基于Google地图数据的可视化无人机航线规划研究

李秀丽

(福建省测绘院，福建 福州350003)

一、引 言

航测成图是获取高分辨率影像资料的一个重要来源，航摄飞行是航测成图的关键步骤，而航线的规划工作则是决定航空拍摄任务完成质量的关键因素。现行的无人机飞行控制软件UP-30具有绘制航线的功能，但是其功能单一，操作复杂。在外业操作过程中，底图信息不足、屏幕反光、数据计算不便等因素，严重影响着作业的效率和质量。本文根据存在的问题，提出以Google地图影像和DEM数据为基础，依据测区的范围，使用循环算法自动求解出航点坐标，并且一键式导入飞控系统UP-30，以指导飞行作业(如图1所示)。

图1 模块组成

二、影像数据的获取

在没有已知底图数据的情况下，可以从Google Earth上下载影像数据。GetScreen软件下载卫星影像是按网格下载，可以设置截屏的高度，并进行自动拼图。Google Earth空间参考系为改良的UTM投影，但是GetScreen软件没有考虑投影关系，因此在下载大区域图像拼接时会产生错位，需要进行几何纠正以保证坐标信息的正确性。通过试验，笔者认为下载影像时以下设置会减少错位现象:

1)在Google Earth的“层设置面板”中取消“地形”选项。

2)打开“工具”下拉菜单的“选项”，选中“Direct X”和“安全模式”。

3)由于屏幕刷新需要时间，可增加延迟时间，一般不大于1000 ms。

4)先启动Google Earth，可再启动GetScreen。

5)GetScreen截屏高度的校正。应用GetScreen软件把Google Earth全幅截屏到窗口，原来1024 dpi的图像被压缩到722 dpi的窗口中，于是就产生了一个倍率压缩。截屏后获得的图像看上去比在Google Earth中同高度看到的要小，需要在截屏时根据二者的差值作校正，即校正系数为722/1024=0.705，也就是

三、飞行参数

飞行参数是航线设计的基础资料，是底图数据之外的又一大模块，参数的自动计算能减少外业人员的计算量。在知道目标参数后，首先确定飞行高度。设目标像素的大小为P0，像元大小为P，则f/H=P/P0，进一步解得相对航高H=fP0/P。各个参数的计算公式如下

式中，f为镜头长度;P为像元大小;H为相对航高;θ1为平行飞行方向视场角;θ2为垂直飞行方向视场角;o1为航向重叠度;o2为旁向重叠度;S1为相邻航线间隔;S2为曝光间隔;T为等时曝光时间;V为飞行速度;D为地面分辨率大小;W1为地面幅面宽;W2为地面幅面高。

四、航线设计

1.地形起伏的影响

地形起伏会直接影响航片重叠度。根据式(1)可得，在航线间隔和视场角不变的情况下，H越小，o1和o2值越小。重叠度在低空航测系统中是一个很重要的概念，它对航测的很多环节都有影响。

(1)重叠度与相对定向精度的关系

分别对不同重叠度的影像进行相对定向点的采集，见表1。从表1可以看出，随着航向重叠度的增加，相对定向的中误差逐渐减小;多余的观测数越多，结果的精度及可靠性就越高。

表1 航向重叠度和匹配点数及中误差的关系

(2)重叠度与匹配的难易程度的关系

利用金字塔影像相关技术和最大相关系数法识别同名点对，在剔除粗差的同时求解未知参数。重叠度小的相邻影像间的差异可能很大，匹配难度增加;重叠度大的影像差异小，匹配容易。当重叠度较小时，受高差的影响，几何变形比较严重，增加了匹配的困难性［1］;重叠度越大，交会角越大，提高了高程和平面方向的交会精度，并增加了结果的可靠性，可满足高精度三维重建和其他应用的需要［2］。

