CN112857356B - 无人机水体环境调查和航线生成方法 - Google Patents

Abstract

一种无人机水体环境调查方法，包括步骤：获得待调查水体的地理位置，计算与所述待调查水体地理位置对应的太阳高度角和方位角，根据无人机飞行高度和姿态，计算能避开所述水体太阳耀光的无人机飞行线路，无人机沿该飞行线路飞行，对所述水体进行图像拍摄，获得关于该水体水质的数据。

Description

无人机水体环境调查和航线生成方法

技术领域

本发明数据环境保护技术领域，特别涉及一种无人机水体环境调查方法和航线生成方法。

背景技术

无人机已经越来越多的被用于环境调查等领域。例如，在对水环境调查方面，使用无人机搭载光学传感器(相机及各类多光谱的设备)，能在临空、不接触水面的情况下对水环境中各种水体进行观测，通过获取水体的图像以及光谱特征，进行水质、污染物、温度等指标的测定和分析。

发明内容

为了减少无人机拍摄河湖的过程中太阳耀光对其的影响，本发明公开了一种避免太阳耀光的无人机航线优化方法，该方法主要包括以下步骤，

根据天文学理论计算任意河道任意时间的太阳高度角和太阳方位角；然后通过河道湖泊两岸的位置和距离计算出河道中心线，并将河湖轮廓线转换为点集，通过两岸点集的坐标生成河道中心点集；

根据两岸与中心线点集的地理坐标，结合无人机相关参数，计算出能避开太阳耀光的航线偏移距离、重叠率变化值和云台俯仰角变化；

最后根据计算值选择最优结果，生成优化的航线。经实验，该方法在无人机河湖拍摄过程中，能避开太阳耀光，获得质量更高的无人机影像。

具体实施方式

在使用无人机对水体进行观测时，由于水体表面近似为一个镜面反射体，各种光线照射在水面形成的反光，对无人机承载的相机等设备获取清晰水体画面造成的困难。例如，在用无人机对河道进行观测时，河道水面有时会有太阳耀光，不利于实际的影像采集。水面太阳耀光是太阳光照射水面，由于水面镜面反射太阳光线而产生的，是一种常见的自然现象。一般来说，水面区域反射太阳光线的能力较弱，然而如果太阳光线的入射角与反射角相等时，水面就会产生镜面反射，反射点即为太阳耀光点，该处的反射光线变得很强，反射能量增加，对无人机相机的探测元件造成干扰。水面出现太阳耀光会导致拍摄的照片上显示出亮白的斑块，无法分辨亮白斑块区域的真实情况，对水面特征的判读造成严重的影响，易导致无人机图像拼接，不利于水环境遥感监测、水环境生态研究、水面目标识别等工作。

为了消除或减少太阳耀光的影响，在河道无人机探测时，通常会避开太阳耀光产生的时间飞行或通过图像修复相关算法对有太阳耀光的影像进行复原，然而，这两种方法都存在明显的弊端。避开太阳耀光产生的时间飞行，对事先的飞行规划要求较高，且会缩减飞行时间，不利于紧急任务的完成，例如对水污染事件的快速分析。同时这种方式易受天气等因素的影响，具有不确定性。通过图像修复相关算法对有太阳耀光的影像进行复原，在一定程度上可以解决影像上的太阳耀光问题，但复原修复算法重建出的图像会因算法的原因，与真实场景有差异，不利于河道周围地物的识别和判读，尤其是植被分析方面。

根据一个或者多个实施例，采用无人机飞行拍摄，对水环境进行调查。避免太阳耀光的无人机航线优化方法是，通过计算无人机航线偏移距离和重叠率变化来避免拍摄到河湖中的太阳耀光，主要包括以下步骤：

(1)根据天文学理论，计算任意位置河道在任意时间的太阳高度角和太阳方位角；

(2)根据河湖信息，确定河湖位置，提取河湖轮廓，生成包含地理坐标的河湖轮廓线；解析各点的地理坐标值，将河湖轮廓线转换为点集；通过河湖两岸的位置和距离，根据两岸点集的坐标生成河道中心点集；

