一种顾及空间关系与飞行安全的无人机航摄分区方法

郭童英，刘晓龙，孟培培

(中测新图(北京)遥感技术有限责任公司，北京 100039)

航空摄影测量的任务设计是其重要的组成部分,直接关系着航空摄影测量作业的作业效率、作业精度与作业成功率。航空摄影测量的任务设计分为航摄区域的分区设计和航线敷设设计两个方面。传统摄影测量都是采用等基线摄影测量的方式,等基线的航空摄影作业对于平坦地区具有较强的适应性,但是对于丘陵、山区等作业区域高程起伏较大的地区,高程的起伏会影响相邻航空影像的航向重叠度和旁向重叠度。文献[1—3]研究了基于DEM的航摄任务设计的基本方法和技术；文献[2]提出了基于DEM航线设计系统的系统设计与功能设计；中国测绘科学研究院等单位的科研人员也曾采用人工计算的变基线航摄设计方法进行航摄任务设计。这些研究与试验在没有相关软硬件的支持下,主要侧重于航摄任务的分区设计及通过手工计算来进行变基线的航摄设计。在实现稳定的空中定点曝光后,基于DEM的变基线航摄作业方式将大大减少航空摄影测量的立体像对数。在目前航空摄影测量处理的对象仍然是立体像对的情况下,减少立体像对数将大大减少航摄处理工作量，缩短作业周期。

无人机影像存在像幅较小、像片数量多、影像倾角大且倾斜方向没有规律、航向重叠度和旁向重叠度不规则等问题,这些问题给影像匹配和空中三角测量等内业处理都带来一定困难，基高比小会导致高程精度低。为了提高高程精度，需减小相机焦距，这就要求飞行相对高度较低，而飞行高度较低不适合高差较大区域，同时随着倾斜摄影技术发展，无人机倾斜摄影使得航摄分区与航线设计更加困难。本文提出顾及空间关系与飞行安全的航摄分区算法，可以有效将零碎分区合并，并保证飞行安全，基本达到每平方千米2个以下分区，满足无人机飞行要求。

1 无人机航摄分区方法

无人机在高差较大区域，需要改变基本比例尺图幅，否则按照传统一个图幅的高差很可能超限，无法进行分区。在确定基本比例尺图幅后，需要按照高差限制与飞行安全距离制定一个分区高差间隔，按照间隔将整个航摄区域分为不同级别。然后再按照空间分布聚类形成初始分区块。接着根据高差间隔与超限比例进行有效合并，形成航摄分区。对形成的航摄分区进行航线设计，并对航线及周边进行立体安全检测，当所有飞行路径都安全时，航摄分区才算完成，否则对于安全检测不合格区域需再次进行分区、航线设计和飞行安全检测，直至完全通过安全检测。

1.1 确定基本比例尺图幅

无人机飞行影像分辨率较高，一般为0.2 m以下，采用分辨率对应比例尺图较为合适，如0.1 m对应1∶1000比例尺图，0.2 m对应1∶2000比例尺图，0.05 m对应1∶500比例尺图，对于介于上述分辨率之间的分辨率，应尽量向大比例尺图靠近，如0.08 m对应1∶500比例尺图，这样能充分保证成图精度。

1.2 聚类形成级别中心

首先根据飞行高度确定高差限制，根据规范应小于1/4航高，如果高差大于飞行安全高度，则取该值为高差间隔，否则取飞行安全高度为高差间隔。其次用高差间隔与摄区高差将整个航摄区域分为不同级别，然后统计每个级别的平均高程、高差与图幅数，当图幅数较少时，将此类图幅分辨分配到相邻类别中，当高差大于高差间隔时，将此类分裂为两个类，两类数量基本一致。重复合并与分裂的过程，直至不再变化，并且使得所有级别都能有序排列，每类图幅数适当，高差满足要求。

1.3 种子点扩展形成初始分区

采用四邻域追踪的方法从左上角的图幅开始，合并同类分区的各个图幅，对合并后的每个分区计算其基准面高程。

由于空间分布关系，得到的分区很多，需要进行下一步合并才能满足要求。

1.4 合并形成航摄分区

为了保证飞机转弯时的安全，应首先分析航摄区域的地形方向，确定飞行方向，确保飞行安全。对航摄区域自上而下、自左而右统计每条线上的高度走向，将高频出现方向定为整个区域的方向，然后以该方向确定飞行方向。如果地形为北高南低，那么航线飞行应该沿东西方向，分区尽量南北排列，避免航线两端高差过大。如果两边高中间低的盆地或沟形状的，需要统计其他方向，并尽量按山形设置飞行方向。

