無人機航攝方案計算機輔助設(shè)計研究

王浩, 楊德宏, 李輝, 李鴻斌

(1.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院， 云南 昆明 650093;2.信陽師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院， 河南 信陽 464000;3.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心新疆總隊， 新疆 烏魯木齊830000)

0 引 言

在無人機航空攝影測量工作中,航攝任務(wù)的方案設(shè)計是一個十分重要的環(huán)節(jié). 一份高質(zhì)量的方案設(shè)計,可以在保證航空攝影測量任務(wù)執(zhí)行的安全和質(zhì)量的前提下,在很大程度上節(jié)約航攝成本,降低成像數(shù)據(jù)的冗余度,提高任務(wù)完成的效率. 當(dāng)前無人機航攝任務(wù)方案設(shè)計主要依賴人工完成,或者是在航攝前通過無人機地面基準(zhǔn)站軟件設(shè)計相應(yīng)參數(shù),未通過系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行輔助完成以及自動化過程,需要耗費大量的精力[1],難以滿足無人機的具體工作要求. 而無人機航攝方案設(shè)計書的自動生成可以在無人機工作之前根據(jù)航區(qū)及無人機的相關(guān)參數(shù)制定一份方案設(shè)計書并實現(xiàn)輸出,方便工作人員事先通過生成的設(shè)計書進(jìn)行理論驗證無人機飛行作業(yè)的可行性和安全性,為開展攝影測量工作提供技術(shù)和安全保障. 對于相關(guān)研究,于廣瑞等[2]對無人機測量任務(wù)方案設(shè)計中的一般流程、具體工作內(nèi)容和注意事項進(jìn)行了歸納闡述,為實際作業(yè)提供了一些參考與借鑒. 段福洲等[3]提出了數(shù)字航空攝影航線的變基線設(shè)計方法,提高了航攝精度. 郭童英等[4]提出一種顧及空間關(guān)系與飛行安全的航攝分區(qū)算法,在對文獻(xiàn)[3]優(yōu)化的前提下進(jìn)一步提高了航攝計劃設(shè)計的精度和效率.

本文在此基礎(chǔ)上,嘗試研究計算機輔助生成無人機航攝方案的技術(shù)方法，結(jié)合地理數(shù)據(jù)(DEM)及相關(guān)航攝參數(shù),建立一套規(guī)范化的無人機航攝方案設(shè)計書模板,研發(fā)適合無人機的航攝任務(wù)方案設(shè)計的軟件系統(tǒng),完成自動化過程,提高無人機航攝效率,實現(xiàn)無人機航攝作業(yè)的優(yōu)化及高效運行.

1 軟件總體設(shè)計

無人機航攝方案計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)是一項以航攝任務(wù)為約束條件[5],進(jìn)行航區(qū)設(shè)計、航攝參數(shù)設(shè)置,并在底圖上顯示設(shè)計結(jié)果,制定無人機航攝方案設(shè)計書的系統(tǒng)軟件. 本文使用Visual Studio 2012作為開發(fā)平臺,結(jié)合ArcGIS Engine等開源組件和類庫搭建人機交互平臺,加載地理數(shù)據(jù),依據(jù)航區(qū)分區(qū)原則劃分航攝區(qū)域,然后在分區(qū)基礎(chǔ)上規(guī)劃航線,最后結(jié)合航攝參數(shù)完成航空攝影測量方案的設(shè)計并輸出對應(yīng)的航攝方案設(shè)計書.

1.1 功能設(shè)計

本系統(tǒng)主要包含航區(qū)設(shè)計和航攝方案設(shè)計兩個模塊,其具有三個主要功能:航區(qū)分區(qū)、航線規(guī)劃及航攝方案設(shè)計輸出.

