多旋翼无人机顾及水面特征的航线规划优化算法的研究
2018-07-18刘小军胡翀
刘小军 胡翀
摘要： 摄影测量遇到大面积水域时（如水库），如果按照常规方法来规划航线会导致大量废片的产生，本文提出了一种顾及水面特征的航线规划优化算法，通过分解航带和迭代计算总航时的方法来减少废片的产生，减少飞行总架次，提高多旋翼无人机的工作效率。
Abstract： When MAV（Multi-rotor UAV） encountered large areas of water surface， if you follow the conventional flight plan will lead to many unused photos which only containing water. In this paper， we propose a flight plan optimization approach that take into account the water surface to reduce the total flight time and unused photos and thus promote the efficiency of the MAV， which is based on the iteratively splitting the orginial flight plan and recalculate the flight footprints and time.
关键词： 摄影测量；航线规划优化；水面特征
Key words： MAV；flight plan optimization；water surface
中图分类号：U692.3+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）16-0249-03
0 引言
随着空间技术、计算机技术和信息技术的发展，人类实现了从空中和太空中观测地球的理想，遥感正是实现这一理想的利器。但在智慧城市建设、安全监测、地质灾害应急、农业质保、及对各种资源的检测与管理等领域都需要精细、及时的空间地理信息，通过有人飞机航空遥感和卫星遥感的方式，快速获取地球表面小范围及高精度的信息，不仅成本昂贵，也受到回归周期、高度等因素的限制，遥感数据的实时性难以保障。
无人机低空摄影测量技术是航空摄影测量领域的一个新的发展方向，正好成为卫星和有人机获取手段的有效补充。
1 多旋翼无人机的组成
多旋翼无人机航拍系统构造精简，易于维护，操作简便，稳定性高且携带方便。常见的多旋翼飞行器，如四旋翼、六旋翼和八旋翼。整个系统包括飞行平台、飞控系统、动力系统、遥控系统、航拍仪、数传系统、云台系统、地面站系统。
2 多旋翼无人机的特点
2.1 多旋翼无人机的优点
相对于有人机和固定翼无人机航空摄影测量而言，多旋翼无人机更加机动灵活，对起降场地要求很低，在天气晴朗风力较小的情况下，可以获得超高分辨率的航摄数据，且成本低廉，易于维护，是小范围航空摄影测量的必然趋势。
2.2 多旋翼无人机的缺点
多旋翼无人机航摄技术仍然处在发展阶段，面临新的测量技术难点、特点。①多旋翼无人机的续航能力和载荷能力有限。②多旋翼无人机受限于飞行平台的尺寸和重量，其抗风能力较弱，更容易受到气流干扰。③相幅小、基高比小、影像数据多。④使用传统的航空摄影测量航线规划方法容易产生大量废片，尤其是在水域区域航拍时，会拍摄大量的水面影像，这些影像毫无价值，不仅浪费航飞时间，且还会造成数据冗余降低后期数据处理效率。
3 常规航线规划方法
3.1 航线规划的相关参数
相关参数分为飞行参数、相机参数、性能参数和计算参数。其中飞行参数包括飞行高度H、飞行速度V、单架次航飞时间T；相关参数为非量测数码相机的相关参数，包括镜头焦距F，传感器尺寸大小C航*C旁；性能参数为该次航摄任务要达到的目标，包括旁向重叠率A、航向重叠率D、地面分辨率GSB；计算参数是经过飞行参数、相机参数和性能参数计算出来的，包括摄影基线长L基和航线间隔L间。
3.2 航线规划的相关公式
地面分辨率和飞行高度的关系：由B/GSB=f/h可得到H=F*GSB/B，B表示像元尺寸。
航向重叠率：D= QX/Lx
旁向重叠率：a= QY/Ly
