基于Google地圖數據的可視化無人機航線規劃研究

李秀麗

(福建省測繪院，福建 福州350003)

一、引 言

航測成圖是獲取高分辨率影像資料的一個重要來源，航攝飛行是航測成圖的關鍵步驟，而航線的規劃工作則是決定航空拍攝任務完成質量的關鍵因素。現行的無人機飛行控制軟件UP-30具有繪制航線的功能，但是其功能單一，操作復雜。在外業操作過程中，底圖信息不足、屏幕反光、數據計算不便等因素，嚴重影響著作業的效率和質量。本文根據存在的問題，提出以Google地圖影像和DEM數據為基礎，依據測區的范圍，使用循環算法自動求解出航點坐標，并且一鍵式導入飛控系統UP-30，以指導飛行作業(如圖1所示)。

圖1 模塊組成

二、影像數據的獲取

在沒有已知底圖數據的情況下，可以從Google Earth上下載影像數據。GetScreen軟件下載衛星影像是按網格下載，可以設置截屏的高度，并進行自動拼圖。Google Earth空間參考系為改良的UTM投影，但是GetScreen軟件沒有考慮投影關系，因此在下載大區域圖像拼接時會產生錯位，需要進行幾何糾正以保證坐標信息的正確性。通過試驗，筆者認為下載影像時以下設置會減少錯位現象:

1)在Google Earth的“層設置面板”中取消“地形”選項。

2)打開“工具”下拉菜單的“選項”，選中“Direct X”和“安全模式”。

3)由于屏幕刷新需要時間，可增加延遲時間，一般不大于1000 ms。

4)先啟動Google Earth，可再啟動GetScreen。

5)GetScreen截屏高度的校正。應用GetScreen軟件把Google Earth全幅截屏到窗口，原來1024 dpi的圖像被壓縮到722 dpi的窗口中，于是就產生了一個倍率壓縮。截屏后獲得的圖像看上去比在Google Earth中同高度看到的要小，需要在截屏時根據二者的差值作校正，即校正系數為722/1024=0.705，也就是

三、飛行參數

飛行參數是航線設計的基礎資料，是底圖數據之外的又一大模塊，參數的自動計算能減少外業人員的計算量。在知道目標參數后，首先確定飛行高度。設目標像素的大小為P0，像元大小為P，則f/H=P/P0，進一步解得相對航高H=fP0/P。各個參數的計算公式如下

式中，f為鏡頭長度;P為像元大小;H為相對航高;θ1為平行飛行方向視場角;θ2為垂直飛行方向視場角;o1為航向重疊度;o2為旁向重疊度;S1為相鄰航線間隔;S2為曝光間隔;T為等時曝光時間;V為飛行速度;D為地面分辨率大小;W1為地面幅面寬;W2為地面幅面高。

四、航線設計

1.地形起伏的影響

地形起伏會直接影響航片重疊度。根據式(1)可得，在航線間隔和視場角不變的情況下，H越小，o1和o2值越小。重疊度在低空航測系統中是一個很重要的概念，它對航測的很多環節都有影響。

(1)重疊度與相對定向精度的關系

分別對不同重疊度的影像進行相對定向點的采集，見表1。從表1可以看出，隨著航向重疊度的增加，相對定向的中誤差逐漸減小;多余的觀測數越多，結果的精度及可靠性就越高。

表1 航向重疊度和匹配點數及中誤差的關系

(2)重疊度與匹配的難易程度的關系

利用金字塔影像相關技術和最大相關系數法識別同名點對，在剔除粗差的同時求解未知參數。重疊度小的相鄰影像間的差異可能很大，匹配難度增加;重疊度大的影像差異小，匹配容易。當重疊度較小時，受高差的影響，幾何變形比較嚴重，增加了匹配的困難性［1］;重疊度越大，交會角越大，提高了高程和平面方向的交會精度，并增加了結果的可靠性，可滿足高精度三維重建和其他應用的需要［2］。

基于重疊度的重要性，在航線設計產生航點之后，導入DEM數據進行地形檢查很有必要。在檢查之前先根據式(1)確定航高的臨界值。通常無人機航拍的航向重疊度不得少于80%，旁向重疊度不得少于60%，這可根據后處理軟件的性能和經驗值而定。設o11和o22分別為航向重疊度和旁向重疊度的臨界值，則 o11≥o1，o22≥o2，推導而知

H能取得的最小值作為航高的臨界值H1，則某點的高程值h≤H-H1。取高程值的臨界值為h1，當高程值大于h1時，增加航點，且航高改變為H+h。

綜上所述，航線設計需要綜合考慮地形地貌、續航時間、測區面積等因素，合理地劃分架次，還需外業踏勘選準起飛點，適合在開闊、信號干擾少地區選取，而后為每個架次設計曝光點。

