高原山地環境下無人機通視圖航線規劃方法研究

鄧樹榮 陳維鋒 張方浩 曹彥波 杜浩國 余慶坤 和仕芳

摘要：高原山地環境山脈較高，普通無人機在航拍獲取地震災情時很難飛越大型山脈。通過對高原山地地震特征進行分析，闡述障礙物通視圖的基本原理，并以香格里拉—奔子欄航線為例進行通視圖航線規劃，采用迪克斯屈拉（Dijkstra）算法求出航線起飛點到目標點的最短路徑，最后利用Google earth軟件繪制出最優航線。通視圖航線規劃為無人機飛越大型山脈或避開障礙物提供了一種較好的航線規劃方法。

關鍵詞：高原山地；無人機航線規劃；Google earth；通視圖；香格里拉—奔子欄

中圖分類號：P315.9；TP751 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）02-0201-08

0 前言

高原在地理學上的定義是指海拔在1000m以上、面積廣大、地形開闊、周邊以明顯的陡坡為界、比較完整的大面積隆起地區。山地在地質學上的定義是指海拔在500m以上的高地，地形起伏很大，山高谷深，一般多呈脈狀分布。高原的總高度有時比山地大，有時相對較小，但高原上的高度差異較小，且一般高原上也可能會有山地，高原和山地經常交織在一起。因此，在研究高原和山地這2種地理形態的時候經常將2者整合在一起考慮。據統計，我國高原面積占國土面積的26%，山地面積占33%，兩者面積總和占國土面積超過50%。我國90%以上的5.0級以上破壞性地震發生在高原山地地區，高原山地地震具有一些典型的特征：一是地震烈度高、災害重。根據我國現行的《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），我國有41%的國土、一半以上的城市位于地震基本烈度Ⅶ度或Ⅶ度以上地區，幾乎所有的高原山地地區均處于高烈度設防范圍。高原山地地區自然環境惡劣，經濟欠發達，抗震設防標準低，地震災害重。二是高原山地地震容易誘發次生災害。高原山地地質結構復雜，高山河谷縱橫交錯、海拔落差大，一些特殊的喀斯特地貌在云貴高原、廣西地區均有分布。在破壞性地震發生時，高原山地地質環境的復雜性和不穩定性就容易導致滾石、塌陷、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生災害。三是地震造成的社會經濟損失重。高原山地地區較平原地區相比經濟欠發達，邊遠貧困山區的民房抗害能力非常弱，地震容易造成人員傷亡和財產損失，一旦地震造成經濟損失，恢復重建成本高（陳征山等，2013）。四是地震救援難度大。中國西部現階段絕對防震減災能力的分布區域懸殊，除一些經濟條件好且地勢平坦的省會城市、盆地地區外，其余高原山地地區能力指數偏低（白仙富，戴雨芡，2015）。加之高原山地氣候條件惡劣，交通不便，易給地震救援帶來重重困難。

綜合多次地震現場經驗發現，人工調查是獲取地震災情的重要手段，但實際地震后，更需要的是盡快做出救災決策，以便指揮調度救援力量。而要準確做出救災決策，仍然需要快速準確掌握災情（徐志強等，2009）。無人機在執行任務時具有簡便靈活、精準快捷的特點，特別是在地震災害應急救援中能夠規避風險，從空中通道跨越障礙區域，快速獲取地震災情。因此，一些學者對無人機應用進行了許多探索和研究。2008年汶川地震后，中國地震局地球物理研究所進行無人機災情獲取系統研發，把無人駕駛飛機作為空中遙感平臺，用彩色可見光、紅外攝像技術拍攝空中影像數據，集成了遙感、遙控、遙測技術與計算機技術等新型應用技術的無人機災情快速獲取系統（徐志強等，2013），為無人機在地震領域的研究和應用開創了先河。他們對四川北川、青海玉樹、四川廬山、云南魯甸、云南景谷等一些重要的地震現場、地震危險區、重要地點進行了無人機航拍，這些航拍基本都在高原山地環境下進行，所取得的經驗為高原山地無人機應用提供了很好的借鑒。實踐證明，無人機災情快速獲取系統在地震現場開展災情調查和獲取，如道路探查、次生災害調查、災害快速評估等方面可發揮重要作用，能夠為應急救援決策和指揮提供實時災情信息，增強快速響應能力（徐志強等，2009）。

