数字高程模型DEM在无人机航线设计中的应用

李 杰，王 兵

(贵州省地质矿产勘查开发局测绘院，贵州 贵阳 500018)

0 引 言

第三次全国国土调查是一项重大的国情国力调查，其目的是全面完善土地利用基础数据，掌握土地利用现状和自然资源变化的情况，以国家统一提供的调查底图为基础，实地调查每块图斑的地类、位置、范围、面积等利用状况，并查清项目区农用地的数量、分布及质量状况，查清城市、建制镇、村庄、独立工矿、水域及水利设施用地等各类土地的分布和利用状况。对于调查底图不能清晰反映的地类以及二调农用地变未利用地、耕地内部二级类变化，新增建设用地、新增设施农用地等地类必须实地举证。采用无人机实地举证能有效克服交通和拍摄角度的限制，具有效率高、质量好的特点。但贵州以喀斯特地貌为主，地形起伏变化较大，合理设计航线是无人机安全飞行的重要基础；本文通过提取DEM高程值，参考起飞点计算无人机离地高度与可视性状态，在航线设计阶段避免无人机因飞行高度过低撞机和信号丢失造成的无人机损失。

1 数字高程模型(DEM)

数字高程模型是描述地表起伏形态特征的空间数据模型，由地面规则格网点的高程值构成的矩阵，形成的栅格结构数据集；是地形、地物识别的重要原始资料。DEM最普通的形式是高程矩阵或规则矩形格网，规则网格将区域空间切分成为规则格网单元，每一个单元对应1个数值；在计算机中则是1个二维数组，数组的每一个元素对应1个高程值。

2 DEM高程值提取

DEM高程值的提取，即将高斯平面坐标或大地经纬度转换为规则网行列号或者计算机二维数组行列号，通过提取行列号所对应的元素值，即可得到当前坐标的高程值。

2.1 ArcGIS提取方法

打开*.TIF格式的DEM栅格数据集，点击“识别”按钮，鼠标右上角会出现一个○i符号，点击当前坐标位置，即可得到当前坐标处像素值，即高程值。

2.2 ArcEngine提取方法

首先定义整型数值column(列号)、row(行号)，定义双精度数值H_DEM为DEM高程值；使用get_layer方法获取DEM图层，使用IRaster2接口MapToPixel方法将平面坐标或大地经纬度转换为数组行列号，通过GetPixelValue方法获取DEM高程值。

图1 ArcEngine提取程序代码

3 无人机离地高度计算

通过计算无人机离地高度，实时判断无人机有无撞机危险，若计算结果显示无人机离地面过低，则可以通过增加无人机航高来避免无人机撞机(无人机航高为无人机距起飞点的高度)。设HS为无人机起飞点高程，HI为无人机设计航点地面高程，H为无人机设计行高。起飞点高程HS、无人机设计航点地面高程HI均以图解法获得该点位高斯坐标或大地经纬度，通过标题2所述方法得到。

则航点处无人机离地高度D为：

D=HS-+H-H1

(1)

4 无人机可视性分析

无人机可视性分析是以无人机起飞点为观察点，无人机航点为目标点，研究2点通视情况的地形分析；无人机可视性分析可大大降低无人机因信号失联造成飞机损失。如图2所示，设观察点位O点，目标点为P点，连接OP与相交可得到n个地形点(为地形点)；则可绘制出OP的剖面图，见图3。

图2 通视性格网图Fig.2 Intervisible character diagram

图3 通视性剖面图

设a为观察点至目标点OP的倾角，β1为观察点O至地形点i(i=1，…，n)的倾角，若tana>Max(tanβ1)(i=1，…，n)则OP 2点通视，反之则不通视；若出现不通视情况，需要重新设置起飞点或航点。

(2)

5 实例验证

以织金县某测区为例，首先在内业设计航线，航线由起飞点和若干个航点组成；起飞点选择在空旷无遮挡的开阔地带，且人员设备容易到达。通过数字正射影像图图解法获得起飞点以及航点大地经纬度，采用标题2所叙述方法获得每个航点高程值，按公式1计算出各航点离地高度，按公式2计算各航点可视性状态。在外业实际飞行中无人机始终保持离地高度大于150 m，全程可视性均为通视状态，无人机信号连接状态良好。

6 结 语

该方法将程模型(DEM)应用到无人机航线设计中，通过该数据计算出航点处无人机离地高度以及无人机可视性状态，克服了贵州喀斯特地貌地形起伏变化大的缺点，使得无人机举证广泛应用在我单位承担的贵州省第三次全国国土调查项目举证工作中，举证效率高，无人机安全飞行无损失。