黃鶴 李若鵬 王柳

摘要 消費(fèi)級(jí)無人機(jī)已成為新型對(duì)地影像獲取平臺(tái).本文依據(jù)傾斜攝影原理及消費(fèi)級(jí)無人機(jī)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(shí)現(xiàn)傾斜影像獲取的高效、穩(wěn)定，設(shè)計(jì)并編寫了基于Android平臺(tái)的無人機(jī)傾斜攝影地面站，該地面站可驅(qū)使無人機(jī)自動(dòng)依照規(guī)劃任務(wù)完成傾斜攝影工作，大幅度降低了傾斜攝影技術(shù)的使用難度及工作量，提高了消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜攝影的能力及產(chǎn)品的精度.

關(guān)鍵詞?消費(fèi)級(jí)無人機(jī);航線規(guī)劃;地面站;傾斜攝影;三維模型

中圖分類號(hào)P231

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0?引言

傾斜攝影技術(shù)通過從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜等5個(gè)不同角度獲取影像，得到豐富的地物多角度信息，更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況[1]，后期利用相應(yīng)軟件可生成場景的真三維模型、DOM、DEM等產(chǎn)品.國內(nèi)大多使用固定翼或大型多旋翼無人機(jī)搭載輕型傾斜相機(jī)，以上平臺(tái)雖成像效果優(yōu)良，但價(jià)格昂貴，且空域申請(qǐng)耗費(fèi)時(shí)間長，在針對(duì)小范圍重點(diǎn)區(qū)域數(shù)據(jù)采集時(shí)性價(jià)比低，阻礙了傾斜攝影技術(shù)的推廣[2].近年來消費(fèi)級(jí)無人機(jī)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(fèi)級(jí)無人機(jī)作為實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)工具使用.

目前消費(fèi)級(jí)無人機(jī)產(chǎn)品多可使用基于航點(diǎn)的導(dǎo)航功能，即航空飛行器依照環(huán)境中一組預(yù)先定義的點(diǎn)自主飛行，而市面上關(guān)于航跡規(guī)劃軟件還留有一部分空白[3].現(xiàn)階段多數(shù)學(xué)者針對(duì)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)應(yīng)用在傾斜攝影測量方向進(jìn)行研究，而研究熱點(diǎn)多在于驗(yàn)證其可行性以及探究其建模效果、精度，在數(shù)據(jù)獲取方面亟需依據(jù)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)性能實(shí)現(xiàn)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(jī)地面站，必將降低傾斜攝影的技術(shù)難度以及所用成本，同時(shí)降低無人機(jī)使用難度，使得操作手無需接受專門的無人機(jī)培訓(xùn)也可以順利操作無人機(jī)完成傾斜攝影的任務(wù).吳波濤等[5]針對(duì)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)全覆蓋航線進(jìn)行了研究，使用了5條航線對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行影像獲取并取得了很好的成果;楊樂[6]針對(duì)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)飛行能耗問題提出了基于改進(jìn)牛耕式的覆蓋航跡算法，但此算法沒有充分利用消費(fèi)級(jí)無人機(jī)的優(yōu)勢及特點(diǎn).本文將針對(duì)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)設(shè)計(jì)多種傾斜攝影航線并編寫地面站以實(shí)現(xiàn)其航線自主規(guī)劃的功能.

無人機(jī)航線自主規(guī)劃還可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、電力以及安防等眾多行業(yè)[7]，相信該技術(shù)將推動(dòng)無人機(jī)在各行業(yè)的應(yīng)用，也將推動(dòng)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展.

