仲筱艷， 黃大慶

(南京航空航天大學(xué)無人機(jī)研究院 南京 210016)

基于ArcGIS的無人機(jī)測控站地圖導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)?

仲筱艷， 黃大慶

(南京航空航天大學(xué)無人機(jī)研究院 南京 210016)

提出一種新的無人機(jī)地面站地圖導(dǎo)航模塊的設(shè)計(jì)方法。方法利用Google Earth獲得高清衛(wèi)星圖片，采用ArcGIS快速生成所需要的地圖，為無人機(jī)試飛提供一種高效便捷的數(shù)字地圖獲取方式；同時(shí)采用基于ArcObjects二次開發(fā)的方法，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)地圖導(dǎo)航模塊的航線規(guī)劃和航跡顯示功能，大大提高了開發(fā)效率。

無人機(jī)； 地面站； ArcGIS； ArcObjects； Google map

引言

無人機(jī)地面站是無人機(jī)系統(tǒng)的指揮控制中心，而地面站軟件是地面站的重要組成部分。無人機(jī)地面站軟件集飛行監(jiān)控、地圖導(dǎo)航、數(shù)據(jù)回放三大功能于一體，可同時(shí)對多架無人機(jī)進(jìn)行控制與管理，以完成既定的飛行任務(wù)。地圖導(dǎo)航模塊主要實(shí)現(xiàn)地圖導(dǎo)航和航線規(guī)劃功能，旨在實(shí)現(xiàn)自動化的航跡規(guī)劃，并對無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航控制，是地面站軟件的重要組成模塊。為了實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的飛行導(dǎo)航功能，不可避免地需要使用電子導(dǎo)航地圖。目前地面站使用的電子導(dǎo)航地圖主要通過紙質(zhì)地圖掃描或商用電子地圖兩種渠道獲得，但是掃描的地圖坐標(biāo)誤差較大，需要做大量的校準(zhǔn)工作，普通的商用電子地圖在無人機(jī)試飛地區(qū)分辨率較差，無法滿足試飛要求。鑒于Google Earth數(shù)字平臺能夠提供多級衛(wèi)星圖像和數(shù)字地圖，本文提出一種利用ArcGIS對Google Earth數(shù)字平臺提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而獲取導(dǎo)航電子地圖的方法。本文還針對獲取的導(dǎo)航電子地圖，采用基于ArcObjects二次開發(fā)的方法，設(shè)計(jì)了無人機(jī)地面站地圖導(dǎo)航模塊。

1 地圖導(dǎo)航模塊

地圖導(dǎo)航模塊主要為無人機(jī)測控站提供地圖導(dǎo)航與航線規(guī)劃功能。地圖導(dǎo)航功能為無人機(jī)地面控制人員提供導(dǎo)航平臺，飛行過程中將無人機(jī)的預(yù)設(shè)航路、實(shí)時(shí)航跡和當(dāng)前位置實(shí)時(shí)標(biāo)示在電子地圖上。航線規(guī)劃功能指飛行前，操作員根據(jù)預(yù)定的飛行計(jì)劃規(guī)劃好本次任務(wù)的飛行航線，然后將這一規(guī)劃發(fā)給無人機(jī)，用于飛行過程中的顯示和與實(shí)時(shí)航跡的比對?？梢姡貓D導(dǎo)航模塊應(yīng)具備如下功能：能應(yīng)用鼠標(biāo)放大、縮小和漫游地圖；能夠?qū)崟r(shí)顯示鼠標(biāo)在地圖中的位置和對應(yīng)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，以此來確定目標(biāo)航路點(diǎn)；能夠通過鼠標(biāo)操作添加或編輯航路點(diǎn)，規(guī)劃無人機(jī)飛行航線；能實(shí)時(shí)顯示代表無人機(jī)的圖標(biāo)在地圖中的位置和實(shí)際的地理坐標(biāo)，確定無人機(jī)當(dāng)前位置。

