基于CAD的無人機(jī)POS數(shù)據(jù)處理工具開發(fā)

劉京

摘要：無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)處理中，POS數(shù)據(jù)在影像拼接和三維快速建模中有著十分重要的作用。為了充分利用無人機(jī)POS數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)原始POS數(shù)據(jù)丟失、無法直接可視化等缺陷，開發(fā)了基于CAD平臺(tái)的POS數(shù)據(jù)處理工具，該工具能夠以交互式的方式編輯POS數(shù)據(jù)并導(dǎo)出到航測(cè)軟件中，提高了航測(cè)內(nèi)業(yè)處理的效率。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)POS;數(shù)據(jù)處理;CAD二次開發(fā)

中圖分類號(hào)：V557 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

無人機(jī)POS數(shù)據(jù)在空三自由網(wǎng)平差、像控點(diǎn)預(yù)測(cè)等方面有著十分重要的作用，可靠完整的POS既能夠加快空三計(jì)算和三維建模的速度，又能夠提高正射拼接影像的正確性。不僅如此，如果將POS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的照片范圍投影到一定高度的地面，可以以可視化的方式檢查原始照片的航向和旁向重疊度，如果再將像控點(diǎn)坐標(biāo)展繪進(jìn)來，自動(dòng)識(shí)別與控制點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的照片，幫助內(nèi)業(yè)人員快速定位每個(gè)像控點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的原始照片，這能夠大幅提高空三刺像控點(diǎn)時(shí)的效率。

由于無人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)、地物遮擋等原因，無人機(jī)在飛行過程中，GPS信號(hào)會(huì)出現(xiàn)斷片的情況，導(dǎo)出的POS數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)成片的丟失。對(duì)于這種情況，考慮到POS參與航測(cè)數(shù)據(jù)后處理的精度不必太高和飛機(jī)航線本身的線性特征關(guān)系，可以采用線性插值的方式解決。

基于以上背景，筆者采用VB.net語言，開發(fā)了基于CAD的無人機(jī)POS數(shù)據(jù)處理工具。該工具實(shí)現(xiàn)了POS數(shù)據(jù)的可視化、丟失POS的插值、POS數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)照片覆蓋區(qū)生成等功能。本文將詳細(xì)介紹POS數(shù)據(jù)后處理的流程及這些軟件功能的實(shí)現(xiàn)方法。

1 POS數(shù)據(jù)處理工作流程

無人機(jī)POS數(shù)據(jù)處理的工作流程主要包括以下4個(gè)步驟。

1.1 高斯正向投影

無人機(jī)原始POS數(shù)據(jù)坐標(biāo)系采用的是WGS84地理坐標(biāo)系，用經(jīng)緯度表示，適用于在球面坐標(biāo)系中，而AutoCad采用的是平面直角坐標(biāo)系，因此要在CAD中表示POS數(shù)據(jù)，需要對(duì)原始POS數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯正向投影，將經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國家標(biāo)準(zhǔn)帶平面坐標(biāo)或者地方獨(dú)立坐標(biāo)。

1.2 CAD中繪制POS數(shù)據(jù)

首先在CAD中繪制投影后的POS中心點(diǎn)數(shù)據(jù)，并在中心點(diǎn)位置注記POS序號(hào)，然后調(diào)用無人機(jī)相機(jī)參數(shù)，繪制POS中心點(diǎn)所在相片覆蓋區(qū)矩形框，該矩形框代表無人機(jī)在該P(yáng)OS點(diǎn)拍攝照片所覆蓋測(cè)區(qū)的范圍，所有的矩形框構(gòu)成了無人機(jī)在本次飛行過程的航跡，即航線。

1.3 內(nèi)插POS數(shù)據(jù)

由于已經(jīng)繪制出了無人機(jī)飛行航線，通過目視解讀，即可檢查出POS數(shù)據(jù)的質(zhì)量及丟失情況。對(duì)于有丟失的POS，需要利用相鄰的POS點(diǎn)位信息和航線的航跡特征，內(nèi)插出丟失的POS數(shù)據(jù)。

