一種顧及空間關(guān)系與飛行安全的無人機(jī)航攝分區(qū)方法

郭童英，劉曉龍，孟培培

(中測新圖(北京)遙感技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100039)

航空攝影測量的任務(wù)設(shè)計(jì)是其重要的組成部分,直接關(guān)系著航空攝影測量作業(yè)的作業(yè)效率、作業(yè)精度與作業(yè)成功率。航空攝影測量的任務(wù)設(shè)計(jì)分為航攝區(qū)域的分區(qū)設(shè)計(jì)和航線敷設(shè)設(shè)計(jì)兩個方面。傳統(tǒng)攝影測量都是采用等基線攝影測量的方式,等基線的航空攝影作業(yè)對于平坦地區(qū)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,但是對于丘陵、山區(qū)等作業(yè)區(qū)域高程起伏較大的地區(qū),高程的起伏會影響相鄰航空影像的航向重疊度和旁向重疊度。文獻(xiàn)[1—3]研究了基于DEM的航攝任務(wù)設(shè)計(jì)的基本方法和技術(shù)；文獻(xiàn)[2]提出了基于DEM航線設(shè)計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)；中國測繪科學(xué)研究院等單位的科研人員也曾采用人工計(jì)算的變基線航攝設(shè)計(jì)方法進(jìn)行航攝任務(wù)設(shè)計(jì)。這些研究與試驗(yàn)在沒有相關(guān)軟硬件的支持下,主要側(cè)重于航攝任務(wù)的分區(qū)設(shè)計(jì)及通過手工計(jì)算來進(jìn)行變基線的航攝設(shè)計(jì)。在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的空中定點(diǎn)曝光后,基于DEM的變基線航攝作業(yè)方式將大大減少航空攝影測量的立體像對數(shù)。在目前航空攝影測量處理的對象仍然是立體像對的情況下,減少立體像對數(shù)將大大減少航攝處理工作量，縮短作業(yè)周期。

無人機(jī)影像存在像幅較小、像片數(shù)量多、影像傾角大且傾斜方向沒有規(guī)律、航向重疊度和旁向重疊度不規(guī)則等問題,這些問題給影像匹配和空中三角測量等內(nèi)業(yè)處理都帶來一定困難，基高比小會導(dǎo)致高程精度低。為了提高高程精度，需減小相機(jī)焦距，這就要求飛行相對高度較低，而飛行高度較低不適合高差較大區(qū)域，同時隨著傾斜攝影技術(shù)發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影使得航攝分區(qū)與航線設(shè)計(jì)更加困難。本文提出顧及空間關(guān)系與飛行安全的航攝分區(qū)算法，可以有效將零碎分區(qū)合并，并保證飛行安全，基本達(dá)到每平方千米2個以下分區(qū)，滿足無人機(jī)飛行要求。

1 無人機(jī)航攝分區(qū)方法

無人機(jī)在高差較大區(qū)域，需要改變基本比例尺圖幅，否則按照傳統(tǒng)一個圖幅的高差很可能超限，無法進(jìn)行分區(qū)。在確定基本比例尺圖幅后，需要按照高差限制與飛行安全距離制定一個分區(qū)高差間隔，按照間隔將整個航攝區(qū)域分為不同級別。然后再按照空間分布聚類形成初始分區(qū)塊。接著根據(jù)高差間隔與超限比例進(jìn)行有效合并，形成航攝分區(qū)。對形成的航攝分區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，并對航線及周邊進(jìn)行立體安全檢測，當(dāng)所有飛行路徑都安全時，航攝分區(qū)才算完成，否則對于安全檢測不合格區(qū)域需再次進(jìn)行分區(qū)、航線設(shè)計(jì)和飛行安全檢測，直至完全通過安全檢測。