航區(qū)分區(qū)功能包括地理數(shù)據(jù)加載、航攝區(qū)域分區(qū)、航攝參數(shù)設(shè)置、二維顯示等;航線規(guī)劃功能包括地理數(shù)據(jù)加載、航線規(guī)劃、航攝參數(shù)設(shè)置、二維顯示等;航攝方案設(shè)計輸出功能包括航攝參數(shù)設(shè)置、航攝方案制定、航攝方案輸出等. 圖1為系統(tǒng)使用示例圖.

圖1 系統(tǒng)使用示例圖

1.2 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)可以分為以下四個部分:文件管理層、地理數(shù)據(jù)顯示層、航攝任務(wù)處理層、數(shù)據(jù)傳輸層. 圖2為系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖.

圖2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

1)文件管理層:管理層主要使用xml 格式的文件,使用xml文件作為系統(tǒng)各個層次及模塊之間的數(shù)據(jù)文件,提高各個模塊之間的數(shù)據(jù)耦合性[5].文件管理層主要參與已設(shè)計好的航攝方案的保存以及相關(guān)航攝參數(shù)的存儲.

2)地理數(shù)據(jù)顯示層:地理數(shù)據(jù)顯示層以地圖控件Map Control為地理數(shù)據(jù)的載體,并將規(guī)劃設(shè)計結(jié)果顯示出來,包括航攝區(qū)域范圍的地圖顯示,航區(qū)分區(qū)結(jié)果顯示,航線規(guī)劃結(jié)果顯示. 以上內(nèi)容均以二維形式在底圖上展示.

3)航攝任務(wù)處理層:航攝任務(wù)處理層是系統(tǒng)的核心部分,主要是對于航攝參數(shù)、無人機參數(shù)、任務(wù)參數(shù)的設(shè)置與輸入.提供人機交互界面,通過直觀易懂的方式,方便軟件使用者對航攝方案進(jìn)行設(shè)計規(guī)劃.

4)數(shù)據(jù)傳輸層:數(shù)據(jù)傳輸層主要作用為數(shù)據(jù)傳輸,提供各種數(shù)據(jù)存儲格式的讀取和保存.負(fù)責(zé)將航攝方案數(shù)據(jù)傳輸至PC端以及將航攝方案數(shù)據(jù)傳輸至無人機等.

1.3 工作流程設(shè)計

本系統(tǒng)的工作流程分為航區(qū)分區(qū)設(shè)計、航線規(guī)劃和航攝方案設(shè)計書輸出三個部分. 圖3為系統(tǒng)總體流程圖.

圖3 系統(tǒng)總體流程圖

本系統(tǒng)的定位是一個無人機航攝任務(wù)方案的設(shè)計平臺,包括根據(jù)航攝要求對整個航攝方案進(jìn)行設(shè)計以及對航攝方案設(shè)計書的輸出. 系統(tǒng)主體流程如下:

1)航區(qū)分區(qū)流程:航區(qū)分區(qū)算法已加載到系統(tǒng)中,在此基礎(chǔ)上依據(jù)航攝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的原則,結(jié)合區(qū)域高程信息與無人機相對航高的比較,對整體多邊形航區(qū)進(jìn)行分區(qū)設(shè)計,并將分區(qū)結(jié)果以二維形式顯示在底圖上.

2)航線規(guī)劃流程:無人機航線規(guī)劃算法已經(jīng)加載到系統(tǒng)中,以航區(qū)分區(qū)結(jié)果為基礎(chǔ),依據(jù)航攝標(biāo)準(zhǔn)及所需航攝參數(shù)完成航攝任務(wù)航線規(guī)劃,航線規(guī)劃結(jié)果以二維形式顯示在底圖上.

3)航攝方案輸出流程:該流程功能主要將已設(shè)計好的無人機航空攝影測量任務(wù)方案設(shè)計書作為文檔形式輸出.該流程所需數(shù)據(jù)有兩種,分別是航區(qū)分區(qū)結(jié)果、航線規(guī)劃結(jié)果數(shù)據(jù)和相關(guān)航攝任務(wù)參數(shù)數(shù)據(jù).

