消費級無人機傾斜攝影航線規(guī)劃及地面站實現

黃鶴 李若鵬 王柳

摘要 消費級無人機已成為新型對地影像獲取平臺.本文依據傾斜攝影原理及消費級無人機自身特性提出了不同的航線規(guī)劃方法，具體可分為全覆蓋航線、環(huán)繞航線、垂直航線以及等高線航線.為實現傾斜影像獲取的高效、穩(wěn)定，設計并編寫了基于Android平臺的無人機傾斜攝影地面站，該地面站可驅使無人機自動依照規(guī)劃任務完成傾斜攝影工作，大幅度降低了傾斜攝影技術的使用難度及工作量，提高了消費級無人機傾斜攝影的能力及產品的精度.

關鍵詞?消費級無人機;航線規(guī)劃;地面站;傾斜攝影;三維模型

中圖分類號P231

文獻標志碼A

0?引言

傾斜攝影技術通過從1個垂直、4個傾斜等5個不同角度獲取影像，得到豐富的地物多角度信息，更加真實地反映地物的實際情況[1]，后期利用相應軟件可生成場景的真三維模型、DOM、DEM等產品.國內大多使用固定翼或大型多旋翼無人機搭載輕型傾斜相機，以上平臺雖成像效果優(yōu)良，但價格昂貴，且空域申請耗費時間長，在針對小范圍重點區(qū)域數據采集時性價比低，阻礙了傾斜攝影技術的推廣[2].近年來消費級無人機的推出吸引了許多研究者的目光，越來越多的研究者將消費級無人機作為實驗、生產工具使用.

目前消費級無人機產品多可使用基于航點的導航功能，即航空飛行器依照環(huán)境中一組預先定義的點自主飛行，而市面上關于航跡規(guī)劃軟件還留有一部分空白[3].現階段多數學者針對消費級無人機應用在傾斜攝影測量方向進行研究，而研究熱點多在于驗證其可行性以及探究其建模效果、精度，在數據獲取方面亟需依據消費級無人機性能實現航線自主規(guī)劃及飛行路徑優(yōu)化等研究[4].如果開發(fā)出具有航線自主規(guī)劃的無人機地面站，必將降低傾斜攝影的技術難度以及所用成本，同時降低無人機使用難度，使得操作手無需接受專門的無人機培訓也可以順利操作無人機完成傾斜攝影的任務.吳波濤等[5]針對消費級無人機全覆蓋航線進行了研究，使用了5條航線對研究區(qū)域進行影像獲取并取得了很好的成果;楊樂[6]針對消費級無人機飛行能耗問題提出了基于改進牛耕式的覆蓋航跡算法，但此算法沒有充分利用消費級無人機的優(yōu)勢及特點.本文將針對消費級無人機設計多種傾斜攝影航線并編寫地面站以實現其航線自主規(guī)劃的功能.

無人機航線自主規(guī)劃還可應用在農業(yè)、林業(yè)、電力以及安防等眾多行業(yè)[7]，相信該技術將推動無人機在各行業(yè)的應用，也將推動傾斜攝影技術的發(fā)展.

1?航線規(guī)劃方法研究

1.1?航線設計基本要素

1）相機參數

由于相機的參數直接影響著航線設計的航高以及重復率等參數的設定，因此首先需要了解消費級無人機所搭載相機的相應參數，具體包括相機像素、鏡頭視場角、焦距、CCD傳感器尺寸等.相機參數均為準確參數，在此設f表示相機焦距，∠F為相機鏡頭視場角，可細分為橫向視場角及縱向視場角.

2）地面分辨率

地面分辨率（GSD）表示影像能夠分辨最小地物的能力，應依據實際需求適當設計地面分辨率的數值.地面分辨率用R表示，與航高H以及CCD尺寸δ關系為

消費級無人機多使用固定焦距相機，由式（1）可知，使用定焦相機的無人機，地面分辨率與其航高成正比關系.

3）飛行相對高度

地面站將依據輸入無人機相對地面高度自動計算影像的地面分辨率，無人機飛行相對高度可由式（2）得到，式中nL表示CCD縱邊像元數量，∠FV表示縱向視場角.

4）航向重疊度

航向重疊度用于表示相同航攝基線上兩張相鄰影像的重復率：

其中，T表示航線相鄰影像拍攝間隔時間，v表示無人機飛行速度.在已知重疊度要求后，可由式（3）計算得到無人機的拍照間隔或飛行速度.

5）旁向重疊度

旁向重疊度描述影像與相鄰航線中相應影像之間的重復率，常用于表達航線間距.可由式（4）得到：

其中，D表示兩航線間距離，∠FH表示無人機鏡頭橫向視場角.

6）飛行速度

無人機飛行速度過快或相機曝光時間較長將產生運動模糊效應，要求影像位移小于感光元件大小的0.3倍，依據式（5）得到最大飛行速度：

其中，Smax表示最大像移量，t表示曝光時間，曝光時間應依據測區(qū)現場環(huán)境設定，并依式（5）規(guī)劃無人機飛行速度.