無人機航線規劃是根據任務目標規劃滿足約束條件的飛行軌跡，是無人機先進任務規劃系統的關鍵組成部分（胡中華等，2009）?；跓o人機的運動學特點和高原山地環境，無人機的飛行路線需滿足一些基本的約束條件：①無人機的飛行軌跡應處于最大轉彎曲率范圍內，飛行參數不應接近或超越飛機性能限制；②無人機的飛行高度應大于飛行區域的海拔高度，小于飛機自身的最大飛行高度，且設計高度不能太接近極限值；③所規劃的航線要安全可靠，應充分考慮高原山地的地形地勢，避開危險和威脅，如避開強冷氣團、高海拔山峰等；④在規劃無人機航線時要體現經濟性和時效性，使得無人機燃料和電能消耗盡可能小，飛行距離盡可能短。在高原山地無人機應用中，飛行區域海拔落差較大，特別是在3000m以上的高海拔地區，高山峽谷相間分布，一般的無人機飛行高度很難達到大型山脈的海拔，而且無人機飛行高度太高，對地航拍效果也不好。另外，高原山地地面起伏大，無人機爬升和下降耗能多、時間長。因此，在規劃無人機航線時，合理避開大型山脈和選取最短路徑飛行就顯得尤為必要。在無人機航線規劃需要的信息中，最為重要的是地形信息和威脅信息，它們直接決定了航線規劃的質量（趙文婷，彭俊毅，2006）。本文通過分析高原山地地震的特征，結合地震行業的一些無人機應用經驗，通過通視圖的基本思路，討論高原山地環境下的無人機航線規劃。

1 通視圖法的基本思路

在圖論中，圖（Graph）通常由2個集合來定義，一個集合是頂點（Vertex），另一個集合為頂點之間的連線，稱之為邊（Edge），兩個頂點之間的邊代表了頂點之間的一條路徑（殷劍宏，吳開亞，2003）。對于現實世界中的許多路徑規劃問題，通?？梢詫栴}簡化為圖，并對圖的元素賦予一定的權值，利用圖來描述規劃空間。

在無人機航線規劃中，將無人機的航線規劃空間表示成一個圖，航點（控制點）為圖的頂點，航點間的航線為圖的邊。在高原山地環境中，無人機航線規劃會遇到障礙物，將障礙物的相互可見的頂點連線，就構成了一個障礙物通視圖，再連上無人機的起飛點和任務區域，就構成了一個多邊形航線規劃圖（圖1）。

由通過圖1c可以看出，從起飛點A到航拍點0，要避開障礙物有多條航線，此時只需知道航線規劃圖中各條邊的權值，利用一定的算法，就可以求出A到O的最短路徑，這條路徑即為無人機的最優航線（圖1d中粗實線箭頭所示）。此處需要注意的是，要保證障礙物通視圖是一個凸多邊形，最后得到的路徑一般有幾段會沿著障礙物的邊緣。

在圖論中，尋找最短路徑主要有迪克斯屈拉Dijkstra）算法、佛洛依德（Floyd）算法、普里姆（Prim）算法、克魯斯卡爾（Kruskal）算法、沃夏爾（Warshall）等（殷劍宏，吳開亞，2003；嚴蔚敏，吳煒民，2007），再通過迭代或矩陣運算得出最優解。本文采用迪克斯屈拉迭代算法找出最短路徑（殷劍宏，吳開亞，2003）。

設圖G的頂點為V0，V1，…，Vn；邊為{Vi，Vj}（i、J=0，1，…，n）：邊權為W（Vi，Vj）。若{Vi，Vj}不是圖中的邊，則W（Vi，Vj）=∞，規定W（Vi，Vi）=0。L（Ⅵ）表示頂點Ⅵ到源點的長度，S為路徑集合，U為離源點最近的一個頂點。迪克斯屈拉迭代流程表述如下：

2 通視圖航線規劃

2.1 災區概況

2013年8月28日和31日，云南省迪慶州香格里拉縣、德欽縣與四川省甘孜州得榮縣交界先后發生5.1、5.9級地震。極震區烈度達Ⅷ度，宏觀震中位于香格里拉縣尼西鄉幸福村至德欽縣奔子欄鎮爭古村一帶，香格里拉縣、德欽縣的部分鄉鎮遭受不同程度破壞。此次地震余震頻繁，加之受震后降雨的影響，滑坡、崩塌等次生地質災害極為嚴重。214國道香格里拉境內從布卡隧道到伏龍大橋一帶落石、塌方不斷，路基、路面嚴重損毀，通往巴拉村、祖史村、打史村等47條通村公路多處塌方，因受余震影響，通往巴拉格宗的公路多次交通中斷。214國道奔子欄段受災嚴重，塌方85處，共175000m3奔子欄、羊拉等鄉鎮的鄉村公路和橋梁也受到不同程度的破壞。迪慶州境內山高坡陡，高山河谷落差較大，通往地震災區的唯一生命線214國道告急，此時，若能有無人機在災情獲取和道路偵察方面提供技術支持，將對應急救援提供很好的幫助。因此，筆者選取香格里拉一奔子欄航線進行討論和分析。