其中，QX、QY为航向与旁向的相邻相片重叠部分的长度，Lx、Ly为像幅在两个方向的边长。
摄影基线长：L摄=（1-A）*H*C航/F
航线间隔： L间=（1-A）*H*C旁/F
3.3 常规方法的航线规划图
我国制定的《1：500、1：1000、1：2000比例尺地形图航空摄影规范》（GB6962-86）中明确规定：水域和湖面及水位变化大的河流、湖泊常规航线设計时，最好选择低水位时进行航摄，应尽量避免像主点落水，要确保摄区内所有岛屿覆盖完整，并能构成正常重叠的立体像对。
图1所示，如果采用常规航线规划方法，将会产生大量的水面相片，这些相片无法进行同名点识别，不具有任何使用价值。因此，针对大面积的水域，如何合理地规划航线，避免在拍摄过程中产生大量的废片，是大面积水域摄影测量重要的研究内容。
4 顾及水面特征航线的规划及优化算法
由于电池技术和载荷能力的限制，多旋翼无人机的续航能力一直没有重大的突破。在大面积水域范围内飞行除了会产生大量的废片以外，还会浪费多旋翼无人宝贵的续航时间。因此，针对多旋翼无人机的续航能力及大面积水域的特点，一个科学有效、合理地航线规划算法，应满足以下两个要求：第一，科学有效的规划航飞架次，充分利用有限的航飞时间；第二，合理规划航线，避免水面上摄影减少废片的产生。
4.1 航带优化的具体方法
①提取大面积水域多边形。沿水域边界线提取代表水域范围的多边形。
②剔除水面废片。求出像幅大小，遍历各条航带的各个摄影中心，将该摄影中心所在像片与代表水域范围的多边形求交运算，如果像片包含在水域范围内，则舍去该像片，否则保留。
③重新划分航带。将遍历后的各摄影中心按照位置临近关系重新划分航带。
④航带排序。计算位于边缘的所有航带的起点、终点到无人机起降点的距离，距离最短的点在所在航带即为初始航线的第一条航带，改点也是整个航摄的起始点。求出该条航带的终点到其余各航带的起点、终点的长度，距离最近者作为下一条航带，以此方法重新排列剩余所有航带，得到初始航线。
4.2 飞行架次優化
有人驾驶飞机与固定翼无人机的续航能力较强，其航飞时间一般不是航线规划过程中的制约因素。但是多旋翼无人机的单架次航飞时长较短，需要充分利用每个架次的航飞时间，尽量减少飞行架次。优化过程如下：
①计算单架次航飞总长：L总=V*T
其中V为多旋翼无人机预设飞行速度，T为单架次飞行时长。
②定义F={F1，F2，F3…，Fn}为初始航线中所有航带的集合S={}为待规划架次包含航带的集合；L=0为初始单架次航飞长度。
③取出第一条航带F1，计算该条航带起点至起飞点的距离及航带终点至降落点距离，赋子L，比较L与L总，如果L>L总，说明起降点距首条航带过远，无法完成航摄任务：如果L ④计算该条航带长度和航带终点到无人机降落点的距离，与L求和，比较L与L总，如果L ⑤将航带Li中最后一个像片取出，剩余的像片构成的航带设为Li1，取出的像片作为一条新的航带Li2的第一张像片。计算L1航带长度和航带终点到无人机降落点的距离，与L求和，比较L与L总，如果L>L总，则重复以上计算，直到L ⑥重复以上步骤。直到初始航带集合F内所有航带被分配完毕，生成的架次集合{S1，S2，S3…}即为最终架次规划结果。 图2所示采用顾及水面特征航线规划及优化算法，规划航线时系统会自动提取水面范围，剔除水面废片重新规划航线。从而减少飞行时间，提高航摄效率。 5 总结 通过具体的项目试验，利用多旋翼无人机进行顾及水面特征的航空摄影测量的航线规划优化算法来规划航线，可以减少飞行架次，节约飞行时间，从而有效地提高航摄效率，减少废片的产生，降低数据冗余，达到了预期的效果。 参考文献： [1]陈大平.测绘型无人机系统任务规划与数据处理研究[D]. 郑州：解放军信息工程大学，2011. [2]朱洋波，焦健，曾琪明，等.航空遥感任务规划系统设计及航线设计方研究[J].测绘通报，2011（9）：38-41. [3]朱强.多旋翼无人机航线优化及航测精度分析[D].郑州：郑州大学，2016. [4]何敬，李永树.规划参数分析研究[J].资源与人居环境，2013，10：26-28. [5]徐博，陈立平，等.基于无人机航向的不规则区域作业航线规划与验证[J].农业工程学报，2015，23：173-178. [6]GB6962-86，1：500 1：1000 1：2000 比例尺地形图航空摄影规范[S].1987-06-01.