2 ArcGIS系統(tǒng)與ArcObjects

地理信息系統(tǒng)GIS(Geographic Information System)是管理地理信息的計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)分支，具備地理信息的采集、存儲、管理、查詢、分析和顯示等功能[1]。地理信息系統(tǒng)以數(shù)字化的形式呈現(xiàn)各種地理空間數(shù)據(jù)，并描述這些數(shù)據(jù)特征的屬性。現(xiàn)在很多地理信息系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了組件化的二次開發(fā)模式，使得基于這些GIS系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)更加快捷高效。下面介紹一種本文使用的地理信息系統(tǒng)及其二次開發(fā)組件。

2.1 ArcGIS地理信息系統(tǒng)

美國ESRI(Environmental Systems Research Institute，Inc.)公司的ArcGIS地理信息系統(tǒng)是一個(gè)功能完善、可伸縮的開放地理信息平臺，具有完善的地理數(shù)據(jù)顯示、編輯、管理和分析等功能[2]。ArcGIS軟件體系分為四個(gè)部分：Desktop GIS、Embedded GIS、Sever GIS和Mobile GIS。本文主要用到了Desktop GIS和ArcGIS Engine兩個(gè)子系統(tǒng)。Desktop GIS由ArcMap、ArcCatalog、ArcReader等單個(gè)軟件組成，綜合這些軟件的功能，用戶可以完成制圖、數(shù)據(jù)編輯與管理、地理分析、可視化和空間處理等各種GIS任務(wù)。ArcGIS Engine是用于構(gòu)建定制應(yīng)用的一個(gè)嵌入式GIS組件包，它封裝了ArcObjects中的大部分組件庫[3]。利用ArcGIS Engine，開發(fā)者可以將GIS功能作為應(yīng)用軟件的一部分集成到開發(fā)的應(yīng)用程序中。

2.2 ArcObjects

ArcObjects是一個(gè)GIS框架，它是基于Microsoft的COM技術(shù)開發(fā)的一套COM組件對象集[4]。開發(fā)人員可以利用ArcObjects框架提供的各種組件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)各種GIS功能擴(kuò)展。

使用基于ArcObjects組件庫的應(yīng)用開發(fā)有以下三種方式[5，6]：①VBA(Visual Basic for Application)定制開發(fā)。利用ArcMap內(nèi)嵌的VBA調(diào)用ArcObjects組件編程實(shí)現(xiàn)桌面軟件的功能擴(kuò)展，這種方法比較簡單，但是無法用于獨(dú)立應(yīng)用程序的開發(fā)。②創(chuàng)建客戶化組件。通過ArcObjects中的ICommand和ITool等接口編寫客戶化組件，編寫好的組件可以集成到ArcGIS系列軟件中。③開發(fā)獨(dú)立應(yīng)用程序?；赩C＋＋、VB等開發(fā)環(huán)境可以直接嵌入ArcGIS Engine提供的MapControl、TOCControl、ToolbarControl等ActiveX控件，快速開發(fā)帶有GIS功能的應(yīng)用程序。本文開發(fā)的是一個(gè)帶有GIS功能、用于輔助地圖導(dǎo)航的獨(dú)立地面站軟件，所以采用第三種方法。

3 基于Google Earth和ArcGIS的地圖制作

谷歌地球(Google Earth)是一款把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個(gè)地球三維模型上的虛擬地球軟件。利用它提供的免費(fèi)高精度衛(wèi)星圖像，采用ArcGIS軟件可以快速繪制出較為精確的地圖，供地圖導(dǎo)航模塊使用。

3.1 Google Earth

Google Earth是谷歌公司在2005年推出的一款全球衛(wèi)星地圖和地理信息展示軟件。該軟件以高分辨率衛(wèi)星影像和航拍照片為底圖，配合公路、區(qū)劃、水域等矢量地圖，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)搜索和三維地形展示等功能。它提供了ArcGIS、MapInfo等地理數(shù)據(jù)應(yīng)用程序接口，可實(shí)現(xiàn)與其他遙感軟件的交互性操作，其性能優(yōu)于國內(nèi)外眾多網(wǎng)絡(luò)GIS平臺。運(yùn)用該軟件可以獲得區(qū)域地形地貌和交通道路等影像資料，結(jié)合GIS的相關(guān)功能，可做出精度完美的地圖。

