无人机航摄方案计算机辅助设计研究

王浩, 杨德宏, 李辉, 李鸿斌

(1.昆明理工大学 国土资源工程学院， 云南 昆明 650093;2.信阳师范学院 地理科学学院， 河南 信阳 464000;3.中国建筑材料工业地质勘查中心新疆总队， 新疆 乌鲁木齐830000)

0 引 言

在无人机航空摄影测量工作中,航摄任务的方案设计是一个十分重要的环节. 一份高质量的方案设计,可以在保证航空摄影测量任务执行的安全和质量的前提下,在很大程度上节约航摄成本,降低成像数据的冗余度,提高任务完成的效率. 当前无人机航摄任务方案设计主要依赖人工完成,或者是在航摄前通过无人机地面基准站软件设计相应参数,未通过系统设备进行辅助完成以及自动化过程,需要耗费大量的精力[1],难以满足无人机的具体工作要求. 而无人机航摄方案设计书的自动生成可以在无人机工作之前根据航区及无人机的相关参数制定一份方案设计书并实现输出,方便工作人员事先通过生成的设计书进行理论验证无人机飞行作业的可行性和安全性,为开展摄影测量工作提供技术和安全保障. 对于相关研究,于广瑞等[2]对无人机测量任务方案设计中的一般流程、具体工作内容和注意事项进行了归纳阐述,为实际作业提供了一些参考与借鉴. 段福洲等[3]提出了数字航空摄影航线的变基线设计方法,提高了航摄精度. 郭童英等[4]提出一种顾及空间关系与飞行安全的航摄分区算法,在对文献[3]优化的前提下进一步提高了航摄计划设计的精度和效率.

本文在此基础上,尝试研究计算机辅助生成无人机航摄方案的技术方法，结合地理数据(DEM)及相关航摄参数,建立一套规范化的无人机航摄方案设计书模板,研发适合无人机的航摄任务方案设计的软件系统,完成自动化过程,提高无人机航摄效率,实现无人机航摄作业的优化及高效运行.

1 软件总体设计

无人机航摄方案计算机辅助设计系统是一项以航摄任务为约束条件[5],进行航区设计、航摄参数设置,并在底图上显示设计结果,制定无人机航摄方案设计书的系统软件. 本文使用Visual Studio 2012作为开发平台,结合ArcGIS Engine等开源组件和类库搭建人机交互平台,加载地理数据,依据航区分区原则划分航摄区域,然后在分区基础上规划航线,最后结合航摄参数完成航空摄影测量方案的设计并输出对应的航摄方案设计书.

1.1 功能设计

本系统主要包含航区设计和航摄方案设计两个模块,其具有三个主要功能:航区分区、航线规划及航摄方案设计输出.

航区分区功能包括地理数据加载、航摄区域分区、航摄参数设置、二维显示等;航线规划功能包括地理数据加载、航线规划、航摄参数设置、二维显示等;航摄方案设计输出功能包括航摄参数设置、航摄方案制定、航摄方案输出等. 图1为系统使用示例图.

图1 系统使用示例图

1.2 框架结构设计

系统总体框架结构可以分为以下四个部分:文件管理层、地理数据显示层、航摄任务处理层、数据传输层. 图2为系统框架结构图.

图2 系统框架结构图

1)文件管理层:管理层主要使用xml 格式的文件,使用xml文件作为系统各个层次及模块之间的数据文件,提高各个模块之间的数据耦合性[5].文件管理层主要参与已设计好的航摄方案的保存以及相关航摄参数的存储.

2)地理数据显示层:地理数据显示层以地图控件Map Control为地理数据的载体,并将规划设计结果显示出来,包括航摄区域范围的地图显示,航区分区结果显示,航线规划结果显示. 以上内容均以二维形式在底图上展示.

3)航摄任务处理层:航摄任务处理层是系统的核心部分,主要是对于航摄参数、无人机参数、任务参数的设置与输入.提供人机交互界面,通过直观易懂的方式,方便软件使用者对航摄方案进行设计规划.

4)数据传输层:数据传输层主要作用为数据传输,提供各种数据存储格式的读取和保存.负责将航摄方案数据传输至PC端以及将航摄方案数据传输至无人机等.

1.3 工作流程设计

本系统的工作流程分为航区分区设计、航线规划和航摄方案设计书输出三个部分. 图3为系统总体流程图.