基于重叠度的重要性，在航线设计产生航点之后，导入DEM数据进行地形检查很有必要。在检查之前先根据式(1)确定航高的临界值。通常无人机航拍的航向重叠度不得少于80%，旁向重叠度不得少于60%，这可根据后处理软件的性能和经验值而定。设o11和o22分别为航向重叠度和旁向重叠度的临界值，则 o11≥o1，o22≥o2，推导而知

H能取得的最小值作为航高的临界值H1，则某点的高程值h≤H-H1。取高程值的临界值为h1，当高程值大于h1时，增加航点，且航高改变为H+h。

综上所述，航线设计需要综合考虑地形地貌、续航时间、测区面积等因素，合理地划分架次，还需外业踏勘选准起飞点，适合在开阔、信号干扰少地区选取，而后为每个架次设计曝光点。

2.航线的自动化生成思路

航线设计中需要考虑的主要问题是影像的获取和结果如何导入UP-30，其中起到串联作用的是MapInfo软件。运用基于MapInfo的二次开发语言MapBasic可避免利用其他语言可能造成的问题，如坐标系转换、配准、文件格式的转换等。利用Map-Info自身的配准及坐标系，产生的航线作为单独的图层存储，生成之后将其作为航线层导入UP-30进行导航。

3.航点具体求解的方法

生成航线的具体步骤是:①测区的绘制;②飞行参数的输入;③产生航点数据。系统能够根据作业的具体要求，自动计算出飞行航点，以指导飞行作业。假设飞行区域为 P1、P2、P3、P4、P5、…、Pn，n为测区的角点数目。计算过程中假设经度方向为X轴，纬度方向为 Y轴，经纬度以度的形式表示，如图2所示。

图2 航点坐标解算示意图

算法的实现过程如下:

1)首先应用ObjectNodeX和ObjectNodeY函数读出测区角点坐标，根据所需已知数据解求航线间隔D、基线长度、斜率 K、X最大值 Xmax、X最小值Xmin、Y 最小值 Ymin。

2)为了保证测区每一块都在航线内，使X1=Xmin-(Xmax-Xmin)/2。

3)由P点坐标和斜率K求直线0的方程。此方程交 L 线于 D0(XD0，YD0)，即

4)由D0坐标及相邻航线间隔求航线1的方程，需要实现米和度之间的换算。

a.如果是在同一纬线上，则两点间的距离=经度差×111×cos(纬度)，单位为km。

b.如果是在同一经线上，则两点间的距离=纬度差×111，单位为km。

采用距离分量的方法计算D1点的坐标。把相邻航线间隔分成X、Y方向的两个分量，用ΔX和ΔY分别表示X及Y方向的距离量，用θ表示倾斜角，K存在时，有:

当K＞0时

当K＜0时

5)由D1点坐标及航线斜率K求航线的方程。

6)遍历测区的各个边，求航线方程和边的交点，并判断交点是否在边线段内，如果在则交点为航点初值。

7)把航点初值向外拓展一个基线的长度，获得航点坐标。

8)重复以上步骤4)和5)分别求得每条航线上两端的航点，并判断YDn，当YDn＜Ymin时，退出循环。

9)特殊情况下，当K不存在时，航线方程沿着X轴向外拓展，航点求法不变。

五、结 论

在UP-30中，航线的设计是根据起始航点确定航线的长度及方向，已知航线间隔和航线的条数，在选定转向的条件下自动生成平行等长的航线。这种设计方法的一个缺点就是航线没有根据测区的实际情况而定，在一些边缘地带存在不必要的飞行区域，浪费了飞行时间和资源，原设计方式如图3(a)所示，改良后的航线如图3(b)所示。

图3

改良后，相比于以前的航线设计优点有:

1)航线根据测区的边界而定，除去了因航线规整化下多余的拍摄，提高了航片的可用性。

2)传统作业模式下航线设计于纸质图上，外业需要重新绘制。本系统中航线的设计直接在电子地图上完成，可以直接导入飞控系统并应用，减少了外业工作的繁杂度。

3)相比于传统航线的设计，本系统自动化更高，直接人工操作更少，符合自动化作业的理念与趋势。

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