2 軟件實現(xiàn)

2.1 航區(qū)分區(qū)

傳統(tǒng)航空攝影測量工作中,對航攝測區(qū)的分區(qū)考慮較少.對航攝區(qū)域的分區(qū)工作通常采用人工方法進(jìn)行,依賴其工作經(jīng)驗在地圖上劃分航攝區(qū)域.然而,人工方法工作量大,效率低下,且劃分航區(qū)往往精度不高,導(dǎo)致劃分不合理[6],且未考慮劃分航區(qū)內(nèi)的攝影分區(qū)基準(zhǔn)面高程h基的動態(tài)改變,在實際生產(chǎn)中航高基本保持不變,從而導(dǎo)致航攝分區(qū)被劃分得比較破碎,也造成了大量的像片冗余,和數(shù)據(jù)的浪費. 在實際航攝任務(wù)中,由于航攝任務(wù)的多樣性以及航攝區(qū)域內(nèi)地形地貌的復(fù)雜性,尤其是像我國西南地區(qū)如貴州、云南等地區(qū),區(qū)域內(nèi)地形多樣,如山地、丘陵地勢起伏變化較大,高程也有較大差異[7]. 因此,在實際的航空攝影測量任務(wù)中,需要充分考慮地形地貌高程差異較大的影響,對航攝區(qū)域采取分區(qū)航攝的方法進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計.

由于航空攝影測量對于航攝像片獲取的地面分辨率要求較高,一般在0.2 m及以上分辨率[4],即要求的測圖比例尺為1∶2000及以上大比例尺. 因此,依據(jù)航攝規(guī)范的要求,將按照1/4相對航高(1/4H相對)的高差限制標(biāo)準(zhǔn)對航攝區(qū)域進(jìn)行分區(qū). 本文依照上述原則,依據(jù)《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》(CH/Z 3005-2010)規(guī)定，在1∶1萬或者更大比例尺地形圖、影像圖中圈劃航攝區(qū)域. 然后通過區(qū)域高程統(tǒng)計結(jié)合柵格像元重分類的方法完成對航攝區(qū)域的分區(qū)，如圖4所示為航區(qū)分區(qū)的主要方法流程. 其流程是：

1)高差限制條件確定. 基于已選擇好的航攝區(qū)域，首先設(shè)定測圖比例尺，航空攝影測量采用的比例尺一般為1∶500、1∶1000、1∶2000等大比例尺，則其相對應(yīng)的地面分辨率為0.05 m、0.1 m、0.2 m. 設(shè)定比例尺后選擇航攝所需相機，不同相機其相機焦距、像元大小各有差別，確定相機后，即可確定相機焦距及像元大小. 依據(jù)航攝規(guī)范規(guī)定的公式(1)計算無人機飛行相對航高，此時，取1/4H相對作為航區(qū)分區(qū)的高差限制.

(1)

式中：f為所選相機的焦距，mm；GSD為航攝所需地面分辨率，m；a為所選相機像元大小，um.

圖4 航區(qū)分區(qū)步驟

2)高差間隔設(shè)置.將航區(qū)分區(qū)的高差限制作為設(shè)置航區(qū)分區(qū)高差間隔的標(biāo)準(zhǔn),每1/4H相對為一個高差間隔,例如,以800 m為無人機相對航高,以1/4H相對即以200 m作為航攝分區(qū)的高差間隔.

3)重分類形成高差級別中心.讀取所選擇航攝區(qū)域的地物高程,計算區(qū)域內(nèi)的高程差值即H差=Hmax-Hmin(地物最大高程與最小高程之差)將設(shè)置好的高差間隔作統(tǒng)計后作為航區(qū)分區(qū)的高差級別.利用航區(qū)高程差值除以高差間隔即H差/(1/4H相對)即可計算出高差級別. 然后以高差級別作為判斷條件,對整個航攝區(qū)域進(jìn)行重分類,例如,某區(qū)域高差為1000 m,若以200 m為高差間隔,則可將整個航區(qū)劃分為0～200 m、200～400 m、400～600 m、600～800 m、800～1000 m,共5個級別. 調(diào)用ArcGIS Engine內(nèi)置的Reclassify函數(shù)(重分類函數(shù)),對柵格像元進(jìn)行重分類操作.