1?航線規(guī)劃方法研究

1.1?航線設(shè)計(jì)基本要素

1）相機(jī)參數(shù)

由于相機(jī)的參數(shù)直接影響著航線設(shè)計(jì)的航高以及重復(fù)率等參數(shù)的設(shè)定，因此首先需要了解消費(fèi)級(jí)無人機(jī)所搭載相機(jī)的相應(yīng)參數(shù)，具體包括相機(jī)像素、鏡頭視場角、焦距、CCD傳感器尺寸等.相機(jī)參數(shù)均為準(zhǔn)確參數(shù)，在此設(shè)f表示相機(jī)焦距，∠F為相機(jī)鏡頭視場角，可細(xì)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(yīng)依據(jù)實(shí)際需求適當(dāng)設(shè)計(jì)地面分辨率的數(shù)值.地面分辨率用R表示，與航高H以及CCD尺寸δ關(guān)系為

消費(fèi)級(jí)無人機(jī)多使用固定焦距相機(jī)，由式（1）可知，使用定焦相機(jī)的無人機(jī)，地面分辨率與其航高成正比關(guān)系.

3）飛行相對(duì)高度

地面站將依據(jù)輸入無人機(jī)相對(duì)地面高度自動(dòng)計(jì)算影像的地面分辨率，無人機(jī)飛行相對(duì)高度可由式（2）得到，式中nL表示CCD縱邊像元數(shù)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(fù)率：

其中，T表示航線相鄰影像拍攝間隔時(shí)間，v表示無人機(jī)飛行速度.在已知重疊度要求后，可由式（3）計(jì)算得到無人機(jī)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(yīng)影像之間的重復(fù)率，常用于表達(dá)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(jī)鏡頭橫向視場角.

6）飛行速度

無人機(jī)飛行速度過快或相機(jī)曝光時(shí)間較長將產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊效應(yīng)，要求影像位移小于感光元件大小的0.3倍，依據(jù)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(shí)間，曝光時(shí)間應(yīng)依據(jù)測區(qū)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)定，并依式（5）規(guī)劃無人機(jī)飛行速度.

1.2?航線規(guī)劃關(guān)鍵問題

當(dāng)前無人機(jī)路徑規(guī)劃研究重點(diǎn)多集中于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)路徑規(guī)劃[8]，但航空攝影測量多要求無人機(jī)拍攝的影像具有一定的重疊度，通過拼接程序?qū)崿F(xiàn)地面影像的生產(chǎn)工作[9].為了完成此種任務(wù)，無人機(jī)需遵循連續(xù)軌跡以掃描整個(gè)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(dāng)面對(duì)如電視塔等獨(dú)棟高層建筑時(shí)，使用全覆蓋路徑進(jìn)行影像獲取將造成無用的航線，降低任務(wù)效率.此時(shí)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(jìn)行拍照.除以上幾種航線規(guī)劃算法，本文依據(jù)在實(shí)際項(xiàng)目中遇到的場景設(shè)計(jì)了等高線航線及垂直航線，并根據(jù)傾斜攝影原理，對(duì)不同場景進(jìn)行航線規(guī)劃，提出傾斜攝影地面站自動(dòng)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(shí)現(xiàn)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(shè)多邊形頂點(diǎn)為c1，c2，…，cn，取上述坐標(biāo)中最大最小值組合得到外接矩形4個(gè)頂點(diǎn)：

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

此處引入一次函數(shù)兩點(diǎn)公式（x-x1）（x2-x1）=（y-y1）（y2-y1），使用該公式兩兩遍歷多邊形頂點(diǎn)，求得各邊直線公式，計(jì)算得到各直線與yn的多個(gè)交點(diǎn)（xz，yn），此時(shí)需對(duì)得到的交點(diǎn)進(jìn)行判斷，判斷該點(diǎn)是否在多邊形邊上.采用投影的方式對(duì)其進(jìn)行判斷：以c1-c2邊為例，取c1，c2在x軸上的坐標(biāo)最大值xb及最小值xa，當(dāng)交點(diǎn)的x軸坐標(biāo)xa≤xz≤xb，則保留該點(diǎn)坐標(biāo).至此已得到不規(guī)則多邊形全覆蓋航線所需航點(diǎn)，可將得到坐標(biāo)依順序輸入數(shù)組，作為期望路線輸入無人機(jī)控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)不規(guī)則區(qū)域全覆蓋飛行.