根据高差间隔合并具有相近基准面高程，并且空间上相邻的分区为新的分区，每合并一个分区都要重新计算基准面高程，合并时要考虑飞行方向，尽量与飞行方向一致的小分区合并，这样有利于飞行。重复进行合并，直至不能合并为止，形成新的航摄分区。

1.5 分区航线设计

对每个分区进行航线设计，并合理规划转弯路线。航线设计方法比较成熟，按常规方法即可，转弯路线有些不同。对于无人机飞行，像幅小、旁向重叠度较大，因此旁向距离小，用正常转弯距离很难到下一航线，因此需要从该航线(航线1)转向邻近位置并绕一定距离才能到下一航线(航线2)(如图1所示)，具体计算如下：

图1 航线扩展点

(1) 构建距离此航线转弯半径的直线。当两条航线距离小于转弯半径时，需要构建相反方向距离此航线转弯半径的平行线。

(2) 构建经过此航线的扩展点垂直于此航线的垂直线。

(3) 两条直线交点即为该航线上新的扩展点。平行线与垂直线交点即为该航线上新的扩展点，连接航线末点与新扩展点形成新的航线。

1.6 立体安全检测

立体安全检测指进行前左右下4个方向检测，保证4个方向安全距离内无任何地物。

对于每两个航行点(曝光点之间、曝光点与扩展点、扩展点与机场)，都要进行立体检测。每两个航行点之间，计算一个矩形范围，对矩形范围内的DEM格网点都要进行检测，所有点均不能超过安全高度(如图2所示)。矩形范围具体计算如下：

(1) 计算两个航线点所在直线方向与垂线方向。通过两个坐标差得到直线方向。设两点坐标为Pt1(x1,y1)、Pt2(x2,y2)，则方向为(x2-x1,y2-y1)，垂线方向为(y2-y1,x1-x2)。

图2 立体检测区域范围图

两点坐标分别为

x3=x1+R*(y2-y1)/dd

y3=y1+R*(x1-x2)/dd

x4=x1-R*(y2-y1)/dd

y4=y1-R*(x1-x2)/dd

将第二点沿垂线方向各向两边扩展飞行安全距离得到两个点，同样得到另外两点

x5=x2+R*(y2-y1)/dd

y5=y2+R*(x1-x2)/dd

x6=x2-R*(y2-y1)/dd

y6=y2-R*(x1-x2)/dd

(3) 将4个点有序排列组成四边形，即为需要检测的矩形。

2 应用实例

以延庆山区为试验区，该航摄区域内的浅色区域为高点，深色区域为低点，最高点高程1118 m，最低点高程559 m。所选择的DEM数据格网间隔为90 m，摄区面积3.64 km2，如图3所示。

图3 航摄区域

分区高差限制190 m，安全高度200 m，5%超限面积比例，1∶500成图图幅。

将高差间隔定为200 m，整个区域高差560 m，分为3个级别，经过聚类后得到37个分区，如图4所示。

图4 聚类结果

根据此区域南低北高特点，确定飞行方向为东西向，分区也自北向南排列，第3、第4分区为两个山沟，高差不大，可以东西飞行，分区情况如图5所示。

图5 分区结果

对每个分区进行航线设计，结果如图6所示。

图6 航线设计

通过立体安全检查，所有航线、转弯、往返机场都安全，自动分区顺利完成。

3 结 论

通过以上试验，得到以下结论：

(1) 无人机航摄分区的飞行安全距离远大于高差限制，需要顾及区域整体地形情况，必须事先确定飞行方向后再进行分区。

(2) 合并小分区时必须考虑归并到哪个分区更合理，需要考虑整体分区走向。

(3) 初始聚类时，分裂时不是以空间关系而定，而是以分裂后图幅数大致相同来定。

本文主要探讨了无人机航摄在山区自动分区问题，并提出了顾及空间关系与飞行安全无人机航摄分区方法。试验证明，该方法适用于山区、高山区的航摄自动分区。