CN112722297B

CN112722297B - 一种面向震后应急的无人机航摄方法

Info

Publication number: CN112722297B
Application number: CN202011411970.2A
Authority: CN
Inventors: 谢小伟; 幸茂仁; 许光煜; 余美; 陈琼
Original assignee: East China Institute of Technology
Current assignee: East China Institute of Technology
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2023-09-29
Anticipated expiration: 2040-12-04
Also published as: CN112722297A

Abstract

本发明提供了一种面向震后应急的无人机航摄方法，该方法包括以下步骤：获取震源参数，根据所述震源参数采用okada模型模拟三维同震形变场，根据所述三维同震形变场划分受灾等级；将所述三维同震形变场与受灾区域的建筑物、道路的矢量图进行叠置分析，获取航摄范围；结合无人机的参数，针对所述航摄范围进行航线布设，其中，优先对受灾等级较严重的区域进行航摄，建筑物区域采用面状地物航摄方法，而道路区域采用带状地物航摄方法；获得所述航线后，根据所述无人机搭载的相机的参数和所述三维同震形变场中的地形数据计算相机曝光点位置；使所述无人机沿着所述航线飞行，并利用所述相机在所述相机曝光点位置进行拍摄。该方法能够明显提高无人机航摄效率。

Description

一种面向震后应急的无人机航摄方法

技术领域

本发明涉及图像采集和无人机飞行控制领域，具体涉及利用无人机采集地面图像的方法。

背景技术

全球目前正处于地震频发的时代。据统计，近五年来，全球平均每4天就会发生一次6级以上地震，每25天就会发生一次7级以上地震。频繁发生的地震灾害对人们的生命财产和自然环境造成了巨大的破坏。而我国也是世界上受地震灾害影响最严重的国家之一。并且由于我国的地质构造具有一定的复杂性，属于广泛性浅源地震活动区，因此地震造成的危害性更加严重。地震发生后，应急管理部门需要迅速获取人员伤亡、建筑物破坏、次生灾害和生命线工程破坏情况，以便有效安排后续的救援工作。因此，能够在短时间内获取的灾区高分辨率影像成为了应急部门需要拿到的第一手重要资料。

受限于气候等条件的影响，无人机航摄系统以反应快速、机动灵活、高精度、高清晰、高速度的优点成为了获取灾后高分辨影像的首选。然而，以往震后应急航摄时，航摄范围的确定通常都比较笼统，大多是以震中为中心，取一个较大宽度的矩形区域进行航摄。这种方式得到的航摄范围往往都比实际的受灾区域更大，并且无法区分受灾区域的等级，进而无法对受灾严重区域进行优先航摄。

