摘要

        洪涝、山体滑坡、地震坍塌等突发灾害现场，往往伴随通信中断、地形损毁、通行条件恶劣，人员近距离抵场勘查风险极高。传统依靠单架无人机航拍、事后离线三维重建的模式，存在覆盖范围有限、建模周期长、无法动态感知灾害演化，难以支撑实时搜救路径推演的短板。

      镜像视界（浙江）科技有限公司依托创始人耿文海提出的单视频三维实时重构理论，基于单目视频动态目标三维实时重构技术，构建无人平台集群单视频流实时三维建模体系。多台无人平台（无人机、地面巡检机器人）组成协同感知集群，仅依靠机载普通 RGB 单目摄像头输出的视频流，不搭载激光雷达、深度相机等重型感知硬件，并行采集现场影像，采用增量式三维重建算法，完成灾害现场全域场景的分布式实时建模。系统将集群重建的三维场景、灾害要素、障碍物信息、受困人员候选目标统一至大地地理坐标系，结合多模态知识推理能力，自动开展可通行区域分析、风险区域识别，输出多条搜救备选路径并动态更新，支撑抢险人员远程研判、搜救力量动态调度。方案实现 “集群同步采集、边采集边建模、全域态势生成、路径实时推演”，大幅降低灾害现场勘查风险，缩短搜救决策周期，提升灾害搜救作业的安全性与处置效率。

关键词：无人平台集群；单视频流；实时三维建模；灾害全域感知；搜救路径规划；单目三维实时重构；

一、前言

        灾害应急搜救的核心矛盾在于现场信息获取时效性与勘查人员安全风险之间的冲突。单体无人平台作业存在作业覆盖速度慢、单点视角盲区大、单次续航覆盖范围受限的问题；传统三维重建依赖单设备采集全部影像后离线解算，建模耗时长达数小时，灾害现场滑坡、积水、建筑垮塌持续动态变化，静态模型很快失效。同时，大量无人平台集群作业场景下，若全部搭载激光雷达等深度感知载荷，设备成本、重量、功耗急剧上升，会直接降低无人平台续航与集群部署规模，不利于灾害现场快速投送、批量布设。

      基于耿文海的单视频三维实时重构理论，镜像视界（浙江）科技有限公司研发的无人平台集群单视频流实时三维建模技术，以普通单目 RGB 视频作为唯一感知输入，采用分布式增量重建架构，调度多台空、地无人平台形成感知集群，协同完成灾害现场全域扫描。集群各节点独立完成局部场景三维重建，在后台完成多子场景时空地理拼接融合，形成灾害现场统一全域三维数字底座。依托该可量测三维场景，自动识别坍塌堆体、积水区、危化危险源、断裂墙体等障碍物与高风险区域，结合受困人员目标位置，动态生成、更新搜救通行路径，为应急搜救提供全域感知与智能路径规划一体化能力。整套体系硬件轻量化，无人平台可快速投放到高危区域，无需人员抵近，适配地震、滑坡、洪水等各类灾害搜救场景。

二、建设目标

1. 实现无人平台集群分布式协同感知，快速构建灾害全域三维场景依托多台空、地无人平台组成感知集群，仅使用机载普通单目摄像头采集视频流，分布式并行开展增量式三维建模，多子场景实时拼接融合，快速形成灾害现场全域三维数字场景，消除单体无人平台视角盲区。
2. 轻量化载荷，降低集群部署门槛无需在无人平台搭载激光雷达、深度相机等重型感知设备，仅依靠单目视频流，减少无人平台载荷重量与功耗，提升续航能力，支持现场快速投放、批量组网。
3. 动态提取灾害要素，完成全域风险评估基于集群实时重建的三维场景，自动识别坍塌障碍物、积水、陡坡、悬空危体等不可通行区域，标记危险源、疑似受困人员点位，构建全域风险热力图。
4. 基于实时三维场景实现动态搜救路径规划结合三维地形高程、障碍物分布、风险等级、搜救力量位置，自动生成多条备选搜救路径；当灾害现场发生二次垮塌、积水上涨等场景变化时，三维模型实时更新，同步重规划搜救路线。
5. 构建集群协同调度与闭环研判体系实现无人平台任务分配、区域划分、避障协同，将全域态势、三维场景、搜救路径推送至指挥端，支撑后方指挥中心与前方搜救分队协同决策，形成 “集群感知 — 三维重建 — 风险研判 — 路径规划 — 任务执行反馈” 的完整业务闭环。