4)高差級別中心擴展為初始分區(qū). 將重分類完成的航區(qū)從柵格轉(zhuǎn)為矢量形式,這樣可以將分區(qū)信息更好地輸出. 調(diào)用ArcGIS Engine內(nèi)置RasterToPolygon函數(shù)(柵格轉(zhuǎn)矢量函數(shù))將整個航區(qū)柵格轉(zhuǎn)為矢量格式的面文件[8].

5)初始分區(qū)合并.由于各分區(qū)的空間分布的問題,可能會得到較多的分區(qū),因此需要對初始分區(qū)進(jìn)行合并才能滿足要求.對于已經(jīng)劃分好的區(qū)域,統(tǒng)計分區(qū)內(nèi)基準(zhǔn)面高程,將基準(zhǔn)面高程相近且地形空間上相鄰的分區(qū),依據(jù)高差限制條件進(jìn)行合并.合并方式與初始分區(qū)方式類似,并重新對分區(qū)進(jìn)行編號.遍歷所有航攝分區(qū),對所有分區(qū)進(jìn)行重復(fù)合并的操作,直到所有分區(qū)均滿足條件且不能繼續(xù)合并下去.

2.2 航線設(shè)計

航線設(shè)計,顧名思義就是根據(jù)航攝任務(wù)的具體要求和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對劃定的航區(qū)進(jìn)行無人機飛行路線的設(shè)計,以保證航空攝影測量任務(wù)執(zhí)行的安全和質(zhì)量.

1)基準(zhǔn)線確定.

為方便航線規(guī)劃作業(yè)及對后期分區(qū)航線及航線攝影點的信息作統(tǒng)計,本文采用手動設(shè)定航線基準(zhǔn)線的方式,即手動在航區(qū)中劃定一條直線連接航區(qū)對應(yīng)兩條邊界,作為航線規(guī)劃的初始航線.當(dāng)劃定基準(zhǔn)線后,判斷基準(zhǔn)線與航區(qū)邊界的關(guān)系,若基準(zhǔn)線與航區(qū)邊界無交點或只有一個交點時即基準(zhǔn)線的長度長小于航區(qū)寬度,則需將基準(zhǔn)線舍棄并重新劃定;若基準(zhǔn)線與航區(qū)邊界有兩個交點時,記錄基準(zhǔn)線與航區(qū)邊界的交點坐標(biāo),將超出邊界的線段舍棄,且以航線進(jìn)入時的第一個交點為起始航線的起點.

2)航線規(guī)劃.

航線的規(guī)劃需依據(jù)式(2)計算航線間距. 然后以確定的基準(zhǔn)線為起始航線,在航區(qū)內(nèi)以生成平行線的方式創(chuàng)建初始航線.

(2)

式中:Dy為航線間距;Ly為像幅寬度;qy為旁向重疊度;H相對為無人機飛行的相對航高;f為相機焦距.

航線生成后,依據(jù)式(3)計算攝影基線長度,從而確定攝影點坐標(biāo),以完成攝影點的敷設(shè),最終完成航線的規(guī)劃.

(3)

式中:Bx為攝影基線長;Lx為像幅長度;qx為航向重疊度;H相對為無人機飛行的相對航高;f為相機焦距[9-10].

2.3 航攝方案書設(shè)計

無人機航空攝影測量方案設(shè)計書是對航區(qū)設(shè)計結(jié)果的直接體現(xiàn)以及對航攝參數(shù)與航攝規(guī)范條例的解讀. 本系統(tǒng)在完成對航攝航區(qū)的設(shè)計后,需將設(shè)計結(jié)果制定為一份航攝方案設(shè)計書并輸出為Word文檔.

