一種顧及空間關系與飛行安全的無人機航攝分區方法

郭童英，劉曉龍，孟培培

(中測新圖(北京)遙感技術有限責任公司，北京 100039)

航空攝影測量的任務設計是其重要的組成部分,直接關系著航空攝影測量作業的作業效率、作業精度與作業成功率。航空攝影測量的任務設計分為航攝區域的分區設計和航線敷設設計兩個方面。傳統攝影測量都是采用等基線攝影測量的方式,等基線的航空攝影作業對于平坦地區具有較強的適應性,但是對于丘陵、山區等作業區域高程起伏較大的地區,高程的起伏會影響相鄰航空影像的航向重疊度和旁向重疊度。文獻[1—3]研究了基于DEM的航攝任務設計的基本方法和技術；文獻[2]提出了基于DEM航線設計系統的系統設計與功能設計；中國測繪科學研究院等單位的科研人員也曾采用人工計算的變基線航攝設計方法進行航攝任務設計。這些研究與試驗在沒有相關軟硬件的支持下,主要側重于航攝任務的分區設計及通過手工計算來進行變基線的航攝設計。在實現穩定的空中定點曝光后,基于DEM的變基線航攝作業方式將大大減少航空攝影測量的立體像對數。在目前航空攝影測量處理的對象仍然是立體像對的情況下,減少立體像對數將大大減少航攝處理工作量，縮短作業周期。

無人機影像存在像幅較小、像片數量多、影像傾角大且傾斜方向沒有規律、航向重疊度和旁向重疊度不規則等問題,這些問題給影像匹配和空中三角測量等內業處理都帶來一定困難，基高比小會導致高程精度低。為了提高高程精度，需減小相機焦距，這就要求飛行相對高度較低，而飛行高度較低不適合高差較大區域，同時隨著傾斜攝影技術發展，無人機傾斜攝影使得航攝分區與航線設計更加困難。本文提出顧及空間關系與飛行安全的航攝分區算法，可以有效將零碎分區合并，并保證飛行安全，基本達到每平方千米2個以下分區，滿足無人機飛行要求。

1 無人機航攝分區方法

無人機在高差較大區域，需要改變基本比例尺圖幅，否則按照傳統一個圖幅的高差很可能超限，無法進行分區。在確定基本比例尺圖幅后，需要按照高差限制與飛行安全距離制定一個分區高差間隔，按照間隔將整個航攝區域分為不同級別。然后再按照空間分布聚類形成初始分區塊。接著根據高差間隔與超限比例進行有效合并，形成航攝分區。對形成的航攝分區進行航線設計，并對航線及周邊進行立體安全檢測，當所有飛行路徑都安全時，航攝分區才算完成，否則對于安全檢測不合格區域需再次進行分區、航線設計和飛行安全檢測，直至完全通過安全檢測。

1.1 確定基本比例尺圖幅

無人機飛行影像分辨率較高，一般為0.2 m以下，采用分辨率對應比例尺圖較為合適，如0.1 m對應1∶1000比例尺圖，0.2 m對應1∶2000比例尺圖，0.05 m對應1∶500比例尺圖，對于介于上述分辨率之間的分辨率，應盡量向大比例尺圖靠近，如0.08 m對應1∶500比例尺圖，這樣能充分保證成圖精度。

1.2 聚類形成級別中心

首先根據飛行高度確定高差限制，根據規范應小于1/4航高，如果高差大于飛行安全高度，則取該值為高差間隔，否則取飛行安全高度為高差間隔。其次用高差間隔與攝區高差將整個航攝區域分為不同級別，然后統計每個級別的平均高程、高差與圖幅數，當圖幅數較少時，將此類圖幅分辨分配到相鄰類別中，當高差大于高差間隔時，將此類分裂為兩個類，兩類數量基本一致。重復合并與分裂的過程，直至不再變化，并且使得所有級別都能有序排列，每類圖幅數適當，高差滿足要求。

1.3 種子點擴展形成初始分區

采用四鄰域追蹤的方法從左上角的圖幅開始，合并同類分區的各個圖幅，對合并后的每個分區計算其基準面高程。

由于空間分布關系，得到的分區很多，需要進行下一步合并才能滿足要求。

1.4 合并形成航攝分區

為了保證飛機轉彎時的安全，應首先分析航攝區域的地形方向，確定飛行方向，確保飛行安全。對航攝區域自上而下、自左而右統計每條線上的高度走向，將高頻出現方向定為整個區域的方向，然后以該方向確定飛行方向。如果地形為北高南低，那么航線飛行應該沿東西方向，分區盡量南北排列，避免航線兩端高差過大。如果兩邊高中間低的盆地或溝形狀的，需要統計其他方向，并盡量按山形設置飛行方向。