3.2 影像的獲取

Google Earth軟件的地理數(shù)據(jù)是通過衛(wèi)星拍攝的影像數(shù)據(jù)與航拍的數(shù)據(jù)整合而得的。得到Google Earth影像的方法有三種。第一種是直接保存法：打開Google Earth找到研究區(qū)域，將區(qū)域放大直接保存為JPG格式的圖片，圖片之間保留適當(dāng)?shù)闹丿B區(qū)域便于拼接[7]。采用這種方式，影像清晰度高但后期存在拼接誤差，影像上也有一些界面標(biāo)志無法消除，影響了后期的配準(zhǔn)和地圖矢量化。第二種方法是通過GetScreen軟件進(jìn)行截圖。生成文件有兩個(gè)：一個(gè)是截圖區(qū)域的影像圖片，另一個(gè)是擴(kuò)展名為map的同名文件，包含了圖片的基準(zhǔn)面、投影及地理校正信息[8]。這種截圖方式較為準(zhǔn)確，它能夠自動拼接圖片，但是得到的研究圖片清晰度不高，同樣影響了后期的配準(zhǔn)和矢量化操作。第三種方法是通過Daogle Google Map Downloader自動下載，生成帶有坐標(biāo)的tif格式的柵格影像文件。這種方式截取的圖片質(zhì)量較高，便于后期的配準(zhǔn)和矢量化。

本文采用第三種方式，在獲取原始柵格影像圖像后，通過ArcGIS制作mxd格式的地圖影像庫。

3.3 利用ArcGIS制作mxd地圖影像庫

制作mxd格式的導(dǎo)航地圖影像庫需要用到ArcGIS系統(tǒng)中的ArcMap和Arc Catalog兩個(gè)軟件。首先利用Arc Catalog創(chuàng)建影像文件的柵格目錄(Raster Catalog)，再在ArcMap中創(chuàng)建mxd地圖影像文檔。

利用Arc Catalog創(chuàng)建影像文件柵格目錄的步驟如下：①在Catalog根目錄中建立影像數(shù)據(jù)目錄；②在新創(chuàng)建的影像數(shù)據(jù)目錄上創(chuàng)建Geodatabase影像數(shù)據(jù)庫(File Geodatabase)；③在新創(chuàng)建的影像數(shù)據(jù)庫上創(chuàng)建柵格目錄(Raster Catalog)，需要注意的是創(chuàng)建Raster Catalog時(shí)要在“Coordinate System for Geometry Colum(Optional)”中指定好坐標(biāo)系，否則生成的柵格數(shù)據(jù)無法顯示正確的坐標(biāo)。創(chuàng)建完成時(shí)，數(shù)據(jù)庫中就會出現(xiàn)新創(chuàng)建的柵格目錄；④向柵格目錄中添加?xùn)鸥駭?shù)據(jù)，添加完成后，如圖1所示，點(diǎn)擊Catalog目錄樹下的柵格目錄，在右邊的“Contents”選項(xiàng)下，顯示它所包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)；⑤創(chuàng)建影像金字塔，影像金字塔是一種對柵格影像按逐級降低分辨率的拷貝方式存儲的方法，在數(shù)據(jù)操作時(shí)，根據(jù)需求直接取其中某一級作為操作對象，提高整體效率。

圖1 添加完成效果

在ArcMap中創(chuàng)建mxd地圖影像文檔的步驟如下：①在ArcMap中創(chuàng)建一個(gè)新工程；②向“Layers”中添加ArcCatalog中創(chuàng)建的影像數(shù)據(jù)的柵格目錄gdb，進(jìn)行相應(yīng)的顯示設(shè)置后，出現(xiàn)圖2所示的影像文件預(yù)覽，保存為mxd文件，即為需要的地圖文件。產(chǎn)生的數(shù)據(jù)影像文件夾中除了有tif、mxd文件之外，還有“aux”、“rrd”文件以及數(shù)據(jù)庫文件datatif.gdb，使用地圖影像文件僅需要gdb和mxd文件。

