數(shù)字高程模型DEM在無人機(jī)航線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 杰，王 兵

(貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局測繪院，貴州 貴陽 500018)

0 引 言

第三次全國國土調(diào)查是一項(xiàng)重大的國情國力調(diào)查，其目的是全面完善土地利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，掌握土地利用現(xiàn)狀和自然資源變化的情況，以國家統(tǒng)一提供的調(diào)查底圖為基礎(chǔ)，實(shí)地調(diào)查每塊圖斑的地類、位置、范圍、面積等利用狀況，并查清項(xiàng)目區(qū)農(nóng)用地的數(shù)量、分布及質(zhì)量狀況，查清城市、建制鎮(zhèn)、村莊、獨(dú)立工礦、水域及水利設(shè)施用地等各類土地的分布和利用狀況。對(duì)于調(diào)查底圖不能清晰反映的地類以及二調(diào)農(nóng)用地變未利用地、耕地內(nèi)部二級(jí)類變化，新增建設(shè)用地、新增設(shè)施農(nóng)用地等地類必須實(shí)地舉證。采用無人機(jī)實(shí)地舉證能有效克服交通和拍攝角度的限制，具有效率高、質(zhì)量好的特點(diǎn)。但貴州以喀斯特地貌為主，地形起伏變化較大，合理設(shè)計(jì)航線是無人機(jī)安全飛行的重要基礎(chǔ)；本文通過提取DEM高程值，參考起飛點(diǎn)計(jì)算無人機(jī)離地高度與可視性狀態(tài)，在航線設(shè)計(jì)階段避免無人機(jī)因飛行高度過低撞機(jī)和信號(hào)丟失造成的無人機(jī)損失。

1 數(shù)字高程模型(DEM)

數(shù)字高程模型是描述地表起伏形態(tài)特征的空間數(shù)據(jù)模型，由地面規(guī)則格網(wǎng)點(diǎn)的高程值構(gòu)成的矩陣，形成的柵格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集；是地形、地物識(shí)別的重要原始資料。DEM最普通的形式是高程矩陣或規(guī)則矩形格網(wǎng)，規(guī)則網(wǎng)格將區(qū)域空間切分成為規(guī)則格網(wǎng)單元，每一個(gè)單元對(duì)應(yīng)1個(gè)數(shù)值；在計(jì)算機(jī)中則是1個(gè)二維數(shù)組，數(shù)組的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)1個(gè)高程值。

2 DEM高程值提取

DEM高程值的提取，即將高斯平面坐標(biāo)或大地經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為規(guī)則網(wǎng)行列號(hào)或者計(jì)算機(jī)二維數(shù)組行列號(hào)，通過提取行列號(hào)所對(duì)應(yīng)的元素值，即可得到當(dāng)前坐標(biāo)的高程值。

2.1 ArcGIS提取方法

打開*.TIF格式的DEM柵格數(shù)據(jù)集，點(diǎn)擊“識(shí)別”按鈕，鼠標(biāo)右上角會(huì)出現(xiàn)一個(gè)○i符號(hào)，點(diǎn)擊當(dāng)前坐標(biāo)位置，即可得到當(dāng)前坐標(biāo)處像素值，即高程值。

2.2 ArcEngine提取方法

首先定義整型數(shù)值column(列號(hào))、row(行號(hào))，定義雙精度數(shù)值H_DEM為DEM高程值；使用get_layer方法獲取DEM圖層，使用IRaster2接口MapToPixel方法將平面坐標(biāo)或大地經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為數(shù)組行列號(hào)，通過GetPixelValue方法獲取DEM高程值。

圖1 ArcEngine提取程序代碼

3 無人機(jī)離地高度計(jì)算

通過計(jì)算無人機(jī)離地高度，實(shí)時(shí)判斷無人機(jī)有無撞機(jī)危險(xiǎn)，若計(jì)算結(jié)果顯示無人機(jī)離地面過低，則可以通過增加無人機(jī)航高來避免無人機(jī)撞機(jī)(無人機(jī)航高為無人機(jī)距起飛點(diǎn)的高度)。設(shè)HS為無人機(jī)起飛點(diǎn)高程，HI為無人機(jī)設(shè)計(jì)航點(diǎn)地面高程，H為無人機(jī)設(shè)計(jì)行高。起飛點(diǎn)高程HS、無人機(jī)設(shè)計(jì)航點(diǎn)地面高程HI均以圖解法獲得該點(diǎn)位高斯坐標(biāo)或大地經(jīng)緯度，通過標(biāo)題2所述方法得到。

則航點(diǎn)處無人機(jī)離地高度D為：

D=HS-+H-H1

(1)

4 無人機(jī)可視性分析

無人機(jī)可視性分析是以無人機(jī)起飛點(diǎn)為觀察點(diǎn)，無人機(jī)航點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，研究2點(diǎn)通視情況的地形分析；無人機(jī)可視性分析可大大降低無人機(jī)因信號(hào)失聯(lián)造成飛機(jī)損失。如圖2所示，設(shè)觀察點(diǎn)位O點(diǎn)，目標(biāo)點(diǎn)為P點(diǎn)，連接OP與相交可得到n個(gè)地形點(diǎn)(為地形點(diǎn))；則可繪制出OP的剖面圖，見圖3。

圖2 通視性格網(wǎng)圖Fig.2 Intervisible character diagram

圖3 通視性剖面圖

設(shè)a為觀察點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)OP的傾角，β1為觀察點(diǎn)O至地形點(diǎn)i(i=1，…，n)的傾角，若tana>Max(tanβ1)(i=1，…，n)則OP 2點(diǎn)通視，反之則不通視；若出現(xiàn)不通視情況，需要重新設(shè)置起飛點(diǎn)或航點(diǎn)。

(2)

5 實(shí)例驗(yàn)證

以織金縣某測區(qū)為例，首先在內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)航線，航線由起飛點(diǎn)和若干個(gè)航點(diǎn)組成；起飛點(diǎn)選擇在空曠無遮擋的開闊地帶，且人員設(shè)備容易到達(dá)。通過數(shù)字正射影像圖圖解法獲得起飛點(diǎn)以及航點(diǎn)大地經(jīng)緯度，采用標(biāo)題2所敘述方法獲得每個(gè)航點(diǎn)高程值，按公式1計(jì)算出各航點(diǎn)離地高度，按公式2計(jì)算各航點(diǎn)可視性狀態(tài)。在外業(yè)實(shí)際飛行中無人機(jī)始終保持離地高度大于150 m，全程可視性均為通視狀態(tài)，無人機(jī)信號(hào)連接狀態(tài)良好。

6 結(jié) 語

該方法將程模型(DEM)應(yīng)用到無人機(jī)航線設(shè)計(jì)中，通過該數(shù)據(jù)計(jì)算出航點(diǎn)處無人機(jī)離地高度以及無人機(jī)可視性狀態(tài)，克服了貴州喀斯特地貌地形起伏變化大的缺點(diǎn)，使得無人機(jī)舉證廣泛應(yīng)用在我單位承擔(dān)的貴州省第三次全國國土調(diào)查項(xiàng)目舉證工作中，舉證效率高，無人機(jī)安全飛行無損失。