2）多角度全覆蓋航線

為實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)功能.此處將應(yīng)用到旋轉(zhuǎn)縮放公式：

其中，Sx，Sy表示繞（tx，ty）旋轉(zhuǎn)θ角后縮放的倍數(shù).如圖2所示，為實(shí)現(xiàn)航線的旋轉(zhuǎn)，首先需將多邊形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)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(jìn)行逆旋轉(zhuǎn)，即可得到多角度全覆蓋航線.

3）環(huán)繞航線

針對(duì)如中央電視臺(tái)發(fā)射塔、國家大劇院等獨(dú)棟建筑或標(biāo)志物設(shè)計(jì)環(huán)繞航線，此方法所產(chǎn)生的三維重建效果好，需要的影像較少.為增加模型精細(xì)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(shí)現(xiàn)環(huán)繞航線規(guī)劃可將圓拆分為多個(gè)三角形，

將三角形底角對(duì)應(yīng)的點(diǎn)作為航點(diǎn)依次生成航線，即可實(shí)現(xiàn)環(huán)繞航線路徑規(guī)劃.具體實(shí)現(xiàn)方法可使用旋轉(zhuǎn)航線中使用的旋轉(zhuǎn)縮放矩陣.首先可通過點(diǎn)擊確定球心位置并獲得坐標(biāo)，輸入環(huán)繞路線的期望半徑即可得到頂點(diǎn)的坐標(biāo);然后將頂點(diǎn)及圓心以及旋轉(zhuǎn)角度輸入旋轉(zhuǎn)公式即可得到旋轉(zhuǎn)后的航點(diǎn)，并用360°除以單次旋轉(zhuǎn)的角度即可得到所需遍歷次數(shù);最后將得到的航點(diǎn)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(shí)，地勢起伏不定.為了更加精細(xì)化地獲取地物的影像信息，無人機(jī)需要以較低的高度在山體之間飛行.在實(shí)際應(yīng)用過程中傳統(tǒng)的航線設(shè)計(jì)無法依據(jù)地面起伏進(jìn)行相應(yīng)的航線設(shè)計(jì)，常導(dǎo)致無人機(jī)因高度預(yù)估不足而撞山墜機(jī)等.本文使用的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)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(diǎn)飛行.

本文提出一種基于消費(fèi)級(jí)無人機(jī)利用等高線進(jìn)行航線規(guī)劃的方法，可依據(jù)現(xiàn)有測繪資料或已知DEM等數(shù)據(jù)得到測區(qū)地形信息，依據(jù)航向及旁向重疊度計(jì)算得到航線所需等高線平距及飛行速度，利用航高計(jì)算公式根據(jù)項(xiàng)目要求計(jì)算出航線相對(duì)高度并依據(jù)等高距計(jì)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(shí)可明顯看出航線間距不同致使重復(fù)率得不到保障.圖4b為等高線平距相等的航線，此時(shí)航線分布均勻可滿足影像重復(fù)率的需求.經(jīng)過以上分析，在生成等高線時(shí)需依項(xiàng)目技術(shù)要求計(jì)算得到相應(yīng)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(diǎn)作為航點(diǎn)，依次排序即可生成航線.5）垂直航線當(dāng)前建筑物的外形設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，若使用全覆蓋航線從空中鳥瞰視角進(jìn)行地面影像獲取，會(huì)存在一定的視覺盲區(qū)，使該部分模型結(jié)構(gòu)及紋理缺失，在生成模型時(shí)也會(huì)產(chǎn)生孔洞等問題影響模型效果.本文設(shè)計(jì)垂直航線以實(shí)現(xiàn)對(duì)遮擋部分影像信息的補(bǔ)充.

垂直航線具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示.輸入無人機(jī)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(fèi)級(jí)無人機(jī)靈活操作簡便的特點(diǎn)，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(jìn)行搭配使用以達(dá)到重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)化建模的目的.