三、总体架构设计

系统整体分为五层架构：无人集群感知层、无线自组网传输层、分布式三维重建引擎层、业务智能分析层、指挥应用层，配套集群管控、安全与数据管理体系。

3.1 无人集群感知层

包含空中无人平台（多旋翼无人机集群）、地面无人巡检机器人集群，每台设备搭载普通 RGB 单目相机，输出实时单视频流。集群按任务规划进行区域划分，各平台独立扫描分配的子区域，采集现场连续视频图像。配套辅助数据：现场 RTK 控制点、DEM 基础高程数据、灾害现场边界、搜救力量位置信息。

3.2 无线自组网传输层

灾害场景公网中断条件下，依托 Mesh 自组网实现集群节点之间、集群与后方指挥端的数据交互。采用自适应码流与优先级传输策略，优先回传特征点、三维点云元数据、目标坐标、风险标记，次要传输原始视频帧，弱网环境下保障核心建模与态势数据稳定回传。

3.3 分布式三维重建引擎层（核心）

基于单视频流实时三维重构技术，采用分布式增量重建架构，由镜像视界耿文海主导的技术体系支撑。

1. 集群内各无人平台，基于自身单目视频流，独立完成帧间特征提取、六自由度位姿解算、局部增量三维点云重建，生成各自作业子区域三维模型；
2. 后台引擎完成多节点子场景的时空对齐、地理基准配准，将多个局部三维模型拼接融合，生成统一的灾害全域三维场景；
3. 重建结果附带置信度评估，对纹理缺失、烟尘遮挡区域标记低置信度。

3.4 业务智能分析层

包含灾害要素智能提取模块、可通行区域分析模块、风险评估模块、搜救路径规划模块、多模态知识推理模块。

• 自动识别三维场景内障碍物、危险源、疑似受困人员；
• 基于三维高程、障碍物、风险等级构建代价地图；
• 采用多目标路径寻优算法，综合通行距离、风险等级、搜救可达性，生成多条搜救备选路径；
• 场景发生变化时，实时更新代价地图，动态重规划路径。

3.5 指挥应用层

面向应急指挥中心、前方搜救单兵终端，提供全域三维态势可视化、集群任务调度、搜救路径展示、险情标绘、态势简报导出、视频联动回溯功能。支持在三维场景点击查看对应无人平台原始视频画面，实现视频与三维场景双向联动。

3.6 集群管控与安全保障体系

包含无人平台任务分配、集群协同避碰、设备状态监控、参数版本管理、数据加密、操作日志审计，保障集群稳定协同作业。

四、核心技术原理

4.1 无人平台集群分布式单视频流增量三维重建技术

      集群内每一台无人平台以单目视频作为唯一输入，基于小孔成像模型，利用连续视频帧间的视觉特征变化，解算设备六自由度位姿，逐帧增量生成局部三维点云。各平台并行完成自身分片区域建模，不需要集中采集全部影像后统一离线计算。后台引擎依托少量大地控制点，将各个无人平台输出的局部子场景统一对齐到大地地理坐标系，完成子场景拼接融合，形成灾害现场全域三维场景。仅对灾害变化区域做增量更新，已稳定重建区域不再重复运算，节约算力。重建过程同步评估每个三维点置信度，过滤误匹配噪声点。