(3)通过无人机航线的偏移来避免太阳耀斑出现在拍摄的影像中。根据河湖两岸与河湖中心点集的地理坐标值，结合无人机飞行高度、相机视场角和拍摄影像尺寸等相关参数，计算能够避开太阳耀光的航线偏移距离，同时又能保证拍摄范围的完整；

(4)针对部分东西走向的河湖，(3)中的方法可能不能满足避免太阳耀光的需求，但可以通过改变航向和旁向的重叠率来避免太阳耀光。根据河湖两岸与河湖中心点集的地理坐标值，结合无人机飞行高度、相机视场角和拍摄影像尺寸等相关参数，计算既能满足影像拼接，又能避免太阳耀光的重叠率；

(5)针对部分河湖，在某拍摄时间内，(3)(4)的方法均不能避免太阳耀光，可以通过改变云台的俯仰角来防止反射光线直射入探测元件，尤其是湖泊区域，可以背光飞行(沿入射光线)。

(6)根据整体的计算值选择最适合的结果，并进行优化，生成最优航线。

所述步骤(1)中，太阳高度角是值无人机拍摄河道处太阳光线与通过该河道区域和地心相连的地表切面的夹角，其随着地方时和太阳赤纬的变化而变化。通常来说，某河道处的太阳高度角的计算公式可以表示为：

sinθ_s＝cosh cosδcosΦ+sinδsinΦ

其中，θ_s是太阳高度角，h是以地方恒星时系统下的时角，δ是该时间下的太阳赤纬，Φ是该河道的纬度。

太阳方位角是太阳在方位上的角度，它是从正北方向为零点起算，以太阳光的入射方向为终止方向，沿地平线顺时针测得的角度。某河道处的太阳方位角的计算公式可以表示为：

其中，φ_s是太阳方位角，θ_s是太阳高度角，h是以地方恒星时系统下的时角，δ是该时间下的太阳赤纬，Φ是该河道的纬度。

所述步骤(2)中，在地图中绘制出拍摄河道的两岸边界，生成含有地理坐标的轮廓线。通过循环和遍历，解析河道线上各点的地理坐标值，将河道两岸的线转换为点对集；根据河道两岸的位置和距离，遍历所有点，读取两岸各个点对中两点之间的距离，计算中心点位置，生成河道中心点集。

所述步骤(3)中，通过无人机航线的偏移的方法来避免太阳耀斑出现在拍摄的影像中，尤其适用于南北走向的河道和湖泊。根据河道两岸与河道湖泊中心点集的地理坐标值，结合太阳高度角、太阳方位角、无人机飞行高度、拍摄影像尺寸和相机相关参数，能够计算避免拍摄到太阳耀光的情况下无人机需要偏移河道湖泊中心线的距离。

以河道湖泊中心线为起算点，以中心线点集中各个点为原点，依次计算各个点距离河道两岸的距离，记为W，偏移河道中心线的最小距离为D_min，其计算公式可表示为：

其中h_camera为无人机飞行高度，θ_s为该河道飞行时刻的太阳高度角，φ_s为该河道飞行时刻的太阳方位角。

考虑河道湖泊影像的完整性，要求每张无人机影像拍摄范围必须要包含河道湖泊两岸。记偏移河道中心线的最大距离为D_max，其计算公式可表示为：

其中θ_FOV为无人机相机的视场角，i为相片航向方向的长度，即为相片的长边，diagonal_image为无人机相片长宽比的平方和。

所述步骤(4)中，针对部分东西走向的河流湖泊，步骤(3)中的方法可能不能满足避免太阳耀光的需求，但可以通过改变航向重叠率的方法来避免太阳耀光。在一定时间内，太阳入射光线通过水面镜面反射，反射光线会始终进入无人机相机镜头中无法避免，导致太阳耀光一直出现在相片中，并且无人机沿河道偏移避免不了该情况的发生，因此需要其他方法来解决此问题。