綜上，利用Google Earth得到高清衛(wèi)星圖片，然后通過ArcGIS矢量化快速得到所需要的地圖。

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

為了使用上述采用ArcGIS生成的地圖，無人機(jī)地面站地圖導(dǎo)航模塊也需要基于ArcGIS進(jìn)行開發(fā)。本文基于ArcGIS Engine9.3開發(fā)工具包，在VC＋＋6.0中使用COM API的二次開發(fā)方法來實(shí)現(xiàn)。ArcGIS Engine用戶開發(fā)包提供了ActiveX控件、工具條與GIS工具和ArcObjects對象組件庫三種主要集合。地圖瀏覽功能使用MapControl控件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)加入了Toolbar工具條控件來輔助實(shí)現(xiàn)地圖的載入、放大、縮小、瀏覽、拖動等各項(xiàng)操作。為了在地圖上標(biāo)示飛行器的飛行狀態(tài)，調(diào)用ArcObjects的多種對象和接口繪制地圖的客戶圖層，標(biāo)示飛行器的位置姿態(tài)、飛行軌跡、航線規(guī)劃等信息。

圖2 顯示設(shè)置完成效果

4.1 導(dǎo)入ArcObjects組件庫

使用ArcObjects提供的接口與對象需要在項(xiàng)目中導(dǎo)入ArcObjects組件庫(.olb)。要使用到某個(gè)對象或者接口，就先把該對象或接口所在的組件文件導(dǎo)入到項(xiàng)目中。

4.2 載入地圖與地圖瀏覽

載入地圖和地圖瀏覽功能是地圖導(dǎo)航軟件最基本的功能，該功能使用ArcObjects中的地圖控件MapControl和工具欄控件ToolbarControl來實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)步驟如下：

①在對話框中添加這兩個(gè)控件，如圖3所示。

圖3 向項(xiàng)目中添加地圖控件和工具欄控件

②修改ToolbarControl的屬性，往控件中添加載入地圖、地圖縮放、地圖漫游等工具欄按鈕，完成基本的地圖操作功能。完成后的工具欄如下：

4.3 繪制客戶圖層

在ArcGIS中，視圖通過地圖控件顯示?？梢燥@示在地圖控件上的圖形分為兩種：一種是基于Layer的要素(Feature)等存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，另一種是元素(element)。元素是一個(gè)地圖中除去要素?cái)?shù)據(jù)外的部分，即在一幅地圖中，除了保存在數(shù)據(jù)庫中的地理數(shù)據(jù)外，其余的對象全部是元素。

在地圖上標(biāo)示無人機(jī)的位置、航點(diǎn)的位置和航線走向等，需要在地圖的客戶圖層上繪制一些點(diǎn)、線、圖標(biāo)等元素對象。元素是一個(gè)龐大復(fù)雜的對象集合，主要包含圖形元素和框架元素兩大類，本文用到的是圖形元素。圖形元素包括MarkerElement(點(diǎn))、LineElement(線)、TextElement(文本)和PictureElement(圖片)等對象，它們都是作為圖形的形式而存在的，在視圖上是可見的。這些圖形元素的幾何形體是Geometry對象，有Ipoint(點(diǎn))、Icurve(曲線)等；而Element的圖形外觀要用到symbol對象，有Markersymbol(點(diǎn))、Linesymbol(線)、Textsymbol(文本)等。

在地圖上繪制一個(gè)圖形元素需要定義一個(gè)Geometry對象和一個(gè)symbol對象，Geometry對象是圖形元素的載體，而symbol對象是該圖形元素顯示的內(nèi)容。以在地圖的客戶圖層上繪制一個(gè)點(diǎn)為例，流程圖如圖4所示。繪制線、圖片、文字的過程類似，僅需要將相應(yīng)的Geometry對象和symbol對象替換即可。