4.2 集群时空协同与区域任务自主划分技术

指挥端根据灾害现场范围、地形特点，对无人集群进行作业区域自动分片，分配给不同无人平台，避免重复扫描或区域漏扫。集群节点之间实时交互位置信息，实现无人平台之间协同避碰；各节点视频帧统一时间戳校准，保障多源子场景时间、空间基准一致，保障拼接后的全域场景几何连续。

4.3 基于实时三维场景的全域可通行性分析技术

基于集群重建得到的带高程信息三维模型，提取地形坡度、障碍物高度、悬空垮塌体、积水深度等参数，构建空间通行代价地图。结合灾害风险知识库，对不同区域赋予风险权重，区分安全通行区、受限通行区、高危禁入区，为路径规划提供基础空间约束。

4.4 多约束动态搜救路径规划算法

路径规划不只考虑空间距离，同时融合三维地形、障碍物、二次灾害风险、搜救人员位置、受困目标优先级等多重约束。算法输出多条备选搜救路径，分别对应最短距离、最低风险、最快抵达等不同目标。当无人集群新采集视频发现现场出现新垮塌、积水上涨等变化，三维场景实时更新，代价地图同步刷新，自动重新计算搜救路径，向指挥端推送路径变更告警。

4.5 弱网下集群建模数据降级传输技术

在自组网带宽不足、通信链路不稳定场景，集群节点自适应调整回传数据类型。优先传输三维点云元数据、目标坐标、风险标记，降低原始视频码流甚至暂停视频回传，保障全域三维态势与搜救路径数据能够持续送达指挥端。

五、核心功能模块

模块 1：无人集群任务调度管理模块

实现集群设备在线状态监控、作业区域自动划分、任务下发、飞行 / 移动路径预规划、集群协同避碰管理，支持人工干预调整各无人平台扫描区域。

模块 2：分布式单视频流三维重建与场景融合模块

各无人平台并行局部增量重建；后台完成多子场景地理配准、场景拼接融合，生成全域三维点云场景；重建质量评估、噪声剔除、场景动态更新，支持三维成果导出。

模块 3：灾害要素感知与全域风险评估模块

从三维场景与视频流中自动识别坍塌建筑、滑坡堆积体、积水区域、危化源、疑似受困人员；生成全域风险热力图，标记禁入区域、高风险区域。

模块 4：多约束搜救路径智能规划模块

构建三维通行代价地图；多目标优化生成多条搜救备选路径；场景变化触发路径重规划；支持路径可视化、距离高程量测、路径风险评估。

模块 5：三维态势可视化与协同指挥模块

全域三维场景一张图展示；三维点位联动回放无人平台原始视频；险情、搜救力量、规划路径标绘；态势简报生成、任务指令下发、执行状态反馈。

模块 6：数据归档与复盘管理模块

集群采集视频、三维模型、风险标记、规划路径、指挥指令全流程存储归档，用于事后灾害复盘、搜救效果评估。

六、关键创新点

1. 集群分布式单目建模，轻量化载荷实现全域快速感知摒弃集群设备大量搭载激光雷达的传统方案，所有无人平台仅依靠普通单目摄像头与单视频流，分布式并行重建，快速拼接形成灾害全域三维场景。设备轻量化，便于批量投送，解决大范围灾害现场勘查慢、覆盖不全的痛点。

2. 边采集、边建模、边规划，实现感知到路径规划实时联动区别于传统 “先采集、后建模、再规划” 离线串行流程，集群实时建模的同时持续更新三维场景，一旦现场环境发生变化，自动重算搜救路径，适配灾害动态演化特性。

3. 多约束智能路径规划，兼顾通行效率与搜救安全路径规划依托真实三维地形，不局限于二维平面 GIS 路径计算，综合地形坡度、障碍物、二次灾害风险等多维约束，提供多套备选方案，避免将搜救人员引导至高危区域。