对于需要输出数字正射影像的任务，根据制作数字正射影像的过程和原理，影像匹配是数字摄影测量的关键问题，其目的是在两幅(多幅)影像之间识别同名像点，而无人机摄影测量一般会采用较高的旁向重叠率和航向重叠率，易于得到更多更精确的影像连接点。若要使河道太阳耀光不出现在最终正射图像上，则在无人机拍摄的过程中，过改变航向和旁向重叠率的方法，保证太阳耀光始终分布于相片重叠率较低的边缘位置，减少耀光区域参与计算的连接点。

根据所述步骤(2)(3)(4)的相关计算，可避免太阳耀光的无人机的航向重叠率最大为forward_overlap，其计算公式可表示为：

其中diagonal_image为无人机相片长宽比的平方和，φ_s为该河道飞行时刻的太阳方位角，θ_s为该河道飞行时刻的太阳高度角，θ_FOV为无人机相机的视场角。

所述步骤(5)中，对于步骤(3)和(4)中提及的两种方法都不能解决的情况，尤其是大面积的湖泊水域，需要采取逆光飞行或者改变云台角度的方法。四旋翼无人机有四个螺旋桨，每个螺旋桨由一个电机带动，因此能够做到俯仰、滚转和偏航等，对于大面积湖泊区域，可选择逆光后退飞行。多旋翼无人机云台的工作原理是利用了陀螺仪来平稳飞行，当多旋翼无人机向某一角度倾斜时会被陀螺仪感应到，之后会利用算法迅速加强倾斜角度方向的电机动力，从而使无人机恢复平衡。在拍摄过程中，可以通过改变云台的角度来避免太阳反射光线直接射入相机探测元件，从而减少亮白斑块在影像上的呈现。

所述步骤(6)中，综合步骤(1)、(2)、(3)、(4)和(5)，不同的情况会有不同的解决方案，通过计算每个步骤的值，结合实际的地理位置、时间和河道湖泊区域，对实际计算的偏移值、重叠率值和云台角度进行优化，在避免太阳耀光在影像中显示的情况下，减少航线规划的修改，保证无人机飞行时间，生成最佳航线。

根据一个或者多个实施例，一种避免太阳耀光的无人机航线优化方法。

1.在无人机起飞之前，确定太阳高度角和太阳方位角。太阳高度角是值无人机拍摄河道处太阳光线与通过该河道区域和地心相连的地表切面的夹角，其随着地方时和太阳赤纬的变化而变化。通常来说，某河道处的太阳高度角的计算公式可以表示为：

sinθ_s＝cosh cosδcosΦ+sinδsinΦ

其中，θ_s是太阳高度角，h是以地方恒星时系统下的时角，δ是该时间下的太阳赤纬，Φ是该河道的纬度。

太阳方位角是太阳在方位上的角度，它是从正北方向为零点起算，以太阳光的入射方向为终止方向，沿地平线顺时针测得的角度。某河道处的太阳方位角的计算公式可以表示为：

其中，φ_s是太阳方位角，θ_s是太阳高度角，h是以地方恒星时系统下的时角，δ是该时间下的太阳赤纬，Φ是该河道的纬度。

2.在无人机起飞之前，在地图上绘制出拍摄河道的两岸边界，生成含有地理坐标的轮廓线。通过循环和遍历，解析河道线上各点的地理坐标值，将河道两岸的线转换为点对集；根据河道两岸的位置和距离，遍历所有点，读取两岸各个点对中两点之间的距离，计算中心点位置，生成河道中心点集。

3.通过无人机航线的偏移的方法来避免太阳耀斑出现在拍摄的影像中，尤其适用于南北走向的河道和湖泊。根据河道两岸与河道湖泊中心点集的地理坐标值，结合太阳高度角、太阳方位角、无人机飞行高度、拍摄影像尺寸和相机相关参数，能够计算避免拍摄到太阳耀光的情况下无人机需要偏移河道湖泊中心线的距离。