2?地面站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1?軟件設(shè)計(jì)

經(jīng)市場分析發(fā)現(xiàn)大疆創(chuàng)新公司生產(chǎn)的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)占據(jù)全球市場的50%以上[10]，故本文將針對(duì)該公司生產(chǎn)的無人機(jī)設(shè)計(jì)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(jìn)行編寫以保證與DJI GO 類似的設(shè)計(jì).在地面站應(yīng)用程序與DJI應(yīng)用程序之間創(chuàng)建一致的用戶體驗(yàn)，以減少用戶使用該地面站的學(xué)習(xí)成本，增加用戶友好度.地面站具體運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)如圖6所示，依據(jù)需求將地面站分為5個(gè)模塊.

1）無人機(jī)連接模塊

該模塊設(shè)計(jì)的目的是為確定連接無人機(jī)型號(hào)，判斷信號(hào)連接是否正常，反饋系統(tǒng)及SDK是否注冊(cè)成功并運(yùn)行正常等步驟.

2）實(shí)時(shí)信息反饋模塊

該模塊將在無人機(jī)通電開機(jī)后實(shí)時(shí)反饋各傳感器信息，如無人機(jī)朝向、實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)及俯仰角、無人機(jī)與起飛點(diǎn)的相對(duì)高度、相對(duì)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(jī)飛行模式、GPS衛(wèi)星搜星數(shù)、與遙控信號(hào)連接強(qiáng)度、圖傳數(shù)據(jù)連接強(qiáng)度、無人機(jī)剩余電量及可飛行時(shí)間等狀態(tài)信息.

3）相機(jī)參數(shù)設(shè)置模塊

相機(jī)參數(shù)設(shè)置模塊用于在無人機(jī)開機(jī)后對(duì)自帶相機(jī)進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)相片尺寸、格式、白平衡、感光度以及快門速度等參數(shù).

4）圖傳模塊

圖傳模塊通過無線數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行圖像實(shí)時(shí)傳輸，該模塊將在主界面顯示.主要用于調(diào)整相機(jī)參數(shù)、檢查相片質(zhì)量.可通過點(diǎn)擊圖傳區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)測光及調(diào)焦功能，也可實(shí)時(shí)查看無人機(jī)飛行環(huán)境以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離超視距飛行.通過圖傳也可檢查無人機(jī)飛行路徑有無障礙物，以輔助無人機(jī)操控員進(jìn)行相應(yīng)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(diǎn)擊地圖可實(shí)現(xiàn)測區(qū)邊界的選取及繪制.在規(guī)劃模塊界面的左側(cè)依順序分布著無人機(jī)定位、清空屏幕、輸入?yún)?shù)、上傳參數(shù)、開始任務(wù)、停止任務(wù)的按鈕，滿足了航線規(guī)劃所需的功能.

2.2?軟件實(shí)現(xiàn)及測試

使用Android平臺(tái)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(jī)進(jìn)行真機(jī)仿真測試，連接無人機(jī)后各項(xiàng)信息反饋正常.

為驗(yàn)證地面站的安全可靠性以及航線的可行性，分別針對(duì)不同航線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).使用全覆蓋航線對(duì)北京建筑大學(xué)校園內(nèi)四合院進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，最終得到模型如圖9所示.

采用環(huán)繞航線針對(duì)圖書館進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)地點(diǎn)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(yàn)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(bǔ)充.

經(jīng)多次重復(fù)上述測試可證明本文編寫的無人機(jī)傾斜攝影地面站各項(xiàng)功能運(yùn)行正常.此外該地面站實(shí)現(xiàn)了航線自主規(guī)劃，以及執(zhí)行飛行任務(wù)期間無需人工操作即可自動(dòng)化采集，簡化了傾斜攝影影像采集技術(shù)的步驟，降低了其操作難度.