图3 系统总体流程图

本系统的定位是一个无人机航摄任务方案的设计平台,包括根据航摄要求对整个航摄方案进行设计以及对航摄方案设计书的输出. 系统主体流程如下:

1)航区分区流程:航区分区算法已加载到系统中,在此基础上依据航摄标准规定的原则,结合区域高程信息与无人机相对航高的比较,对整体多边形航区进行分区设计,并将分区结果以二维形式显示在底图上.

2)航线规划流程:无人机航线规划算法已经加载到系统中,以航区分区结果为基础,依据航摄标准及所需航摄参数完成航摄任务航线规划,航线规划结果以二维形式显示在底图上.

3)航摄方案输出流程:该流程功能主要将已设计好的无人机航空摄影测量任务方案设计书作为文档形式输出.该流程所需数据有两种,分别是航区分区结果、航线规划结果数据和相关航摄任务参数数据.

2 软件实现

2.1 航区分区

传统航空摄影测量工作中,对航摄测区的分区考虑较少.对航摄区域的分区工作通常采用人工方法进行,依赖其工作经验在地图上划分航摄区域.然而,人工方法工作量大,效率低下,且划分航区往往精度不高,导致划分不合理[6],且未考虑划分航区内的摄影分区基准面高程h基的动态改变,在实际生产中航高基本保持不变,从而导致航摄分区被划分得比较破碎,也造成了大量的像片冗余,和数据的浪费. 在实际航摄任务中,由于航摄任务的多样性以及航摄区域内地形地貌的复杂性,尤其是像我国西南地区如贵州、云南等地区,区域内地形多样,如山地、丘陵地势起伏变化较大,高程也有较大差异[7]. 因此,在实际的航空摄影测量任务中,需要充分考虑地形地貌高程差异较大的影响,对航摄区域采取分区航摄的方法进行相关的设计.

由于航空摄影测量对于航摄像片获取的地面分辨率要求较高,一般在0.2 m及以上分辨率[4],即要求的测图比例尺为1∶2000及以上大比例尺. 因此,依据航摄规范的要求,将按照1/4相对航高(1/4H相对)的高差限制标准对航摄区域进行分区. 本文依照上述原则,依据《低空数字航空摄影规范》(CH/Z 3005-2010)规定，在1∶1万或者更大比例尺地形图、影像图中圈划航摄区域. 然后通过区域高程统计结合栅格像元重分类的方法完成对航摄区域的分区，如图4所示为航区分区的主要方法流程. 其流程是：

1)高差限制条件确定. 基于已选择好的航摄区域，首先设定测图比例尺，航空摄影测量采用的比例尺一般为1∶500、1∶1000、1∶2000等大比例尺，则其相对应的地面分辨率为0.05 m、0.1 m、0.2 m. 设定比例尺后选择航摄所需相机，不同相机其相机焦距、像元大小各有差别，确定相机后，即可确定相机焦距及像元大小. 依据航摄规范规定的公式(1)计算无人机飞行相对航高，此时，取1/4H相对作为航区分区的高差限制.

(1)

式中：f为所选相机的焦距，mm；GSD为航摄所需地面分辨率，m；a为所选相机像元大小，um.

图4 航区分区步骤

2)高差间隔设置.将航区分区的高差限制作为设置航区分区高差间隔的标准,每1/4H相对为一个高差间隔,例如,以800 m为无人机相对航高,以1/4H相对即以200 m作为航摄分区的高差间隔.

3)重分类形成高差级别中心.读取所选择航摄区域的地物高程,计算区域内的高程差值即H差=Hmax-Hmin(地物最大高程与最小高程之差)将设置好的高差间隔作统计后作为航区分区的高差级别.利用航区高程差值除以高差间隔即H差/(1/4H相对)即可计算出高差级别. 然后以高差级别作为判断条件,对整个航摄区域进行重分类,例如,某区域高差为1000 m,若以200 m为高差间隔,则可将整个航区划分为0～200 m、200～400 m、400～600 m、600～800 m、800～1000 m,共5个级别. 调用ArcGIS Engine内置的Reclassify函数(重分类函数),对栅格像元进行重分类操作.

4)高差级别中心扩展为初始分区. 将重分类完成的航区从栅格转为矢量形式,这样可以将分区信息更好地输出. 调用ArcGIS Engine内置RasterToPolygon函数(栅格转矢量函数)将整个航区栅格转为矢量格式的面文件[8].

5)初始分区合并.由于各分区的空间分布的问题,可能会得到较多的分区,因此需要对初始分区进行合并才能满足要求.对于已经划分好的区域,统计分区内基准面高程,将基准面高程相近且地形空间上相邻的分区,依据高差限制条件进行合并.合并方式与初始分区方式类似,并重新对分区进行编号.遍历所有航摄分区,对所有分区进行重复合并的操作,直到所有分区均满足条件且不能继续合并下去.