以河道湖泊中心线为起算点，以中心线点集中各个点为原点，依次计算各个点距离河道两岸的距离，记为W，偏移河道中心线的最小距离为D_min，其计算公式可表示为：

其中h_camera为无人机飞行高度，θ_s为该河道飞行时刻的太阳高度角，φ_s为该河道飞行时刻的太阳方位角。

考虑河道湖泊影像的完整性，要求每张无人机影像拍摄范围必须要包含河道湖泊两岸。记偏移河道中心线的最大距离为D_max，其计算公式可表示为：

其中θ_FOV为无人机相机的视场角，常用无人机的视场角如大疆“御”Mavic 2专业版相机视场角为77°，大疆精灵4RTK的相机视场角为84°；i为相片航向方向的长度比，即为相片的长边比，diagonal_image为无人机相片对角线的长度，为根号下长的平方和宽的平方之和。输入相片的长宽比(大疆“御”Mavic 2专业版相片的最大尺寸为5472×3648，长宽比是3：2，diagonal_image为

大疆精灵4RTK相片的最大分辨率为4864×3648(4:3)和5472×3648(3:2)，diagonal_image分别为5和

长宽是4：3，斜边的平方为25)。

4.针对部分东西走向的河流湖泊，步骤3中的方法可能不能满足避免太阳耀光的需求，但可以通过改变航向重叠率的方法来避免太阳耀光。在一定时间内，太阳入射光线通过水面镜面反射，反射光线会始终进入无人机相机镜头中无法避免，导致太阳耀光一直出现在相片中，并且无人机沿河道偏移避免不了该情况的发生，因此需要新的方法来解决此问题。

对于需要输出数字正射影像的任务，根据制作数字正射影像的过程和原理，影像匹配是数字摄影测量的关键问题，其目的是在两幅(多幅)影像之间识别同名像点，而无人机摄影测量一般会采用较高的旁向重叠率和航向重叠率，易于得到更多更精确的影像连接点。若要使河道太阳耀光不出现在最终正射图像上，则在无人机拍摄的过程中，过改变航向和旁向重叠率的方法，保证太阳耀光始终分布于相片重叠率较低的边缘位置，减少耀光区域参与计算的连接点。

根据所述步骤2、3、4的相关计算，可避免太阳耀光的无人机的航向重叠率最大为forward_overlap，其计算公式可表示为：

其中diagonal_image为无人机相片对角线的长度，φ_s为该河道飞行时刻的太阳方位角，θ_s为该河道飞行时刻的太阳高度角，θ_FOV为无人机相机的视场角。

5.对于步骤3和4中提及的两种方法都不能解决的情况，尤其是大面积的湖泊水域，需要采取逆光飞行或者改变云台角度的方法。四旋翼无人机有四个螺旋桨，每个螺旋桨由一个电机带动，因此能够做到俯仰、滚转和偏航等，对于大面积湖泊区域，可选择逆光后退飞行。多旋翼无人机云台的工作原理是利用了陀螺仪来平稳飞行，当多旋翼无人机向某一角度倾斜时会被陀螺仪感应到，之后会利用算法迅速加强倾斜角度方向的电机动力，从而使无人机恢复平衡。在拍摄过程中，可以通过改变云台的角度来避免太阳反射光线直接射入相机探测元件，从而减少亮白斑块在影像上的呈现。

6.综合1、2、3、4和5，不同的情况会有不同的解决方案，通过计算每个步骤的值，结合实际的地理位置、时间和河道湖泊区域，对实际计算的偏移值、重叠率值和云台角度进行优化，在避免太阳耀光在影像中显示的情况下，减少航线规划的修改，保证无人机飞行时间，生成最佳航线。

本发明能够针对任意时间，任意区域和形状的河道/湖泊，建立自动飞行线路去避开耀斑，自动飞行的线路可以是在起飞前计算好上传到无人机中(一般无人机一次飞行不超过30分钟，太阳耀光变化极小)，也可以将程序写到无人机飞控系统中，在飞行的时候自适应智能调整线路。

