基于Google地圖數(shù)據(jù)的可視化無人機(jī)航線規(guī)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(guān)鍵步驟，而航線的規(guī)劃工作則是決定航空拍攝任務(wù)完成質(zhì)量的關(guān)鍵因素。現(xiàn)行的無人機(jī)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(fù)雜。在外業(yè)操作過程中，底圖信息不足、屏幕反光、數(shù)據(jù)計算不便等因素，嚴(yán)重影響著作業(yè)的效率和質(zhì)量。本文根據(jù)存在的問題，提出以Google地圖影像和DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)測區(qū)的范圍，使用循環(huán)算法自動求解出航點坐標(biāo)，并且一鍵式導(dǎo)入飛控系統(tǒng)UP-30，以指導(dǎo)飛行作業(yè)(如圖1所示)。

圖1 模塊組成

二、影像數(shù)據(jù)的獲取

在沒有已知底圖數(shù)據(jù)的情況下，可以從Google Earth上下載影像數(shù)據(jù)。GetScreen軟件下載衛(wèi)星影像是按網(wǎng)格下載，可以設(shè)置截屏的高度，并進(jìn)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(guān)系，因此在下載大區(qū)域圖像拼接時會產(chǎn)生錯位，需要進(jìn)行幾何糾正以保證坐標(biāo)信息的正確性。通過試驗，筆者認(rèn)為下載影像時以下設(shè)置會減少錯位現(xiàn)象:

1)在Google Earth的“層設(shè)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(yīng)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(chǎn)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?xí)r根據(jù)二者的差值作校正，即校正系數(shù)為722/1024=0.705，也就是

三、飛行參數(shù)

飛行參數(shù)是航線設(shè)計的基礎(chǔ)資料，是底圖數(shù)據(jù)之外的又一大模塊，參數(shù)的自動計算能減少外業(yè)人員的計算量。在知道目標(biāo)參數(shù)后，首先確定飛行高度。設(shè)目標(biāo)像素的大小為P0，像元大小為P，則f/H=P/P0，進(jìn)一步解得相對航高H=fP0/P。各個參數(shù)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(shè)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(jù)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(tǒng)中是一個很重要的概念，它對航測的很多環(huán)節(jié)都有影響。

(1)重疊度與相對定向精度的關(guān)系

分別對不同重疊度的影像進(jìn)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(shù)越多，結(jié)果的精度及可靠性就越高。

表1 航向重疊度和匹配點數(shù)及中誤差的關(guān)系

(2)重疊度與匹配的難易程度的關(guān)系

利用金字塔影像相關(guān)技術(shù)和最大相關(guān)系數(shù)法識別同名點對，在剔除粗差的同時求解未知參數(shù)。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(dāng)重疊度較小時，受高差的影響，幾何變形比較嚴(yán)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(jié)果的可靠性，可滿足高精度三維重建和其他應(yīng)用的需要［2］。

基于重疊度的重要性，在航線設(shè)計產(chǎn)生航點之后，導(dǎo)入DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行地形檢查很有必要。在檢查之前先根據(jù)式(1)確定航高的臨界值。通常無人機(jī)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(jù)后處理軟件的性能和經(jīng)驗值而定。設(shè)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(dǎo)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(dāng)高程值大于h1時，增加航點，且航高改變?yōu)镠+h。

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

2.航線的自動化生成思路

航線設(shè)計中需要考慮的主要問題是影像的獲取和結(jié)果如何導(dǎo)入UP-30，其中起到串聯(lián)作用的是MapInfo軟件。運用基于MapInfo的二次開發(fā)語言MapBasic可避免利用其他語言可能造成的問題，如坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、配準(zhǔn)、文件格式的轉(zhuǎn)換等。利用Map-Info自身的配準(zhǔn)及坐標(biāo)系，產(chǎn)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(dǎo)入UP-30進(jìn)行導(dǎo)航。

3.航點具體求解的方法

生成航線的具體步驟是:①測區(qū)的繪制;②飛行參數(shù)的輸入;③產(chǎn)生航點數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠根據(jù)作業(yè)的具體要求，自動計算出飛行航點，以指導(dǎo)飛行作業(yè)。假設(shè)飛行區(qū)域為 P1、P2、P3、P4、P5、…、Pn，n為測區(qū)的角點數(shù)目。計算過程中假設(shè)經(jīng)度方向為X軸，緯度方向為 Y軸，經(jīng)緯度以度的形式表示，如圖2所示。

圖2 航點坐標(biāo)解算示意圖

算法的實現(xiàn)過程如下:

1)首先應(yīng)用ObjectNodeX和ObjectNodeY函數(shù)讀出測區(qū)角點坐標(biāo)，根據(jù)所需已知數(shù)據(jù)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(qū)每一塊都在航線內(nèi)，使X1=Xmin-(Xmax-Xmin)/2。

3)由P點坐標(biāo)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(biāo)及相鄰航線間隔求航線1的方程，需要實現(xiàn)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(jīng)度差×111×cos(緯度)，單位為km。

b.如果是在同一經(jīng)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(biāo)。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(dāng)K＞0時

當(dāng)K＜0時

5)由D1點坐標(biāo)及航線斜率K求航線的方程。

6)遍歷測區(qū)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(nèi)，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(biāo)。

8)重復(fù)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(dāng)YDn＜Ymin時，退出循環(huán)。

9)特殊情況下，當(dāng)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(jié) 論

在UP-30中，航線的設(shè)計是根據(jù)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(shù)，在選定轉(zhuǎn)向的條件下自動生成平行等長的航線。這種設(shè)計方法的一個缺點就是航線沒有根據(jù)測區(qū)的實際情況而定，在一些邊緣地帶存在不必要的飛行區(qū)域，浪費了飛行時間和資源，原設(shè)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(shè)計優(yōu)點有:

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

2)傳統(tǒng)作業(yè)模式下航線設(shè)計于紙質(zhì)圖上，外業(yè)需要重新繪制。本系統(tǒng)中航線的設(shè)計直接在電子地圖上完成，可以直接導(dǎo)入飛控系統(tǒng)并應(yīng)用，減少了外業(yè)工作的繁雜度。

3)相比于傳統(tǒng)航線的設(shè)計，本系統(tǒng)自動化更高，直接人工操作更少，符合自動化作業(yè)的理念與趨勢。

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