1.4 高斯反向投影

通過高斯投影反算程序，將檢查無誤的POS數(shù)據(jù)反向投影為經(jīng)緯度格式的數(shù)據(jù)，并導(dǎo)出為跟原始POS數(shù)據(jù)格式一致的文件。

2 關(guān)鍵算法

基于CAD的無人機(jī)POS數(shù)據(jù)處理工具開發(fā)中涉及了一系列算法，主要有大地坐標(biāo)和平面直角坐標(biāo)互相轉(zhuǎn)換的高斯正反算算法、POS對(duì)應(yīng)相片覆蓋區(qū)生成算法和POS內(nèi)插等算法。

2.1 高斯正反算算法

無人機(jī)飛行中獲取的POS數(shù)據(jù)的格式是經(jīng)緯度的形式，坐標(biāo)系是地理坐標(biāo)系（WGS84），而CAD中只能表示平面直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)，所以無法將該格式的數(shù)據(jù)直接在CAD中展繪出來。為此，我們必須先將POS數(shù)據(jù)投影到平面直角坐標(biāo)系中，這就是高斯正算。在對(duì)投影后的POS數(shù)據(jù)做相片覆蓋區(qū)生成、丟失點(diǎn)內(nèi)插等操作后，為了導(dǎo)出處理完成的POS數(shù)據(jù)，又需要將POS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度格式，這就是高斯反算。完成高斯反算的POS數(shù)據(jù)，可以直接導(dǎo)入到Pix4d、ContextCapture等航測(cè)軟件中，參與空三解算、影像拼接等航測(cè)數(shù)據(jù)處理。高斯正反算具體的公式可以參考相應(yīng)的大地測(cè)量學(xué)書籍。

2.2 相片覆蓋區(qū)生成算法

如果將無人機(jī)相片的拍攝范圍按照一定的高度投影到實(shí)地，就能夠得到相片在該高度下的相片覆蓋區(qū)矩形。該高度如果是每張相片真實(shí)的航高，所得相片覆蓋區(qū)就能真實(shí)體現(xiàn)實(shí)際的相片覆蓋范圍及相片之間的關(guān)系。通過相片覆蓋區(qū)的可視化，我們可以直觀地得到航向重疊度、旁向重疊度等參數(shù)，從而快速的評(píng)估本次飛行的質(zhì)量。相片覆蓋區(qū)的另外一個(gè)作用是幫助業(yè)內(nèi)人員快速的定位野外控制點(diǎn)在相片的位置。

式中x，y表示要內(nèi)插的POS數(shù)據(jù)的平面坐標(biāo)，x0，y0，x1，y1分別代表內(nèi)插點(diǎn)相鄰兩已知POS點(diǎn)的平面坐標(biāo)，t是步長，取值在0～1，限定內(nèi)插的點(diǎn)位于相鄰已知POS點(diǎn)間。編寫程序時(shí)，t可以用需要內(nèi)插點(diǎn)的個(gè)數(shù)的倒數(shù)來表示，在循環(huán)中，t保持自增。

對(duì)于第二個(gè)問題，由于相鄰兩已知POS點(diǎn)的序號(hào)具有有序性，而從以上未知點(diǎn)POS數(shù)據(jù)內(nèi)插公式可知，未知POS數(shù)據(jù)內(nèi)插總是從靠近第一個(gè)已知的POS數(shù)據(jù)開始內(nèi)插，因此未知POS點(diǎn)的點(diǎn)序號(hào)可以看成從第一個(gè)已知POS數(shù)據(jù)遞增或遞減得到。

3 基于CAD的POS數(shù)據(jù)處理工具實(shí)現(xiàn)

基于CAD的二次開發(fā)方式有Lisp、VBA、ObjectARX和.Net API。其中，基于.Net平臺(tái)對(duì)CAD進(jìn)行二次開發(fā)，可以充分利用.Net的各種優(yōu)勢(shì)，在保證功能強(qiáng)大的前提下大幅提高開發(fā)速度。

Visual Basie.Net是基于微軟.Net Framework之上的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。筆者采用VB.Net語言，基于AutoCAD平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了POS數(shù)據(jù)處理工具的全部功能。