发明内容

为了解决背景技术中提到的问题，本发明提供一种面向震后应急的无人机航摄方法。

一种面向震后应急的无人机航摄方法，包括以下步骤：

获取震源参数，根据所述震源参数采用okada模型模拟三维同震形变场，根据所述三维同震形变场划分受灾等级；

将所述三维同震形变场与受灾区域的建筑物、道路的矢量图进行叠置分析，获取航摄范围；

结合无人机的参数，针对所述航摄范围进行航线布设，其中，优先对受灾等级较严重的区域进行航摄，建筑物区域采用面状地物航摄方法，而道路区域采用带状地物航摄方法；

获得所述航线后，根据所述无人机搭载的相机的参数和所述三维同震形变场中的地形数据计算相机曝光点位置；

使所述无人机沿着所述航线飞行，并利用所述相机在所述相机曝光点位置进行拍摄。

进一步地，对于建筑物区域，所述针对所述航摄范围进行航线布设具备包括以下步骤：

a)根据航摄要求和所述相机的参数，计算所述无人机的相对飞行高度；

b)计算所述航摄范围的中心点，并沿给定飞行方向布设第一条航线；

c)计算第一条航线左右两侧航摄区域最远点角点与第一条航线之间的距离；

d)根据所述相机的参数和所述无人机的相对飞行高度计算相邻两条航线的旁向间隔；

e)根据第一条航线到两侧最远角点的距离及航线旁向间隔依次布设两侧航线；

f)统计每条航线对应地形的平均高度，加上所述无人机的相对飞行高度后得到该条航线上无人机的飞行高度。

进一步地，对于建筑物区域，所述针对所述航摄范围进行航线布设还包括以下步骤：

g)根据所述无人机的飞行速度计算转弯半径R；

h)判断航线间距是否大于2*R，若大于则不需要布设辅助航线，若小于则按照以下步骤进行布设；

i)沿第一条任务航线出线点及第二条任务航线的进线点分布向前、向后延伸2R长度的距离，得到两点A、E；

j)沿A、E两点在外侧45度角方向上延伸2R距离，分别得到B、D两点；

k)沿B、D两点向内侧90度角方向求交得到点C；

l)将A、B、C、D、E依次连接起来得到对应的辅助航线。

进一步地，对于道路区域，所述针对所述航摄范围进行航线布设具备包括以下步骤：

a)根据所述无人机的相对飞行高度和所述相机的参数，计算影像的旁向幅宽W；

b)从起始点(所述起始点标记为第1个拐弯点)出发，依次计算起始点到第2个转弯点的方位角Y1和起始点到第3个转弯点的方位角Y2；

c)将Y1、Y2的平均值作为航线走向，计算第2个转弯点和第3个转弯点到航线的距离，若其中一个距离小于W/2，则停止当前线段搜索，并将第2个转弯点重新作为起始点开始下一条航线的计算；否则进行步骤d)和e)；

d)计算起始点到第4个转弯点的方位角Y3，将Y1、Y2、Y3中的最大角和最小角的平均值作为航线走向，并判断第2、3、4个转弯点到航线的距离是否有小于W/2的现象，若有则停止当前线段搜索，并将第3个转弯点重新作为起始点开始下一段的搜索；否则继续进行搜索；

e)重复以上步骤b)～d)完成整条道路的分段。

进一步地，对于道路区域，所述针对所述航摄范围进行航线布设还包括以下步骤：

f)计算每段道路上所有点到首个点的方位角，将最大角和最小角的平均值作为航线的方向，依次确定所有航线；

g)计算当前航线与下一条航线之间的夹角，当该夹角大于设定阈值时可直接转弯，当小于设定阈值时需要根据后续步骤布设辅助航线；

h)根据飞行速度计算转弯半径R；

i)沿当前航线出线点及下一条航线的进线点分布向前、向后延伸2R长度的距离，得到点A、C；

j)沿A、C两点向内侧90度角方向求交得到点B；

k)连接A、B、C得到辅助航线。

进一步地，所述根据所述无人机搭载的相机的参数和所述三维同震形变场中的地形数据计算相机曝光点位置具体包括以下步骤：

a)将航线的起始点作为首个曝光点；

b)基于所述无人机的相对飞行高度和所述相机的参数计算当前曝光点对应的影像幅宽W；

c)搜索影像幅宽W内对应的DEM最大高程h；

d)基于所述无人机的实际飞行高度和所述h计算影像幅宽W2；

e)按照重叠度需求q计算下一个曝光点的前进距离S，其中S＝(1-q)*W2；重复以上步骤b)～e)，完成整条航线的曝光点布设。

与传统的应急航摄方法相比，本发明提供的方法可以根据同震形变的大小划分受灾等级，可以在航摄时对受灾严重的区域优先进行航摄；其次本发明提供的方法将同震形变场与灾区的建筑物和道路的矢量图进行叠置分析，可以较为精准地定位受灾居民区和道路的分布，减少不必要区域的航摄，提高应急航摄的效率，从而加快震后应急的进度。最后，本发明给出了一种连续曲折道路的分段方法，在能够保证影像覆盖到道路的前提下，尽可能减无人机转弯的情况，从而减少辅助航线的布设，以达到提高航摄效率的目的。

附图说明

图1为断层模型几何示意图；断层坐标系o-xyz为右手直角坐标系，坐标系原点o位于地表、x轴平行于断层走向、z轴垂直于地表并以方向向上为正，断层面的位错滑动分为走滑位错(U1)、倾滑位错(U2)和张裂位错(U3)；此外，L表示断层长度，W表示断层宽度，Depth表示断层深度，Dip表示断层倾角，x轴方向表示断层走向，走向定义为断层破裂方向与北方向N的夹角，且以顺时针为正。

图2为根据同震形变场确定震后应急航摄目标的技术路线图。

图3为面状航摄目标的航线规划示意图。

图4为面状航摄任务航线之间的辅助航线示意图，用于无人机绕行切换航线。

图5为连续曲折道路的分段示意图。

图6为位带状航线之间的辅助航线示意图。

图7为相机曝光点布设示意图，下方黑色曲线为地形，W为影像幅宽，H为设计航高，h为影像覆盖范围内的最小航高，S1、S2为相机曝光点位置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的面向震后应急的无人机航摄方法共包以下4个步骤：