1.1 確定基本比例尺圖幅

無人機(jī)飛行影像分辨率較高，一般為0.2 m以下，采用分辨率對應(yīng)比例尺圖較為合適，如0.1 m對應(yīng)1∶1000比例尺圖，0.2 m對應(yīng)1∶2000比例尺圖，0.05 m對應(yīng)1∶500比例尺圖，對于介于上述分辨率之間的分辨率，應(yīng)盡量向大比例尺圖靠近，如0.08 m對應(yīng)1∶500比例尺圖，這樣能充分保證成圖精度。

1.2 聚類形成級別中心

首先根據(jù)飛行高度確定高差限制，根據(jù)規(guī)范應(yīng)小于1/4航高，如果高差大于飛行安全高度，則取該值為高差間隔，否則取飛行安全高度為高差間隔。其次用高差間隔與攝區(qū)高差將整個航攝區(qū)域分為不同級別，然后統(tǒng)計(jì)每個級別的平均高程、高差與圖幅數(shù)，當(dāng)圖幅數(shù)較少時，將此類圖幅分辨分配到相鄰類別中，當(dāng)高差大于高差間隔時，將此類分裂為兩個類，兩類數(shù)量基本一致。重復(fù)合并與分裂的過程，直至不再變化，并且使得所有級別都能有序排列，每類圖幅數(shù)適當(dāng)，高差滿足要求。

1.3 種子點(diǎn)擴(kuò)展形成初始分區(qū)

采用四鄰域追蹤的方法從左上角的圖幅開始，合并同類分區(qū)的各個圖幅，對合并后的每個分區(qū)計(jì)算其基準(zhǔn)面高程。

由于空間分布關(guān)系，得到的分區(qū)很多，需要進(jìn)行下一步合并才能滿足要求。

1.4 合并形成航攝分區(qū)

為了保證飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時的安全，應(yīng)首先分析航攝區(qū)域的地形方向，確定飛行方向，確保飛行安全。對航攝區(qū)域自上而下、自左而右統(tǒng)計(jì)每條線上的高度走向，將高頻出現(xiàn)方向定為整個區(qū)域的方向，然后以該方向確定飛行方向。如果地形為北高南低，那么航線飛行應(yīng)該沿東西方向，分區(qū)盡量南北排列，避免航線兩端高差過大。如果兩邊高中間低的盆地或溝形狀的，需要統(tǒng)計(jì)其他方向，并盡量按山形設(shè)置飛行方向。

根據(jù)高差間隔合并具有相近基準(zhǔn)面高程，并且空間上相鄰的分區(qū)為新的分區(qū)，每合并一個分區(qū)都要重新計(jì)算基準(zhǔn)面高程，合并時要考慮飛行方向，盡量與飛行方向一致的小分區(qū)合并，這樣有利于飛行。重復(fù)進(jìn)行合并，直至不能合并為止，形成新的航攝分區(qū)。

1.5 分區(qū)航線設(shè)計(jì)

對每個分區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，并合理規(guī)劃轉(zhuǎn)彎路線。航線設(shè)計(jì)方法比較成熟，按常規(guī)方法即可，轉(zhuǎn)彎路線有些不同。對于無人機(jī)飛行，像幅小、旁向重疊度較大，因此旁向距離小，用正常轉(zhuǎn)彎距離很難到下一航線，因此需要從該航線(航線1)轉(zhuǎn)向鄰近位置并繞一定距離才能到下一航線(航線2)(如圖1所示)，具體計(jì)算如下：

圖1 航線擴(kuò)展點(diǎn)

(1) 構(gòu)建距離此航線轉(zhuǎn)彎半徑的直線。當(dāng)兩條航線距離小于轉(zhuǎn)彎半徑時，需要構(gòu)建相反方向距離此航線轉(zhuǎn)彎半徑的平行線。

(2) 構(gòu)建經(jīng)過此航線的擴(kuò)展點(diǎn)垂直于此航線的垂直線。

(3) 兩條直線交點(diǎn)即為該航線上新的擴(kuò)展點(diǎn)。平行線與垂直線交點(diǎn)即為該航線上新的擴(kuò)展點(diǎn)，連接航線末點(diǎn)與新擴(kuò)展點(diǎn)形成新的航線。