本发明提供一种避免太阳耀光的可用于水体调查的无人机航线优化策略，既能够减少航线规划的负担，不缩减无人机飞行时间，还能够防止在无人机影像中产生亮白斑块，避免图像修复环节，以获取高质量、精准的数据。本发明根据相关参数，针对河道湖泊的不同情况，通过三种方法，分别是无人机航线的偏移、拍摄重叠率的变化和云台俯仰角的变化来优化航线，以达到避免太阳耀光的目的。本发明能减少航线规划的负担，不缩减无人机飞行时间，还能够防止在无人机影像中产生亮白斑块，避免图像修复环节，以获取高质量、精准的数据。相对现有技术，本发明具有如下优点：

(1)本发明提出了一种无人机偏移、重叠率的变化以及云台角度改变的方法避免太阳耀光的影响来优化飞行航线，更适合河道湖泊无人机探测；

(2)本发明提出了一种通过无人机航线左右偏移的方法来避免太阳耀光出现在拍摄的影像中，尤其适用于部分南北走向的河道和湖泊。

(3)本发明提出了一种改变航向重叠率的方法来避免太阳耀光出现拍摄的影像中，尤其适用于部分东西走向的河流湖泊；

(4)对于部分面积较广的水域，在航线偏移和重叠率变化效果均不佳的情况下，本发明提出了一种采取逆光飞行或者改变云台角度的方法来避免太阳耀光出现拍摄的影像中；

(5)本发明能够结合探测区域的实际情况，根据上述三种方法的计算值，选择最优结果，生成优化的航线；

(6)本发明经实验证明，该方法在无人机河湖拍摄过程中，能避免无人机影像中出现太阳耀光，获得质量更高的影像数据。

本发明中如果集成的单元以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种无人机水体环境调查方法，所述水体包括河流或湖泊，包括以下步骤：

（1），获得待调查河流或湖泊的地理位置，计算与所述待调查水体地理位置对应的太阳高度角和方位角，

（2），提取河流或湖泊轮廓，生成包含地理坐标的河或湖轮廓线，解析地理坐标值，将河或湖轮廓线转换为点集，通过河或湖两岸的位置和距离，根据两岸点集的坐标生成河道或湖中心点集；

（3），根据河道两岸或者湖中心点集的地理坐标值，结合无人机飞行高度、相机视场角和拍摄影像尺寸参数，计算能够能保证拍摄范围的完整又能够避开太阳耀光的航线偏移距离，通过无人机航线的偏移来避免太阳耀斑出现在拍摄的影像中；

无人机沿该计算获得的飞行线路飞行，对所述水体进行图像拍摄，获得关于该水体水质的数据。

2.根据权利要求1所述的无人机水体环境调查方法，其特征在于，包括步骤（4），针对东西走向的河或湖，通过改变航向的重叠率来避免太阳耀光，根据河道两岸与河湖中心点集的地理坐标值，结合无人机飞行高度、相机视场角和拍摄影像尺寸参数，计算既能满足影像拼接，又能避免太阳耀光的航向重叠率。

3.根据权利要求2所述的无人机水体环境调查方法，其特征在于，包括步骤（5），通过改变云台的俯仰角来防止反射光线直射入探测元件，对于湖泊区域，无人机采用沿入射光线背光飞行。

4.根据权利要求3所述的无人机水体环境调查方法，其特征在于，还包括，

所述步骤（1）中，所述太阳高度角是无人机拍摄河道处太阳光线与通过该河道区域和地心相连的地表切面的夹角，其随着地方时和太阳赤纬的变化而变化, 通常来说，某河道处的太阳高度角的计算公式表示为：

（1）

其中，

是太阳高度角，

是以地方恒星时系统下的时角，

是该时间下的太阳赤纬，

是该河道的纬度，

太阳方位角是太阳在方位上的角度，它是从正北方向为零点起算，以太阳光的入射方向为终止方向，沿地平线顺时针测得的角度，某河道处的太阳方位角的计算公式表示为：

（2）

其中，

是太阳方位角，

是太阳高度角，

是以地方恒星时系统下的时角，

是该时间下的太阳赤纬，

是该河道的纬度，

所述步骤（2）中，在地图中绘制出拍摄河道的两岸边界，生成含有地理坐标的轮廓线，通过循环和遍历，解析河道线上各点的地理坐标值，将河道两岸的线转换为点对集；根据河道两岸的位置和距离，遍历所有点，读取两岸各个点对中两点之间的距离，计算中心点位置，生成河道中心点集，