3?總結(jié)

本文依據(jù)無人機(jī)特性進(jìn)行了航線設(shè)計(jì)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(zhuǎn)縮放矩陣及兩點(diǎn)直線方程完成了4種航線的實(shí)現(xiàn)，確定了基于地圖實(shí)現(xiàn)各航線的方法.基于實(shí)際需求針對(duì)消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜影像采集地面站進(jìn)行了需求分析，設(shè)計(jì)并完成了無人機(jī)連接模塊、信息反饋模塊、相機(jī)參數(shù)設(shè)置模塊、圖傳模塊以及航線規(guī)劃模塊，并進(jìn)行了軟件測試，結(jié)果表明地面站各項(xiàng)功能正常，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)傾斜攝影自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)的目標(biāo)，降低了無人機(jī)使用的難度，提高了數(shù)據(jù)采集效率.相信隨著無人機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)芯片的不斷更迭換代，未來的無人機(jī)將具有更強(qiáng)大的功能并進(jìn)一步降低使用難度，可以將傾斜攝影技術(shù)推向更多的工程應(yīng)用中.

參考文獻(xiàn)References

[1]?李凌霄.多旋翼無人機(jī)單鏡頭傾斜影像采集關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：長江科學(xué)院，2016

LI Lingxiao.Research on key technology of oblique images acquisition using single-lens multicopter[D].Wuhan：Changjiang River Scientific Research Institute，2016

[2]?李翔，全昌文，陳霖.消費(fèi)級(jí)無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)采集方法研究[J].測繪，2016（6）：263-265

LI Xiang，QUAN Changwen，CHEN Lin.Research on the method of consumption-type UAV oblique photography data collection[J].Surveying and Mapping，2016（6）：263-265

[3]?孔振，劉召芹，高云軍，等.消費(fèi)級(jí)無人機(jī)在大比例尺測圖中應(yīng)用與精度評(píng)價(jià)[J].測繪工程，2016，25（12）：55-60

KONG Zhen，LIU Zhaoqin，GAO Yunjun，et al.Application and precision evaluation of consumer UAV to large scale mapping[J].Engineering of Surveying and Mapping，2016，25（12）：55-60

[4]?Fan J.Optimal path planning and control of quadrotor unmanned aerial vehicle for area coverage[J].Dissertations & Theses-Gradworks，2014，1（1）：80-90

[5]?吳波濤，張煜，李凌霄，等.基于多旋翼單鏡頭無人機(jī)的三維建模技術(shù)[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2016，33（11）：99-103

WU Botao，ZHANG Yu，LI Lingxiao，et al.Key technology of oblique images acquisition using single-lens multicopter[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2016，33（11）：99-103

[6]?楊樂.面向海島航拍的無人機(jī)航跡規(guī)劃算法研究[D].青島：中國海洋大學(xué)，2014

YANG Le.Research on the algorithm of UAV route planning for islands aerial photography[D].Qingdao：Ocean University of China，2014

[7]?張茂林.面向梯田環(huán)境的四旋翼飛行器路徑規(guī)劃與跟蹤控制研究[D].深圳：深圳大學(xué)，2016

ZHANG Maolin.Research on path planning and tracking control of quad rotor for terraces environment[D].Shenzhen：Shenzhen University，2016

[8]?Sun Y G，Ding M Y，Zhou C P，et al.Route planning based on quantum genetic algorithm for UAVs[J].Journal of Astronautics，2010，31（3）：648-654

[9]?鄧才龍，劉焱雄，田梓文，等.無人機(jī)遙感在海島海岸帶監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].海岸工程，2014，33（4）：41-48

DENG Cailong，LIU Yanxiong，TIAN Ziwen，et al.Application of UAV remote sensing in the monitoring of islands and coastal zones[J].Coastal Engineering，2014，33（4）：41-48

[10]?周驍騰，周政，張書航，等.面向單體建筑精細(xì)化建模的無人機(jī)三維航線規(guī)劃[J].地礦測繪，2017，33（2）：24-27

ZHOU Xiaoteng，ZHOU Zheng，ZHANG Shuhang，et al.3D route planning of UAV for fine single building modeling[J].Surveying and Mapping of Geology and Mineral Resources，2017，33（2）：24-27