查研究院 证明材料：航空监测数据平台应用证明" 1、提升行业业 务体系品质，提高工作效率，推动行业技术的更新与进步；2、创新 地理信息服务模式，构建融合“航空+”业务后的社会化服务新业态， 对促进行业产业结构调整与经济转型有重要的战略意义；3、合理规 划路径保护自然资源和生态资源环境；4、创新通航科技助力社会应 急安全保障；5、实现数据快速收集与动态管理，有助于提升政府部 门工作效能，为政府部门管理决策和生产经营活动提供更加完善的数 据服务。 " 项目综合应用地理信息、北斗导航定位、移动互联网、 物联网、云存储等新一代技术，研发了包含通用航空飞行综合保障、 数据处理与管理、综合业务管理、辅助决策、应用支撑、 “航空+”APP 等功能模块的“航空+”业务系统，创新了基于地理信息的“航空+” 服务模式，推动了地理信息科技进步。 综上所述，我单位同意推荐该项目申报地理信息科技进步奖 一 等奖。"