圖4 在圖層上繪制點(diǎn)流程圖

4.4 擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)

上文介紹了基于ArcGIS Engine的地圖基本開發(fā)方法。下面介紹如何實(shí)現(xiàn)地圖導(dǎo)航模塊的主要功能。

4.4.1 航跡顯示功能

地面站收到無人機(jī)下行的狀態(tài)幀，解析得到定位信息中的經(jīng)緯度和航向，將實(shí)時(shí)獲得的點(diǎn)添加到保存航跡的線中，然后更新無人機(jī)在地圖上的航跡線。同時(shí)，為了顯示當(dāng)前飛機(jī)所在位置，在飛機(jī)當(dāng)前位置上添加symbol對象為圖片、Geometry對象為一個(gè)點(diǎn)的圖形元素，航跡顯示效果如圖5所示。圖中白線為預(yù)設(shè)航路，黑線為實(shí)時(shí)航跡，飛機(jī)當(dāng)前位置為飛機(jī)圖標(biāo)所在位置。

圖5 航跡繪制圖

4.4.2 航路規(guī)劃

①新建航路

通過在地圖上單擊鼠標(biāo)左鍵添加一個(gè)航點(diǎn)，雙擊鼠標(biāo)右鍵完成新建航路。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：定義一個(gè)IPointCollectionPtr變量m_TraceCollection用于存放新添加的點(diǎn)，在MapControl控件的OnMouseDown事件響應(yīng)函數(shù)OnMouseDownMapControl中，在每次鼠標(biāo)取點(diǎn)后將鼠標(biāo)獲取的點(diǎn)存放在點(diǎn)集m_TraceCollection中，當(dāng)航點(diǎn)添加完成后，雙擊鼠標(biāo)右鍵，此時(shí)m_TraceCollection點(diǎn)集就是依次存儲的航路點(diǎn)。航路新建完成后，將航點(diǎn)的信息保存到航路文件備用。主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：

void CMapCtrol：：OnOnMouseDownMapcontrol

(long button，long shift，long X，long Y，double mapX，double mapY)

{

//獲得鼠標(biāo)點(diǎn)擊點(diǎn)

IPointPtr ipPoint(CLSID_Point)；

ipPoint－＞PutCoords(mapX，mapY)；IPointCollectionPtr m_TraceCollection；

m_TraceCollection－＞AddPoint(ipPoint)；

m_iPathPointCount＋＋；

//繪制新增點(diǎn)

IMarkerSymbolPtr imakersymbol(CLSID_SimpleMarkerSymbol)；

DrawPoint(ipPoint，imakersymbol)

//繪制新增航線

IPointPtr ip1(CLSID_Point)；IPointPtr ip2(CLSID_Point)；

m_TraceCollection－＞get_Point(m_iPathPointCount－2，＆ip1)；

m_TraceCollection－＞get_Point(m_iPathPointCount－1，＆ip2)；

DrawLine(ip1，ip2，m_iLineSymbol)；

}

②航點(diǎn)修改

航路規(guī)劃中，當(dāng)航線處于編輯狀態(tài)時(shí)，采取鼠標(biāo)點(diǎn)擊地圖的方式快捷添加、刪除、移動航點(diǎn)給操作員規(guī)劃航線帶來了很大的便利。其中移動航點(diǎn)是一個(gè)比較難實(shí)現(xiàn)的功能，可以采用IMovePointFeedback接口實(shí)現(xiàn)這一功能，主要實(shí)現(xiàn)過程如下：

a)定義IMovePointFeedback的變量：pMPointFeed；

b)將鼠標(biāo)移動到需要操作的點(diǎn)，按下鼠標(biāo)左鍵獲取該點(diǎn)：

void CMapCtrol：：OnOnMouseDownMapcontrol

(long button，long shift，long X，long Y，double mapX，double mapY)

