一种改进无人机摄影测量系统航带设计算法
一种改进无人机摄影测量系统航带设计算
法
摘要,运用无人机进行摄影测量在近年来越来越受到重
视,而航带设计是摄影测量过程中的第一步,其方法的好坏
直接关系到运用无人机进行摄影测量的效率高低。基于此,
本文详细介绍了一种改进了的用于无人机摄影测量系统航
带自动生成的算法,该法运算速度快、精度高,且较于原方
法,能够根据不同的地区自适应的计算出最佳航向角。笔者
编程实现了此算法,将其用于实际区域航带设计,取得了良
好的实用效果。
关键词,航带设计无人机最佳航向角摄影测量
Abstract: Using Unmanned Arial Vehicle (UAV) in the field of photogrammetry is increasingly popular in recent years. The strip design of UAV is the first step when put this technology into application as well as researches. Because of this, this article introduces an improved method of strip design. Compared with the traditional strip
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method, this one has a faster calculation as well as more accurate result. Besides, it can automatically decide the optimal heading angle according to different regions. This algorithm turns out to work well when the author puts it into actual use.
Keywords: flight path design; UAV; optimal heading angle; photogrammetry
中图分类号,[TU198+.3]文献标识码,A文章编号,
1 引言
无人驾驶飞机简称无人机(Unmanned Arial Vehicle,缩
写UAV),是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、
执行多种任务,并能重复使用的无人驾驶航空器。近些年来,
无人机由于成本低、重量轻、体积小、灵活性高等特点,广
泛应用于遥感与摄影测量中。
无人机在航带设计时,由于其不稳定性,需保证较高的
航向和旁向重叠度。传统的航带设计方法为手工设计法,但
是效率低下、精度不高。随着计算机技术的不断发展,自动
化生成航带已成为一种趋势。毛定山等在06年提出了一种
基于计算几何的航带设计算法,但是该算法灵活性不高,求
交过程过于复杂。本文在此算法的基础上,对该算法进行了
简化,并提出了一种自适应航向角的确定方法。笔者将其运
用于某地无人机摄影测量航带生成的测试中,获得了良好的
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设计效果。
2 算法介绍
2.1 算法综述
毛定山等提出的基于计算几何的航带设计算法将测区抽象为无洞的多边形,且航向角 ,按逆时针方向计算的航向与正北方向之间的夹角, ,固定。该方法先根据测区多边形和摄影基线 内插出各航带的横坐标值,然后进行相应航带的多边形求交计算,并内插出各曝光点的纵坐标。虽然它可以根据多边形凹凸性的不同,采用不同的求交算法,从而极大地提高了工作效率和设计精度,但同时也因为算法过于复杂,降低了计算效率。另外,该方法
要求
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航向角 固定,或者人为给出,,不能自动确定该值。
因此笔者在此法的基础上,尝试解决上述两个问
题
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,提出了一种改进的基于计算几何的航带自动生成算法。
为了解决第一个问题,我们直接计算航带与多边形各边的交点,若为凸多边形,则应有两个交点,若为凹多边形,则交点数目应大于两个,,从而得到各交点中纵坐标的最大最小值,然后根据这两个值内插出曝光点的纵坐标,这样就回避了多边形的凹凸性的问题。为了解决第二个问题,本算法采用枚举法,对于不同的 ,估算其航带总长,并将航带总长最小时的 作为最佳航向角。
同原方法一样,本算法计算前,需获取测区范围,多边
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形的各顶点坐标,和相关航摄资料,摄影比例尺、航向重叠度、旁向重叠度等,。、
2.2 算法
流程
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? 确定测区范围,多边形,,确定航摄资料,摄影比例尺分母 、航向重叠度 、旁向重叠度 、像幅边长 、 ,和飞机场位置。并根据上述参数,按照公式
计算出摄影基线 和航带间距 ,
? 令东西方向为X轴,南北方向为Y轴,设定航带初始航向角 ,单位,度,、最佳航向角 、最短航带长度 为+ ,
? 将整个测区逆时针旋转 角 ,并求得此时测区各顶点坐标中,X分量的最大值最小值 、 ,并计算=- ,
? 根据 ,按照公式
求得测区中航带条数 ,并按照公式,
内插出第 条航带的横坐标 ,其中 ,
? 对于第 条航带,计算该航带, ,与测区各个边的交点,并取所有交点中纵坐标最大值、最小值 、 ,和 - ,
? 估算此时的航带长度 。航带长度包括测区内直线飞行长度、测区外直线长度和飞行转弯圆弧的弧长 。若 ,则 , ,
? 再将测区各顶点和得到的曝光点均顺时针旋转 。令 ,若 大于 ,则转至?,否则转置?,
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? 根据最佳航向角 ,重新按照?~?的方法,求得第 条航带的 和 ,并根据公式
计算出第 条航带中曝光点的个数 ,然后按照公式
计算第 条航带的第 个曝光点的纵坐标 ,即此时曝光点的坐标为, ,,其中 ,
? 将测区、航带和曝光点均顺时针旋转 ,根据飞机场位置判断出航带起始点,并补全航带。最后按照矢量格式导出航带和曝光点。
图2.2 算法流程图
3 试验及结果
笔者利用VC++编程实现此算法,根据各种不同测区形状,其航带生成结果如下,
矩形 L型 不规则形状
图3.1
从结果可以看出,该算法能够根据不同测区形状自动确定航向角。
将此算法运用于实际地形航带设计,效果见图3.2,摄影比例尺分母,10000,航向重叠度80%,旁向重叠度30%,顶点坐标见
表
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3.1,。
(1)测区范围(2)生成航带 (3)生成的曝光点
图3.2 某地航带设计实验
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表3.1 测区顶点坐标
表3.2 曝光点坐标
表3.2为生成的部分曝光点的坐标,计算结果表明,该区域一共计算出了190个曝光点。根据图像可以看出,使用本算法对该区域进行航带设计得到了很好的实际效果。同时,相较于原来的基于计算几何的设计方法,本算法能够自动计算出最佳航向角,并使用更为简化的求交方法也能获取正确的结果。
4 小结
本文详细介绍了一种改进了的用于无人机摄影测量系统航带自动生成的算法,本算法速度快,效果良好,相较于手工计算的方法,本算法能够大大提高效率。较于传统的算法,本算法能够自适应求出最佳航向角,并简化了原算法求交的步骤,这对于无人机的后续研究和应用意义重大。
当然必须指出,本算法仍有不足之处,例如本算法还不能实现变基线的航带自动生成,这也笔者是下一步需要完善的地方。
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注,文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
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