(1)同震三维形变场的确定及受灾等级划分

根据地震局发布的震源参数，采用okada模型可以快速正演三维同震形变场，具体计算公式如下：

式中，u_i为地表位移，Δu_j为断层滑动量，δ_jk表示克朗内克(Kronecker)符号；λ和μ表示拉梅(Lame)常数，在泊松固体中，视为λ＝μ；v_k表示断层平面Σ的法向量，表示在断层(ζ₁,ζ₂,ζ₃)处第j个方向上的应力F在地表引起的第i个位移分量。断层与地表之间的关系如图1所示。

模拟得到地震三维同震形变场后，按如下公式(2)将三个方向上的形变量进行合成。并且设置相应阈值对形变综合量进行等级划分来表示受灾等级。

上式中，x、y、z分别为三个方向上的形变，d为合成量。

(2)根据同震三维形变场和受灾区域确定应急航摄范围

假设受灾等级N以上的区域受损严重需要应急部门进行救援，其中N表示正整数。将N级以上受灾区域与当前行政区内的建筑及道路矢量进行叠置分析，以获取分布在N级以上受灾区域内的居民区、工厂及道路的分布结果；进而确定需要进行应急航摄的范围。按照目标物的不同，将航摄目标分为面状目标和带状目标，面状目标可以是建筑物区域，带状目标可以是道路区域。并且根据目标物所位于区域的受灾等级对目标的航摄顺序进行设置，率先航摄受灾最严重的区域，如图2所示。

(3)结合无人机性能及航摄要求布设应急航线

1)面状目标航摄的航线设计分为航摄区域内的任务航线和区域外进行转弯的辅助航线两部分，其中任务航线的布设步骤为：

a)根据航摄要求及相机参数计算相对飞行高度；

b)计算航摄区域的中心点，并沿给定飞行方向布设第一条航线；

c)计算左右两侧航摄区域最远点角点距离中心航线的距离；

d)根据相机参数及相对飞行高度计算航线旁向间隔；

e)根据中心航线到两侧最远角点的距离及航线旁向间隔依次布设两侧航线；

f)统计每条航线对应地形的平均高度，加上相对飞行高度后得到该条航线上无人机的飞行高度，如图3。

任务航线布设完成后，依次相邻两条任务航线布设相应的辅助航线，具体步骤为：

g)根据无人机的飞行速度计算转弯半径R；

k)沿B、D两点向内侧90度角方向求交得到点C；

l)将A、B、C、D、E依次连接起来得到对应的辅助航线，如图4所示。

2)带状目标航摄的航线设计

如下图5所示，通常情况下道路的矢量曲曲折折，并非是简单的直线或折线，所以设计带状目标的航线时，首先要对其进行分段，具体步骤为：

a)根据相对飞行高度及相机参数计算影像的旁向幅宽W；

b)从首个点出发，依次计算首个点到第2个点以及第3个点的方位角Y1、Y2；

c)将Y1、Y2的平均值作为航线走向，计算第2个点和第3个点到航线的距离，若其中一个距离小于W/2，则停止当前线段搜索，并将第2个点重新作为起始点开始下一段的搜索，否则进行下面步骤；

d)计算首个点到第4个点的方位角Y3，将Y1、Y2、Y3中的最大角和最小角的平均值作为航线走向，并判断第2、3、4个点到航线的距离是否有小于W/2的现象，若有则停止当前线段搜索，并将第3个点重新作为起始点开始下一段的搜索，否则继续进行搜索；

e)重复以上步骤完成整条道路的分段，如图5。

任务航线及辅助航线设计的步骤为：

h)根据飞行速度计算转弯半径R；

j)沿A、C两点向内侧90度角方向求交得到点B；

k)连接A、B、C得到辅助航线，如图6。

(4)根据相机参数及分辨率要求计算相机曝光点

本发明采用了基于DEM数据的相机曝光点布设方法，以满足不同地形条件下影像的重叠度要求，具体步骤为：

a)将进入任务区的航点作为首个曝光点；

b)基于相对飞行高度和相机参数计算当前曝光点对应的影像幅宽W；

c)搜索影像幅宽W内对应的DEM最大高程h；

d)基于实际飞行高度和h计算影像幅宽W2；

e)按照重叠度需求q计算下一个曝光点的前进距离S，S＝(1-q)*W2；重复以上步骤，

完成整条航线的曝光点布设。其示意图如图7所示。

根据设计好的航线和曝光点，即可派遣无人机进行拍摄。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种面向震后应急的无人机航摄方法，包括以下步骤：