本文對航攝方案設(shè)計書的設(shè)計內(nèi)容主要包含航攝任務(wù)的簡述、測區(qū)情況的描述、航攝方案設(shè)計結(jié)果的展示、航攝技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定、航攝任務(wù)的技術(shù)設(shè)計等內(nèi)容. 系統(tǒng)開發(fā)界面如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)界面

當(dāng)前軟件設(shè)計的目的在于完成對航攝區(qū)域的自動分區(qū)設(shè)計,對航攝任務(wù)的航攝參數(shù)、技術(shù)要求進(jìn)行規(guī)范化的設(shè)計,實現(xiàn)無人機航攝方案的自動化設(shè)計與輸出.實際航飛時,航攝人員可以依據(jù)輸出任務(wù)書的相應(yīng)設(shè)計,在飛控軟件中輸入對應(yīng)的設(shè)計參數(shù)以開展航空攝影測量工作．

3 實例應(yīng)用

本次實例應(yīng)用采用30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),選取云南省勐?？h部分區(qū)域作為航空攝影測量任務(wù)區(qū)域,以完成本次操作演示. 所選航區(qū)面積4.9 km2,區(qū)域地物最高點高程2228 m,最低點高程1873 m,如圖6所示為航攝區(qū)域范圍.

圖6 航攝區(qū)域

本次航攝任務(wù)的測圖比例尺為1∶2000,地面分辨率為0.2 m,依據(jù)相對航高計算公式計算可得航攝相對高程為747 m. 按照1/4H相對為高差限制條件,將高差間隔設(shè)置為186.75 m,近似為187 m,由于整個航攝區(qū)域地物高差為355 m,故可以187 m為高差間隔設(shè)置2個高差級別. 經(jīng)過航區(qū)分區(qū)處理后,得到最終分區(qū)結(jié)果,如圖7所示. 然后對航區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計,結(jié)果如圖8所示.

圖7 航區(qū)分區(qū)結(jié)果

圖8 航線設(shè)計結(jié)果

航區(qū)設(shè)計完成后,設(shè)計者需根據(jù)自身需求及系統(tǒng)界面相關(guān)提示輸入必要參數(shù)及航攝任務(wù)信息,并結(jié)合系統(tǒng)對航攝任務(wù)的設(shè)計以及系統(tǒng)內(nèi)置的航攝方案設(shè)計書Word模板完成最終的航攝方案設(shè)計書的制定并以Word文檔的形式保存在PC端用戶工程文件夾內(nèi). 如圖9所示為航攝方案設(shè)計書制定界面. 由于篇幅限制,實例應(yīng)用所生成的設(shè)計書不在此展示.

圖9 航攝方案設(shè)計書制定

基于本次實例應(yīng)用設(shè)計的結(jié)果,依據(jù)《(CH/Z 3005-2010)低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》,對其進(jìn)行分析[11],經(jīng)質(zhì)量檢查均滿足《規(guī)范》要求.

4 結(jié) 論

本文主要探討了無人機航空攝影測量方案設(shè)計的自動化方法,嚴(yán)格按照無人機航攝相關(guān)規(guī)范和要求[12]對無人機航空攝影測量方案書進(jìn)行設(shè)計,對軟件進(jìn)行了設(shè)計和開發(fā),最后選取實例應(yīng)用區(qū)域進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計和應(yīng)用,并輸出了一份詳盡的航攝方案設(shè)計書. 結(jié)果證明,本次設(shè)計的無人機航攝方案計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)能夠滿足系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的功能需求,生成的航攝方案設(shè)計書基本滿足實際航空攝影測量工作的要求. 可極大地提高無人機航攝方案設(shè)計的自動化過程,有效提升工作效率.