{

IPointPtr ipPoint(CLSID_Point)；

ipPoint－＞PutCoords(mapX，mapY)；

CoCreateInstance(CLSID_MovePointFeedback，NULL，CLSCTX_ALL，IID_IMovePointFeedback，(void??)＆pMPointFeed)；

pMPointFeed－＞putref_Display(pScreenDisplay)；

IPointPtr pStartPos；

pMPointFeed－＞Start(pStartPos，ipPoint)；

}

c)按住鼠標(biāo)并移動，移動鼠標(biāo)過程中顯示該點(diǎn)的當(dāng)前位置：

void CMapCtrol：：OnOnMouseMoveMapcontrol

(long button，long shift，long X，long Y，double mapX，double mapY)

{

IPointPtr ipPoint(CLSID_Point)；

ipPoint－＞PutCoords(mapX，mapY)；

pMPointFeed－＞MoveTo(ipPoint)；

}

d)松開鼠標(biāo)后，獲取點(diǎn)的當(dāng)前位置：

void CMapCtrol：：OnOnMouseUpMapcontrol1

(long button，long shift，long X，long Y，double mapX，double mapY)

{

IPointPtr pStopPos；

pMPointFeed－＞Stop(＆pStopPos)；

}

上文簡要介紹了無人機(jī)地面站地圖導(dǎo)航模塊主要功能的實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的其它功能(如航路刪除、航路整體移動、航路復(fù)制等)的實(shí)現(xiàn)方法在此不一一贅述?？傊贏rcGIS Engine可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的地圖導(dǎo)航相關(guān)功能模塊的開發(fā)，滿足無人機(jī)地面站導(dǎo)航功能的需求。

5 結(jié)束語

本文提出一種利用ArcGIS平臺對Google Earth數(shù)字平臺提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲取導(dǎo)航電子地圖的方法，實(shí)現(xiàn)了在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能方便地獲得任何地區(qū)的電子地圖。針對獲取的導(dǎo)航電子地圖，采用基于ArcObjects二次開發(fā)的方式，進(jìn)行無人機(jī)測控站地圖導(dǎo)航模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了地圖導(dǎo)航模塊的各項(xiàng)功能，該模塊已成功應(yīng)用到某型無人機(jī)的地面測控站系統(tǒng)中，并在飛行試驗(yàn)中取得了理想效果。此外，該地圖導(dǎo)航模塊還可以方便地移植到其它無人機(jī)測控站軟件中，提高地面測控站軟件的開發(fā)效率。

[1] Zeiler M.Modeling Our World.ESRI Press，Redlands，US，2001.

[2] ESRI Inc.Getting Start with ArcGIS.ESRI Press，Redlands，US，2004.

[3] ESRI Inc.ArcGIS Engine Developer’s Guide.ESRI Press，Redlands，US，2004.

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Design of Map Navigation Module for UAV Ground Station Based on ArcGIS

Zhong Xiaoyan， Huang Daqing

A new design method of UAV ground station map navigation module is proposed in this paper.By the means of getting high definition pictures from Google Earth and making digital maps by ArcGIS，a new and convenient method to get digital maps for UAV flight-testing is provided.Meanwhile，based on the ArcObjects component of GIS development technology various functions of map-based UAV navigation such as flight path planning and displaying are realized，which highly improve the development efficiency.

UAV(Unmanned Aerial Vehicle)； Ground station； ArcGIS； ArcObjects； Google map

TP79

A

CN11-1780(2014)02-0025-07

仲筱艷 1980年生，助理研究員，工學(xué)碩士，畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)從事無人機(jī)測控方面的研究設(shè)計(jì)工作，研究方向?yàn)檫b控遙測。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金支助(No.NZ2012019)

2013-09-16 收修改稿日期：2013-12-16

黃大慶 1959年生，研究員，博士生導(dǎo)師，畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)雷達(dá)與電子對抗專業(yè)，現(xiàn)從事無人機(jī)航電總體、遙控測控等方面的研究工作，研究方向?yàn)檫b控遙測、電磁兼容。