3.1 VB.Net調(diào)用CAD類庫

在VS環(huán)境中引用AutoCAD 2006 Type Libaray庫，并使用”Using”方法引用Autodesk.AutoCAD.Interop和Autodesk.AutoCAD.Interop.Common兩個(gè)命名空間。在程序最外層定義acadApp和acadDoc兩個(gè)對(duì)象，分別代表CAD應(yīng)用程序和CAD文檔。程序初始化的時(shí)候，創(chuàng)建兩個(gè)對(duì)象的實(shí)例，具體代碼如下：

Private Sub Main_Load（ByVal sender As System.Object，ByVal e As System.EventArgs） Handles MyBase.Load

Try

acadApp = GetObject（， "AutoCAD.Application"）

Catch ex As Exception

acadApp = CreateObject（"AutoCAD.Application"）

End Try

acadApp.Visible = True

AppActivate（acadApp.Caption）

acadDoc = acadApp.ActiveDocument

End Sub

3.2 功能實(shí)現(xiàn)

軟件主要由主窗體類（mainCLS）、算法類（algorithmCLS）和繪制類（drawCls）3個(gè)類模塊組成。其中主窗體類實(shí)現(xiàn)了用戶交互的主界面;算法類實(shí)現(xiàn)了高斯正反算算法、相片覆蓋區(qū)生成算法、POS丟失點(diǎn)內(nèi)插算法和自動(dòng)查找控制點(diǎn)所在照片等算法;繪制類實(shí)現(xiàn)了POS點(diǎn)位置和注記繪制、相片覆蓋區(qū)繪制、控制點(diǎn)與所在照片連接線繪制等圖形可視化功能。篇幅所限，下文僅列舉POS丟失數(shù)據(jù)內(nèi)插算法實(shí)現(xiàn)代碼：

Dim t ? ? ? ? ? ? ? ? ? ‘定義步長

Dim xuhao ? ? ? ? ? ? ? ‘內(nèi)插點(diǎn)序號(hào)

If no_1 < no_2 Then

For i = 1 To cnt '如果第1個(gè)POS對(duì)象的序號(hào)小于第2個(gè)POS對(duì)象的序號(hào)

t = i / （cnt + 1）

xuhao = no_1 + i

xc = x0 * （1 - t） + t * x1

yc = y0 * （1 - t） + t * y1

drawRect（xc， yc， m_l， m_w， xuhao， 1.5） ‘繪制覆蓋區(qū)矩形

Next

Else

For i = 1 To cnt

t = i / （cnt + 1）

xuhao = no_1 - i

xc = x0 * （1 - t） + t * x1

yc = y0 * （1 - t） + t * y1

drawRect（xc， yc， m_l， m_w， xuhao， 1.5）

Next

End If

3.3 結(jié)果展示

利用VB.Net環(huán)境調(diào)用CAD類庫開發(fā)的無人機(jī)POS數(shù)據(jù)處理工具界面如圖1所示，圖片展示了查找控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)照片這一功能。白色的十字絲表示控制點(diǎn)的位置，與其相連的紅色虛線另外一端是相片矩形覆蓋區(qū)，連接關(guān)系表示相片矩形覆蓋區(qū)包含了該控制點(diǎn)。

4 結(jié)語

本文闡述了無人機(jī)POS數(shù)據(jù)處理的工作流程，并根據(jù)關(guān)鍵算法開發(fā)了基于CAD的無人機(jī)POS數(shù)據(jù)處理工具。該工具能夠以可視化界面的方法，幫助內(nèi)業(yè)人員快速進(jìn)行無人機(jī)POS數(shù)據(jù)后處理，處理后的POS數(shù)據(jù)能夠正確地被航測(cè)軟件導(dǎo)入，參與后續(xù)的航測(cè)內(nèi)業(yè)處理，提高航測(cè)內(nèi)業(yè)的處理效率。本文開發(fā)的工具是在二維CAD下實(shí)現(xiàn)的，有一定的局限性，以后的研究可以考慮加入POS中的姿態(tài)角等參數(shù)，在不經(jīng)過高斯正反算的情況下，直接在三維環(huán)境下完成POS數(shù)據(jù)的后處理工作，實(shí)現(xiàn)真正的三維交互。

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