所述步骤（3）中，通过无人机航线的偏移的方法来避免太阳耀斑出现在拍摄的影像中，用于南北走向的河道和湖泊，

根据河道两岸与河道湖泊中心点集的地理坐标值，结合太阳高度角、太阳方位角、无人机飞行高度、拍摄影像尺寸和相机参数，计算避免拍摄到太阳耀光的情况下无人机需要偏移河道湖泊中心线的距离，

以河道湖泊中心线为起算点，以中心线点集中各个点为原点，依次计算各个点距离河道两岸的距离，记为

，偏移河道中心线的最小距离为

，其计算公式表示为：

（3）

其中

为无人机飞行高度，

为该河道飞行时刻的太阳高度角，

为该河道飞行时刻的太阳方位角，

考虑河道湖泊影像的完整性，要求每张无人机影像拍摄范围必须要包含河道湖泊两岸,记偏移河道中心线的最大距离为

，其计算公式可表示为：

（4）

其中

为无人机相机的视场角，

为相片航向方向的长度，即为相片的长边，

为无人机相片长宽比的平方和，

所述步骤（4）中，针对东西走向的河流湖泊，通过改变航向重叠率的方法来避免太阳耀光，

根据所述步骤（2）（3）（4）的相关计算，避免太阳耀光的无人机的航向重叠率最大为

，其计算公式表示为：

（5）

其中

为无人机相片长宽比的平方和，

为该河道飞行时刻的太阳方位角，

为该河道飞行时刻的太阳高度角，

为无人机相机的视场角，

所述步骤（5）中，对于大面积的湖泊水域，采取逆光飞行或者改变云台角度的方法通过改变云台的角度来避免太阳反射光线直接射入相机探测元件，减少亮白斑块在影像上的呈现。

5.一种无人机，用于水体环境调查，其特征在于，该无人机对水体环境进行调查拍摄的航线生成方法包括以下步骤：

获得待调查河流或湖泊的地理位置，计算与所述待调查水体地理位置对应的太阳高度角和方位角，

提取河流或湖泊轮廓，生成包含地理坐标的河或湖轮廓线，解析地理坐标值，将河或湖轮廓线转换为点集，通过河或湖两岸的位置和距离，根据两岸点集的坐标生成河道或湖中心点集；

根据河道两岸或者湖中心点集的地理坐标值，结合无人机飞行高度、相机视场角和拍摄影像尺寸参数，计算能够能保证拍摄范围的完整又能够避开太阳耀光的航线偏移距离，通过无人机航线的偏移来避免太阳耀斑出现在拍摄的影像中；

无人机沿该计算获得的飞行线路飞行，对所述水体进行图像拍摄，获得关于该水体水质的数据。

6.一种无人机航线生成方法，该航线用于对水体的水质调查，其特征在于，所述方法包括，

获得待调查河流或湖泊的地理位置，计算与所述待调查水体地理位置对应的太阳高度角和方位角，

提取河流或湖泊轮廓，生成包含地理坐标的河或湖轮廓线，解析地理坐标值，将河或湖轮廓线转换为点集，通过河或湖两岸的位置和距离，根据两岸点集的坐标生成河道或湖中心点集；

根据河道两岸或者湖中心点集的地理坐标值，结合无人机飞行高度、相机视场角和拍摄影像尺寸参数，计算能够能保证拍摄范围的完整又能够避开太阳耀光的航线偏移距离，通过无人机航线的偏移来避免太阳耀斑出现在拍摄的影像中；

无人机沿该计算获得的飞行线路飞行，对所述水体进行图像拍摄，获得关于该水体水质的数据。