1.2?航線規(guī)劃關鍵問題

當前無人機路徑規(guī)劃研究重點多集中于點對點路徑規(guī)劃[8]，但航空攝影測量多要求無人機拍攝的影像具有一定的重疊度，通過拼接程序實現地面影像的生產工作[9].為了完成此種任務，無人機需遵循連續(xù)軌跡以掃描整個測區(qū)，將此種路徑規(guī)劃算法稱之為全覆蓋路徑算法.但當面對如電視塔等獨棟高層建筑時，使用全覆蓋路徑進行影像獲取將造成無用的航線，降低任務效率.此時可采用環(huán)繞航線，即以建筑物為中心圍繞建筑物飛行，并以不同高度進行拍照.除以上幾種航線規(guī)劃算法，本文依據在實際項目中遇到的場景設計了等高線航線及垂直航線，并根據傾斜攝影原理，對不同場景進行航線規(guī)劃，提出傾斜攝影地面站自動規(guī)劃航線的方法.

1）全覆蓋航線

本文采用外接矩形方法實現不規(guī)則多邊形覆蓋航線規(guī)劃，如圖1所示.首先通過外接矩形包裹多邊形，設多邊形頂點為c1，c2，…，cn，取上述坐標中最大最小值組合得到外接矩形4個頂點：

此時通過航高及航線重疊度等參數求得兩航線間距離，依據式（6）求得各條航線的縱坐標yn：

此處引入一次函數兩點公式（x-x1）（x2-x1）=（y-y1）（y2-y1），使用該公式兩兩遍歷多邊形頂點，求得各邊直線公式，計算得到各直線與yn的多個交點（xz，yn），此時需對得到的交點進行判斷，判斷該點是否在多邊形邊上.采用投影的方式對其進行判斷：以c1-c2邊為例，取c1，c2在x軸上的坐標最大值xb及最小值xa，當交點的x軸坐標xa≤xz≤xb，則保留該點坐標.至此已得到不規(guī)則多邊形全覆蓋航線所需航點，可將得到坐標依順序輸入數組，作為期望路線輸入無人機控制系統(tǒng)即可實現不規(guī)則區(qū)域全覆蓋飛行.

2）多角度全覆蓋航線

為實現多角度采集地物影像，并增加全覆蓋航線規(guī)劃靈活性，需增加航線旋轉功能.此處將應用到旋轉縮放公式：

其中，Sx，Sy表示繞（tx，ty）旋轉θ角后縮放的倍數.如圖2所示，為實現航線的旋轉，首先需將多邊形進行旋轉并依照全覆蓋航線中的方法得到航線，再將多邊形通過式（7）進行逆旋轉，即可得到多角度全覆蓋航線.

3）環(huán)繞航線

針對如中央電視臺發(fā)射塔、國家大劇院等獨棟建筑或標志物設計環(huán)繞航線，此方法所產生的三維重建效果好，需要的影像較少.為增加模型精細化程度，如圖3所示，還可以采用多高度環(huán)繞航線組合的方式.

實現環(huán)繞航線規(guī)劃可將圓拆分為多個三角形，

將三角形底角對應的點作為航點依次生成航線，即可實現環(huán)繞航線路徑規(guī)劃.具體實現方法可使用旋轉航線中使用的旋轉縮放矩陣.首先可通過點擊確定球心位置并獲得坐標，輸入環(huán)繞路線的期望半徑即可得到頂點的坐標;然后將頂點及圓心以及旋轉角度輸入旋轉公式即可得到旋轉后的航點，并用360°除以單次旋轉的角度即可得到所需遍歷次數;最后將得到的航點依順序組成航線即可得到環(huán)繞航線.

4）等高線航線

在野外尤其是山林中作業(yè)時，地勢起伏不定.為了更加精細化地獲取地物的影像信息，無人機需要以較低的高度在山體之間飛行.在實際應用過程中傳統(tǒng)的航線設計無法依據地面起伏進行相應的航線設計，常導致無人機因高度預估不足而撞山墜機等.本文使用的消費級無人機體積小、操作靈活，并且具有懸停以及垂直拐彎的能力，使其可以完全依照規(guī)劃的航點飛行.

本文提出一種基于消費級無人機利用等高線進行航線規(guī)劃的方法，可依據現有測繪資料或已知DEM等數據得到測區(qū)地形信息，依據航向及旁向重疊度計算得到航線所需等高線平距及飛行速度，利用航高計算公式根據項目要求計算出航線相對高度并依據等高距計算出每條航線高度.

圖4中所示為兩種規(guī)劃等高線航線的方式.圖4a為等高距相等的航線，此時可明顯看出航線間距不同致使重復率得不到保障.圖4b為等高線平距相等的航線，此時航線分布均勻可滿足影像重復率的需求.經過以上分析，在生成等高線時需依項目技術要求計算得到相應的航線間距，并利用航線間距作為等高線平距生成等高線.取生成等高線的拐點作為航點，依次排序即可生成航線.5）垂直航線當前建筑物的外形設計越來越具有特色，仿古、異形建筑層出不窮.以仿古建筑為例，突出的屋檐以及回廊為常見結構，若使用全覆蓋航線從空中鳥瞰視角進行地面影像獲取，會存在一定的視覺盲區(qū)，使該部分模型結構及紋理缺失，在生成模型時也會產生孔洞等問題影響模型效果.本文設計垂直航線以實現對遮擋部分影像信息的補充.