2.2 航线设计

航线设计,顾名思义就是根据航摄任务的具体要求和相应的标准规范对划定的航区进行无人机飞行路线的设计,以保证航空摄影测量任务执行的安全和质量.

1)基准线确定.

为方便航线规划作业及对后期分区航线及航线摄影点的信息作统计,本文采用手动设定航线基准线的方式,即手动在航区中划定一条直线连接航区对应两条边界,作为航线规划的初始航线.当划定基准线后,判断基准线与航区边界的关系,若基准线与航区边界无交点或只有一个交点时即基准线的长度长小于航区宽度,则需将基准线舍弃并重新划定;若基准线与航区边界有两个交点时,记录基准线与航区边界的交点坐标,将超出边界的线段舍弃,且以航线进入时的第一个交点为起始航线的起点.

2)航线规划.

航线的规划需依据式(2)计算航线间距. 然后以确定的基准线为起始航线,在航区内以生成平行线的方式创建初始航线.

(2)

式中:Dy为航线间距;Ly为像幅宽度;qy为旁向重叠度;H相对为无人机飞行的相对航高;f为相机焦距.

航线生成后,依据式(3)计算摄影基线长度,从而确定摄影点坐标,以完成摄影点的敷设,最终完成航线的规划.

(3)

式中:Bx为摄影基线长;Lx为像幅长度;qx为航向重叠度;H相对为无人机飞行的相对航高;f为相机焦距[9-10].

2.3 航摄方案书设计

无人机航空摄影测量方案设计书是对航区设计结果的直接体现以及对航摄参数与航摄规范条例的解读. 本系统在完成对航摄航区的设计后,需将设计结果制定为一份航摄方案设计书并输出为Word文档.

本文对航摄方案设计书的设计内容主要包含航摄任务的简述、测区情况的描述、航摄方案设计结果的展示、航摄技术要求及标准的规定、航摄任务的技术设计等内容. 系统开发界面如图5所示.

图5 系统界面

当前软件设计的目的在于完成对航摄区域的自动分区设计,对航摄任务的航摄参数、技术要求进行规范化的设计,实现无人机航摄方案的自动化设计与输出.实际航飞时,航摄人员可以依据输出任务书的相应设计,在飞控软件中输入对应的设计参数以开展航空摄影测量工作．

3 实例应用

本次实例应用采用30 m分辨率DEM数据作为基础地理数据,选取云南省勐海县部分区域作为航空摄影测量任务区域,以完成本次操作演示. 所选航区面积4.9 km2,区域地物最高点高程2228 m,最低点高程1873 m,如图6所示为航摄区域范围.

图6 航摄区域

本次航摄任务的测图比例尺为1∶2000,地面分辨率为0.2 m,依据相对航高计算公式计算可得航摄相对高程为747 m. 按照1/4H相对为高差限制条件,将高差间隔设置为186.75 m,近似为187 m,由于整个航摄区域地物高差为355 m,故可以187 m为高差间隔设置2个高差级别. 经过航区分区处理后,得到最终分区结果,如图7所示. 然后对航区进行航线设计,结果如图8所示.

图7 航区分区结果

图8 航线设计结果

航区设计完成后,设计者需根据自身需求及系统界面相关提示输入必要参数及航摄任务信息,并结合系统对航摄任务的设计以及系统内置的航摄方案设计书Word模板完成最终的航摄方案设计书的制定并以Word文档的形式保存在PC端用户工程文件夹内. 如图9所示为航摄方案设计书制定界面. 由于篇幅限制,实例应用所生成的设计书不在此展示.

图9 航摄方案设计书制定

基于本次实例应用设计的结果,依据《(CH/Z 3005-2010)低空数字航空摄影规范》,对其进行分析[11],经质量检查均满足《规范》要求.

4 结 论

本文主要探讨了无人机航空摄影测量方案设计的自动化方法,严格按照无人机航摄相关规范和要求[12]对无人机航空摄影测量方案书进行设计,对软件进行了设计和开发,最后选取实例应用区域进行了相应的设计和应用,并输出了一份详尽的航摄方案设计书. 结果证明,本次设计的无人机航摄方案计算机辅助设计系统能够满足系统规划设计的功能需求,生成的航摄方案设计书基本满足实际航空摄影测量工作的要求. 可极大地提高无人机航摄方案设计的自动化过程,有效提升工作效率.