基于三维地表模型的无人机航线自动规划方法

【摘要】：应急测绘服务是在应对突发事件的应急准备与处置、灾害评估、灾后重建中的地理信息服务和测绘保障的核心与基础。应急测绘任务以“应急”、“高效”为重要特征,给测绘工作提出了极高的要求。无人机航摄作为现代遥感测绘技术的重要手段,以其机动灵活、可快速部署的优势应急测绘工作中发挥着越来越重要的作用。然而,已有应急测绘工作中无人机航摄技术存在应急航摄任务盲目,航线规划粗放,缺乏科学统筹和合理规划等不足。针对应急测绘工作中任务紧迫,资源繁多,环境复杂等特点,如何确保有限时间内完成无人机测绘资源调度和航摄任务规划是保障应急测绘任务高效可靠执行的关键。其中,规范化的任务需求和标准化的任务描述是应急航摄资源自动选取的基础；快速准确的无人机起降场选址是航摄任务快速部署的核心步骤,精准化的航带设计是确保航摄数据质量的重要保障。本文在深入分析应急测航摄任务特点与工作流程的基础上,构建了统一描述的无人机航摄任务模板,研究了航摄任务与资源快速匹配模型,设计了顾及复杂地空环境的无人机起降场选址算法,优化了基于三维地表模型航带设计方法。主要研究内容如下：(1)归纳总结无人机航空摄影测量的基本流程,包括：任务解析、无人机资源匹配、无人机起降场选址、空域申请、无人机野外航摄、航摄数据处理等；(2)针对应急测绘工作中的任务特点,研究应急测绘任务的统一描述方法,构建无人机和相机参数模型,设计航空摄影资源自动匹配算法,实现航空摄影资源的智能匹配研究；(3)分析影响无人机飞行的威胁地物建立威胁高度场模型,研究融合数字高程模型构建三维高度场模型方法,设计无人机起降场选取算法,实现了无人机起降场的自动选取；(4)基于三维地表模型对不规则多边形区域进行航摄区域划分,选取最佳航摄方向,设计顾及DEM的多边形自适应航带设计方法实现无人机航线的精准敷设。基于以上成果本文研发了无人机航线规划与模拟软件系统,并以四川省某山区为实验对象,进行系统科学性测试。实验表明：任务约束的资源匹配调度方法科学合理,能够根据航摄任务的需求和现有资源状态选取最优的应急测绘资源；基于三维高度场模型约束的起降场选址方案合理可行,能够快速高效地在复杂地空环境中实现多型号无人机起降场的自动选址；顾及三维地表模型的航带分区及航带优化方法能够在保证有效的航向、旁向重叠度的基础之上,减少数据冗余,减轻图像拼接和空三解算的工作量。