垂直航線具體實現如圖5所示.輸入無人機與建筑物的直線距離S，求得航線重疊度及旁向重疊度的具體公式為

垂直航線充分利用了消費級無人機靈活操作簡便的特點，突破了只從高空采集傾斜影像的傳統(tǒng).且垂直航線可與全覆蓋航線進行搭配使用以達到重點區(qū)域精細化建模的目的.

2?地面站設計與實現

2.1?軟件設計

經市場分析發(fā)現大疆創(chuàng)新公司生產的消費級無人機占據全球市場的50%以上[10]，故本文將針對該公司生產的無人機設計編寫傾斜影像采集地面站.

程序界面使用DJI UI Library可視化框架進行編寫以保證與DJI GO 類似的設計.在地面站應用程序與DJI應用程序之間創(chuàng)建一致的用戶體驗，以減少用戶使用該地面站的學習成本，增加用戶友好度.地面站具體運行邏輯設計如圖6所示，依據需求將地面站分為5個模塊.

1）無人機連接模塊

該模塊設計的目的是為確定連接無人機型號，判斷信號連接是否正常，反饋系統(tǒng)及SDK是否注冊成功并運行正常等步驟.

2）實時信息反饋模塊

該模塊將在無人機通電開機后實時反饋各傳感器信息，如無人機朝向、實時旋轉及俯仰角、無人機與起飛點的相對高度、相對水平距離、垂直方向的飛行速度、水平方向的飛行速度等姿態(tài)信息，以及無人機飛行模式、GPS衛(wèi)星搜星數、與遙控信號連接強度、圖傳數據連接強度、無人機剩余電量及可飛行時間等狀態(tài)信息.

3）相機參數設置模塊

相機參數設置模塊用于在無人機開機后對自帶相機進行相應參數設置，可實現調節(jié)相片尺寸、格式、白平衡、感光度以及快門速度等參數.

4）圖傳模塊

圖傳模塊通過無線數據鏈進行圖像實時傳輸，該模塊將在主界面顯示.主要用于調整相機參數、檢查相片質量.可通過點擊圖傳區(qū)域進行自動測光及調焦功能，也可實時查看無人機飛行環(huán)境以實現遠距離超視距飛行.通過圖傳也可檢查無人機飛行路徑有無障礙物，以輔助無人機操控員進行相應操作.

5）航線規(guī)劃模塊

航線規(guī)劃模塊操作流程如圖7所示，模塊使用了高德地圖作為底圖，可顯示地圖及衛(wèi)星影像.如流程圖所示，首先需選定測區(qū)邊界，通過點擊地圖可實現測區(qū)邊界的選取及繪制.在規(guī)劃模塊界面的左側依順序分布著無人機定位、清空屏幕、輸入參數、上傳參數、開始任務、停止任務的按鈕，滿足了航線規(guī)劃所需的功能.

2.2?軟件實現及測試

使用Android平臺編寫開發(fā)軟件，具體界面及使用如圖8所示，連接精靈4無人機進行真機仿真測試，連接無人機后各項信息反饋正常.

為驗證地面站的安全可靠性以及航線的可行性，分別針對不同航線進行了實驗.使用全覆蓋航線對北京建筑大學校園內四合院進行了數據采集，最終得到模型如圖9所示.

采用環(huán)繞航線針對圖書館進行數據采集及建模工作，得到其三維模型如圖10所示.

等高線航線實驗地點選為貴州省梵凈山區(qū)，航線規(guī)劃及模型如圖11所示.

垂直航線驗證效果如圖12所示，可見圖中屋檐下部分信息得到了充分補充.

經多次重復上述測試可證明本文編寫的無人機傾斜攝影地面站各項功能運行正常.此外該地面站實現了航線自主規(guī)劃，以及執(zhí)行飛行任務期間無需人工操作即可自動化采集，簡化了傾斜攝影影像采集技術的步驟，降低了其操作難度.

3?總結

本文依據無人機特性進行了航線設計及優(yōu)化，得到了全覆蓋航線、環(huán)繞航線、垂直航線及等高線航線4種航線，通過二維平面旋轉縮放矩陣及兩點直線方程完成了4種航線的實現，確定了基于地圖實現各航線的方法.基于實際需求針對消費級無人機傾斜影像采集地面站進行了需求分析，設計并完成了無人機連接模塊、信息反饋模塊、相機參數設置模塊、圖傳模塊以及航線規(guī)劃模塊，并進行了軟件測試，結果表明地面站各項功能正常，實現了無人機傾斜攝影自動獲取數據的目標，降低了無人機使用的難度，提高了數據采集效率.相信隨著無人機技術及計算機芯片的不斷更迭換代，未來的無人機將具有更強大的功能并進一步降低使用難度，可以將傾斜攝影技術推向更多的工程應用中.

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