使所述无人机沿着所述航线飞行，并利用所述相机在所述相机曝光点位置进行拍摄；

其中，对于建筑物区域，所述针对所述航摄范围进行航线布设具备包括以下步骤：

a) 根据航摄要求和所述相机的参数，计算所述无人机的相对飞行高度；

b) 计算所述航摄范围的中心点，并沿给定飞行方向布设第一条航线；

c) 计算第一条航线左右两侧航摄区域最远点角点与第一条航线之间的距离；

d) 根据所述相机的参数和所述无人机的相对飞行高度计算相邻两条航线的旁向间隔；

e) 根据第一条航线到两侧最远角点的距离及航线旁向间隔依次布设两侧航线；

f) 统计每条航线对应地形的平均高度，加上所述无人机的相对飞行高度后得到该条航线上无人机的飞行高度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于建筑物区域，所述针对所述航摄范围进行航线布设还包括以下步骤：

g) 根据所述无人机的飞行速度计算转弯半径R；

h) 判断航线间距是否大于2*R，若大于则不需要布设辅助航线，若小于则按照以下步骤进行布设；

i) 沿第一条任务航线出线点及第二条任务航线的进线点分布向前、向后延伸2R长度的距离，得到两点A、E；

j) 沿A、E两点在外侧45度角方向上延伸2R距离，分别得到B、D两点；

k) 沿B、D两点向内侧90度角方向求交得到点C；

l) 将A、B、C、D、E依次连接起来得到对应的辅助航线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于道路区域，所述针对所述航摄范围进行航线布设具备包括以下步骤：

1) 根据所述无人机的相对飞行高度和所述相机的参数，计算影像的旁向幅宽W；

2) 从起始点（所述起始点标记为第1个拐弯点）出发，依次计算起始点到第2个转弯点的方位角Y1和起始点到第3个转弯点的方位角Y2；

3) 将Y1、Y2的平均值作为航线走向，计算第2个转弯点和第3个转弯点到航线的距离，若其中一个距离小于W/2，则停止当前线段搜索，并将第2个转弯点重新作为起始点开始下一条航线的计算；否则进行步骤4)和5)；

4) 计算起始点到第4个转弯点的方位角Y3，将Y1、Y2、Y3中的最大角和最小角的平均值作为航线走向，并判断第2、3、4个转弯点到航线的距离是否有小于W/2的现象，若有则停止当前线段搜索，并将第3个转弯点重新作为起始点开始下一段的搜索；否则继续进行搜索；

5) 重复以上步骤2)~4)完成整条道路的分段。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对于道路区域，所述针对所述航摄范围进行航线布设还包括以下步骤：

6) 计算每段道路上所有点到首个点的方位角，将最大角和最小角的平均值作为航线的方向，依次确定所有航线；

7) 计算当前航线与下一条航线之间的夹角，当该夹角大于设定阈值时可直接转弯，当小于设定阈值时需要根据后续步骤布设辅助航线；

8) 根据飞行速度计算转弯半径R；

9) 沿当前航线出线点及下一条航线的进线点分布向前、向后延伸2R长度的距离，得到点A、C；

10) 沿A、C两点向内侧90度角方向求交得到点B；

11) 连接A、B、C得到辅助航线。

5.根据权利要求1~4任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述根据所述无人机搭载的相机的参数和所述三维同震形变场中的地形数据计算相机曝光点位置具体包括以下步骤：

① 将航线的起始点作为首个曝光点；

② 基于所述无人机的相对飞行高度和所述相机的参数计算当前曝光点对应的影像幅宽W；

③ 搜索影像幅宽W内对应的DEM最大高程h；

④ 基于所述无人机的实际飞行高度和所述h计算影像幅宽W2；

⑤ 按照重叠度需求q计算下一个曝光点的前进距离S，其中S=(1-q)*W2；重复以上步骤②)~⑤)，完成整条航线的曝光点布设。