2.2 地形分析

從香格里拉縣到奔子欄一帶（圖3），主要有藍月山、崗木山和崩吃山，主要的河流有金沙江，主要的道路有214國道、226省道，道路沿著山谷和河谷分布。區域內海拔較高的3座山的海拔均為4000m以上，藍月山主峰4346m，崗木山主峰4414m，崩吃山主峰4130m，金沙江河谷海拔較低，2000m左右，海拔落差2000m，居民點主要分布在海拔較低的金沙江沿岸以及214國道沿線。

2.3 航線規劃

根據地震成災特點，地震受災區域一般會出現在有居民點和生命線工程的地方。區域內金沙江沿岸，214國道沿線有居民點和生命線工程，因此在使用無人機航拍和偵察受災點時應沿著這些區域飛行。境內有3座海拔均在4000m以上的大型山峰，該高度可能會超過無人機的最大飛行高度，因此在規劃無人機航線時應避開這3座山峰。

Google Earth采用超高影像壓縮技術，能實時提供多種數據，將本地搜索和衛星影像結合起來，可以讓用戶瀏覽全球范圍內任何一處地點的衛星影像以及建筑物或地形的三維圖像（陳強等，2008）。因此，筆者利用Google earth對該區域作一個基于通視圖方法的航線規劃。首先在Googleearth里找到該區域，利用多邊形工具添加1個海拔4000m的等高面，此時就可以看出區域內海拔在此等高面以上和以下的區域。從圖3中可以看到，從香格里拉到奔子欄的航拍區域內，崗木山和崩吃山海拔高出了等高面，無人機飛行時這2座山就是障礙，把2座山的相互可見的頂點連線，就構成了1個障礙物通視圖。再把飛機起飛點、障礙物通視圖頂點連線，就構成了一個多條線段組成的航線網（圖4）。從航線網中可選擇任意的路徑組合使無人機到達航拍點進行航拍作業。

2.4 最優航線的計算

邊上有數的圖稱為加權圖（weighted graph），若邊Ei標記數為Wi，則稱Wi為邊Ei的權（weight）（殷劍宏，吳開亞，2003）。利用Googleearth的標尺工具量出每段航線之間的距離，對航線網的邊賦予權值，就得到了航線網加權圖（圖5），加權圖中的頂點為無人機航線的控制點，各條邊的權值為相鄰控制點間的直線距離。圖5中，飛機起飛點A到航拍目標點O，有多條路徑可走，但要根據各邊的權值，找出A點到O點的最短路徑。用迪克斯屈拉（Dijkstra）算法求出航線網加權圖中頂點A到0之間的最短路徑。

根據迪克斯屈拉迭代，從起飛點到航拍區域的最短路徑為（A，V12，V21，V22，O），利用Googleearth軟件（或無人機測控軟件）標出各航點，作出無人機航線規劃圖（圖6）。以云南省地震局現有的HW13型無人機為例，根據該型號無人機的參數（表2），設置各航點的經緯度、高度、轉彎半徑、任務動作等屬性（表3），無人機就可依據最短路徑航線和航線的屬性執行飛行任務。

3 討論與結論

本文討論了二維規劃空間的無人機通視圖航線構建過程。該方法對一些障礙物較少、地形比較簡單的二維航線規劃比較實用，但對于地形較復雜，障礙物較多的航線規劃，人工很難找出最短路徑，就需要借助圖論知識去尋求最短航路（毛紅保等，2015）。筆者只討論了2個障礙物的情形，對于多個障礙物的情況可依此類推，只是頂點較多，計算量會較大。可以證明，具有n個頂點的通視圖中，要找到從源點到某一特定的終點的最短路徑，迪克斯屈拉算法的時間復雜度是O（n2）（嚴蔚敏，吳煒民，2007），其他算法時間復雜度甚至更高。

本文的障礙物是2座山脈，在實際應用中，障礙物可以是水域、禁飛區、危險區等區域，在規劃航線時可根據具體情況而定。在不同海拔、不同天氣條件下的無人機技術性能參數會有不同的變化規律，等高面和控制點參數也需要根據實際任務需求來設置。另外，無人機在飛行中會有航偏，制作無人機航線時，高度和距離應該適當遠離障礙物的通視圖邊緣，不應沿著通視圖邊緣設置航線，以確保無人機的安全。

高原地區飛行，固定的山地障礙物只是航線規劃考慮的一個影響因素，除此之外，地形地貌、氣候、氣壓、大氣密度等因素的影響不容忽略，特別是動態可變因素的影響，如地形對氣流的影響很大，氣流越山繞山時會被迫發生方向或速度改變，形成亂流、山地波和風切變，會嚴重威脅無人機飛行安全。因此，“通視圖法”規劃航線僅是一個方面，要規劃出一個安全可靠的飛行線路還應全面考慮其它影響因素。

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