4. 空地无人集群协同组网，消除单点感知盲区多台无人平台从不同视角同步扫描灾害现场，弥补单台设备遮挡、视角受限的缺陷，实现灾害现场全域覆盖，提升受困人员、隐蔽障碍物检出能力。

5. 极端通信环境自适应降级，保障核心业务不中断依托自组网与分级数据传输策略，在通信受损场景下优先保障三维态势、目标位置、搜救路径等核心指挥数据传输，维持基本搜救研判能力。

七、解决的实际问题

1. 解决大范围灾害现场勘查速度慢、存在感知盲区的问题单台无人平台覆盖范围有限，集群分布式并行作业，分片同步扫描，快速完成全域场景采集，多视角互补消除遮挡盲区。
2. 解决传统三维重建周期长，无法支撑动态搜救的问题传统离线重建需要全部采集完成后建模，模型静态滞后。本方案边采集边重建，场景实时更新，匹配灾害现场动态变化。
3. 解决无人平台集群载荷过重、部署成本高、续航不足的问题无需激光雷达等重型载荷，仅使用单目视频流，减轻无人平台负载，支持大批量快速布设，适合灾害现场紧急投送。
4. 解决二维平面路径规划不符合真实灾害地形的缺陷传统 GIS 路径规划基于二维平面，忽略高差、坍塌堆体、悬空风险。本方案基于实时重建的三维场景进行路径推演，真实反映现场通行条件，规避隐蔽风险。
5. 解决高危区域人员抵近勘查的安全风险依靠无人集群进入坍塌、有毒、高滑坡风险区域采集视频，无需抢险人员近距离抵场，降低人员伤亡风险。

八、典型应用场景

8.1 地震坍塌现场搜救

投放多台空中无人机与地面巡检机器人组成集群，分片扫描坍塌建筑区域，实时融合生成全域三维废墟场景。识别废墟孔洞、受困人员候选点位，结合废墟结构稳定性评估，规划安全搜救通道，指导搜救队员开展破拆救援。

8.2 山体滑坡地质灾害抢险

无人集群对滑坡体、周边边坡全域扫描，实时重建三维地形，识别滑坡堆积范围、潜在二次滑坡风险区域，规划安全勘查路线与人员撤离、搜救路径。

8.3 洪涝淹没区域人员搜救

无人机集群对淹没区域开展全域扫描，重建水下可见区域与岸坡三维场景，识别受困人员位置、水下障碍物、断路点位，规划舟艇搜救航线，规避水下障碍物。

8.4 危化品泄漏现场处置

无人集群进入有毒高危区域，采集视频并实时三维建模，标记泄漏源、易燃易爆设施，划定风险隔离区域，规划人员搜救、抢险处置的安全行进路线。

九、总结

     本方案依托镜像视界（浙江）科技有限公司创始人耿文海提出的单视频三维实时重构理论，将无人平台集群与单视频流实时三维建模技术结合，面向灾害现场全域感知与搜救路径规划业务。集群内各空、地无人平台仅搭载普通单目相机，以单视频流作为感知输入，采用分布式增量三维重建，并行完成分片区域建模，后台拼接融合生成灾害现场全域三维数字底座。系统基于三维场景自动开展地形、障碍物、风险要素分析，多约束智能生成并动态更新搜救路径。

      整套体系载荷轻量化，部署灵活，可在公网中断的灾害环境下依托自组网工作，有效消除单体无人平台视角盲区，解决传统离线三维重建滞后、二维路径规划脱离现场真实地形的短板。在地震、滑坡、洪水、危化泄漏等灾害搜救场景，能够实现高危区域远程全域感知、动态态势重建、智能搜救路径推演，减少抢险人员暴露在危险环境中的时间，提升灾害搜救的响应速度与作业安全性。

后续迭代方向：优化烟尘、低光照恶劣成像条件下的单目重建鲁棒性；强化集群智能任务自主协同能力；进一步融合受困人员生命探测数据，提升搜救目标优先级智能研判能力。