1.6 立體安全檢測

立體安全檢測指進(jìn)行前左右下4個方向檢測，保證4個方向安全距離內(nèi)無任何地物。

對于每兩個航行點(diǎn)(曝光點(diǎn)之間、曝光點(diǎn)與擴(kuò)展點(diǎn)、擴(kuò)展點(diǎn)與機(jī)場)，都要進(jìn)行立體檢測。每兩個航行點(diǎn)之間，計(jì)算一個矩形范圍，對矩形范圍內(nèi)的DEM格網(wǎng)點(diǎn)都要進(jìn)行檢測，所有點(diǎn)均不能超過安全高度(如圖2所示)。矩形范圍具體計(jì)算如下：

(1) 計(jì)算兩個航線點(diǎn)所在直線方向與垂線方向。通過兩個坐標(biāo)差得到直線方向。設(shè)兩點(diǎn)坐標(biāo)為Pt1(x1,y1)、Pt2(x2,y2)，則方向?yàn)?x2-x1,y2-y1)，垂線方向?yàn)?y2-y1,x1-x2)。

圖2 立體檢測區(qū)域范圍圖

兩點(diǎn)坐標(biāo)分別為

x3=x1+R*(y2-y1)/dd

y3=y1+R*(x1-x2)/dd

x4=x1-R*(y2-y1)/dd

y4=y1-R*(x1-x2)/dd

將第二點(diǎn)沿垂線方向各向兩邊擴(kuò)展飛行安全距離得到兩個點(diǎn)，同樣得到另外兩點(diǎn)

x5=x2+R*(y2-y1)/dd

y5=y2+R*(x1-x2)/dd

x6=x2-R*(y2-y1)/dd

y6=y2-R*(x1-x2)/dd

(3) 將4個點(diǎn)有序排列組成四邊形，即為需要檢測的矩形。

2 應(yīng)用實(shí)例

以延慶山區(qū)為試驗(yàn)區(qū)，該航攝區(qū)域內(nèi)的淺色區(qū)域?yàn)楦唿c(diǎn)，深色區(qū)域?yàn)榈忘c(diǎn)，最高點(diǎn)高程1118 m，最低點(diǎn)高程559 m。所選擇的DEM數(shù)據(jù)格網(wǎng)間隔為90 m，攝區(qū)面積3.64 km2，如圖3所示。

圖3 航攝區(qū)域

分區(qū)高差限制190 m，安全高度200 m，5%超限面積比例，1∶500成圖圖幅。

將高差間隔定為200 m，整個區(qū)域高差560 m，分為3個級別，經(jīng)過聚類后得到37個分區(qū)，如圖4所示。

圖4 聚類結(jié)果

根據(jù)此區(qū)域南低北高特點(diǎn)，確定飛行方向?yàn)闁|西向，分區(qū)也自北向南排列，第3、第4分區(qū)為兩個山溝，高差不大，可以東西飛行，分區(qū)情況如圖5所示。

圖5 分區(qū)結(jié)果

對每個分區(qū)進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 航線設(shè)計(jì)

通過立體安全檢查，所有航線、轉(zhuǎn)彎、往返機(jī)場都安全，自動分區(qū)順利完成。

3 結(jié) 論

通過以上試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 無人機(jī)航攝分區(qū)的飛行安全距離遠(yuǎn)大于高差限制，需要顧及區(qū)域整體地形情況，必須事先確定飛行方向后再進(jìn)行分區(qū)。

(2) 合并小分區(qū)時必須考慮歸并到哪個分區(qū)更合理，需要考慮整體分區(qū)走向。

(3) 初始聚類時，分裂時不是以空間關(guān)系而定，而是以分裂后圖幅數(shù)大致相同來定。

本文主要探討了無人機(jī)航攝在山區(qū)自動分區(qū)問題，并提出了顧及空間關(guān)系與飛行安全無人機(jī)航攝分區(qū)方法。試驗(yàn)證明，該方法適用于山區(qū)、高山區(qū)的航攝自動分區(qū)。