根據高差間隔合并具有相近基準面高程，并且空間上相鄰的分區為新的分區，每合并一個分區都要重新計算基準面高程，合并時要考慮飛行方向，盡量與飛行方向一致的小分區合并，這樣有利于飛行。重復進行合并，直至不能合并為止，形成新的航攝分區。

1.5 分區航線設計

對每個分區進行航線設計，并合理規劃轉彎路線。航線設計方法比較成熟，按常規方法即可，轉彎路線有些不同。對于無人機飛行，像幅小、旁向重疊度較大，因此旁向距離小，用正常轉彎距離很難到下一航線，因此需要從該航線(航線1)轉向鄰近位置并繞一定距離才能到下一航線(航線2)(如圖1所示)，具體計算如下：

圖1 航線擴展點

(1) 構建距離此航線轉彎半徑的直線。當兩條航線距離小于轉彎半徑時，需要構建相反方向距離此航線轉彎半徑的平行線。

(2) 構建經過此航線的擴展點垂直于此航線的垂直線。

(3) 兩條直線交點即為該航線上新的擴展點。平行線與垂直線交點即為該航線上新的擴展點，連接航線末點與新擴展點形成新的航線。

1.6 立體安全檢測

立體安全檢測指進行前左右下4個方向檢測，保證4個方向安全距離內無任何地物。

對于每兩個航行點(曝光點之間、曝光點與擴展點、擴展點與機場)，都要進行立體檢測。每兩個航行點之間，計算一個矩形范圍，對矩形范圍內的DEM格網點都要進行檢測，所有點均不能超過安全高度(如圖2所示)。矩形范圍具體計算如下：

(1) 計算兩個航線點所在直線方向與垂線方向。通過兩個坐標差得到直線方向。設兩點坐標為Pt1(x1,y1)、Pt2(x2,y2)，則方向為(x2-x1,y2-y1)，垂線方向為(y2-y1,x1-x2)。

圖2 立體檢測區域范圍圖

兩點坐標分別為

x3=x1+R*(y2-y1)/dd

y3=y1+R*(x1-x2)/dd

x4=x1-R*(y2-y1)/dd

y4=y1-R*(x1-x2)/dd

將第二點沿垂線方向各向兩邊擴展飛行安全距離得到兩個點，同樣得到另外兩點

x5=x2+R*(y2-y1)/dd

y5=y2+R*(x1-x2)/dd

x6=x2-R*(y2-y1)/dd

y6=y2-R*(x1-x2)/dd

(3) 將4個點有序排列組成四邊形，即為需要檢測的矩形。

2 應用實例

以延慶山區為試驗區，該航攝區域內的淺色區域為高點，深色區域為低點，最高點高程1118 m，最低點高程559 m。所選擇的DEM數據格網間隔為90 m，攝區面積3.64 km2，如圖3所示。

圖3 航攝區域

分區高差限制190 m，安全高度200 m，5%超限面積比例，1∶500成圖圖幅。

將高差間隔定為200 m，整個區域高差560 m，分為3個級別，經過聚類后得到37個分區，如圖4所示。

圖4 聚類結果

根據此區域南低北高特點，確定飛行方向為東西向，分區也自北向南排列，第3、第4分區為兩個山溝，高差不大，可以東西飛行，分區情況如圖5所示。

圖5 分區結果

對每個分區進行航線設計，結果如圖6所示。

圖6 航線設計

通過立體安全檢查，所有航線、轉彎、往返機場都安全，自動分區順利完成。

3 結 論

通過以上試驗，得到以下結論：

(1) 無人機航攝分區的飛行安全距離遠大于高差限制，需要顧及區域整體地形情況，必須事先確定飛行方向后再進行分區。

(2) 合并小分區時必須考慮歸并到哪個分區更合理，需要考慮整體分區走向。

(3) 初始聚類時，分裂時不是以空間關系而定，而是以分裂后圖幅數大致相同來定。

本文主要探討了無人機航攝在山區自動分區問題，并提出了顧及空間關系與飛行安全無人機航攝分區方法。試驗證明，該方法適用于山區、高山區的航攝自動分區。