2.航線的自動化生成思路

航線設計中需要考慮的主要問題是影像的獲取和結果如何導入UP-30，其中起到串聯作用的是MapInfo軟件。運用基于MapInfo的二次開發語言MapBasic可避免利用其他語言可能造成的問題，如坐標系轉換、配準、文件格式的轉換等。利用Map-Info自身的配準及坐標系，產生的航線作為單獨的圖層存儲，生成之后將其作為航線層導入UP-30進行導航。

3.航點具體求解的方法

生成航線的具體步驟是:①測區的繪制;②飛行參數的輸入;③產生航點數據。系統能夠根據作業的具體要求，自動計算出飛行航點，以指導飛行作業。假設飛行區域為 P1、P2、P3、P4、P5、…、Pn，n為測區的角點數目。計算過程中假設經度方向為X軸，緯度方向為 Y軸，經緯度以度的形式表示，如圖2所示。

圖2 航點坐標解算示意圖

算法的實現過程如下:

1)首先應用ObjectNodeX和ObjectNodeY函數讀出測區角點坐標，根據所需已知數據解求航線間隔D、基線長度、斜率 K、X最大值 Xmax、X最小值Xmin、Y 最小值 Ymin。

2)為了保證測區每一塊都在航線內，使X1=Xmin-(Xmax-Xmin)/2。

3)由P點坐標和斜率K求直線0的方程。此方程交 L 線于 D0(XD0，YD0)，即

4)由D0坐標及相鄰航線間隔求航線1的方程，需要實現米和度之間的換算。

a.如果是在同一緯線上，則兩點間的距離=經度差×111×cos(緯度)，單位為km。

b.如果是在同一經線上，則兩點間的距離=緯度差×111，單位為km。

采用距離分量的方法計算D1點的坐標。把相鄰航線間隔分成X、Y方向的兩個分量，用ΔX和ΔY分別表示X及Y方向的距離量，用θ表示傾斜角，K存在時，有:

當K＞0時

當K＜0時

5)由D1點坐標及航線斜率K求航線的方程。

6)遍歷測區的各個邊，求航線方程和邊的交點，并判斷交點是否在邊線段內，如果在則交點為航點初值。

7)把航點初值向外拓展一個基線的長度，獲得航點坐標。

8)重復以上步驟4)和5)分別求得每條航線上兩端的航點，并判斷YDn，當YDn＜Ymin時，退出循環。

9)特殊情況下，當K不存在時，航線方程沿著X軸向外拓展，航點求法不變。

五、結 論

在UP-30中，航線的設計是根據起始航點確定航線的長度及方向，已知航線間隔和航線的條數，在選定轉向的條件下自動生成平行等長的航線。這種設計方法的一個缺點就是航線沒有根據測區的實際情況而定，在一些邊緣地帶存在不必要的飛行區域，浪費了飛行時間和資源，原設計方式如圖3(a)所示，改良后的航線如圖3(b)所示。

圖3

改良后，相比于以前的航線設計優點有:

1)航線根據測區的邊界而定，除去了因航線規整化下多余的拍攝，提高了航片的可用性。

2)傳統作業模式下航線設計于紙質圖上，外業需要重新繪制。本系統中航線的設計直接在電子地圖上完成，可以直接導入飛控系統并應用，減少了外業工作的繁雜度。

3)相比于傳統航線的設計，本系統自動化更高，直接人工操作更少，符合自動化作業的理念與趨勢。

［1］崔紅霞，林宗堅，孫杰.大重疊度無人機遙感影像的三維建模方法研究［J］.測繪科學，2005，30(2):36-38.

［2］張永軍，張勇.大重疊度影像的相對定向與前方交會精度分析［J］.武漢大學學報:信息科學版，2005，30(2):126-130.

［3］巴海濤.無人機航跡規劃方法研究［D］.西安:西北工業大學，2006.

［4］梁偉，李新國.基于數字地圖預處理的低空突防航跡規劃［J］.飛行力學，2008，26(4):81-85.

［5］杜萍，楊春.飛行器航跡規劃算法綜述［J］.飛行力學，2005，23(2):10-14.

［6］崔紅霞，林宗堅，孫杰.無人機遙感監測系統研究［J］.測繪通報，2005(5):11-14.

［7］馬輪基，馬瑞升，林宗堅，等.微型無人機遙感應用初探［J］.廣西氣象，2005，26(A01):180-181.

［8］崔營營，張愛武，王書民，等.無人飛艇航空遙感系統的研究［J］.測繪通報，2010(S0):268-271.

［9］朱洋波，焦健，曾琪明，等.航空遙感任務規劃系統設計及航線設計方法研究［J］.測繪通報，2007(8):16-19.

［10］郝斌，方學東，唐羽.數字航圖在航線設計中的應用［J］.中國民航飛行學院學報，2010，21(1):15-17.

［11］王東亮，萬幼川，徐景中，等.基于 DEM的機載Li-DAR 航線設計［J］.測繪科學，2011，36(1):116-118.