CN112859930A - 一种基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，包括构建三维可测量模型、建立空间数据库、构建航图图元网络、飞行区域计算、飞行路线规划等步骤，能够基于三维可测量模型的、含有精准网格化地理实体数据的全空间数据库、获取网格化图元网络的阻抗值，构建与该全空间数据库对应的航图图元网络，能够实现无人机等飞行器的自动飞行、无需驾驶员目视地标矫正航线。
Description
技术领域
本发明涉及低空目视航图路径规划技术，具体地，涉及一种基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法。
背景技术
目前尚没有完整的专业航图，目视飞行航图里没有飞行程序等重要航图要素和航行信息，更没有低空航图的电子飞行包和三维地图。俗称的电子航图虽然是很专业的航图软件，但是最重要的飞行程序都是基于二维地图的，分为水平剖面图和垂直剖面图，上面的基本元素包含地形地貌，居民点，道路，海岸线，机场，山河湖海，重要山峰海拔高度，重要地标，重要障碍物和海拔高度等信息。飞行员可以根据航图和目视地标指导飞行线路。也就是说，航图需要飞行员根据地图和观测地标来控制飞行路线。
飞行器诸如无人机的航线设计或航迹规划变得更加非常困难，或者说，目前尚没有真正意义上实用的更低空航图。现有技术中，存在很多技术方案，以尝试寻找出实现低空航图飞行路径规划技术路线。
诸如中国专利文献CN109506654A中公开了一种低空航路规划方法，其中，对飞行区域进行栅格化建模，得到飞行区域的空间模型，获取空间模型的各个栅格的代价值，用该代价值表示对飞行器在对应栅格的空间中航行的影响，根据各个栅格的代价值规划飞行区域的三维航路。该技术方案通过引入代价值从而实现无人机的有序飞行。
诸如中国专利文献CN111627108A中公开了一种基于AR显示技术的通航机场低空航图及其实现系统，航空器临近机场或从机场起飞时，通航机场低空航图显示在头戴AR眼镜的视觉屏幕中，通航机场低空航图的显示包括三维地理空间和与三维地理空间地理数据相关联的航图要素三维数据模型，所述航图要素三维数据模型包括飞行程序数据模型、机场数据模型、障碍物数据模型、通导设备数据模型、特殊地物数据模型，该技术路线为飞行员提供直观的进离场三维航图要素和属性信息作为飞行指引。
现有技术中，尚不存在一种能够自动飞行、无需驾驶员目视地标矫正航线的基于三维低空航图的飞行最佳路径规划方法。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明旨在提供一种基于三维可测量模型的、含有精准网格化地理实体数据的全空间数据库、获取网格化图元网络的阻抗值，构建与该全空间数据库对应的航图图元网络，能够自动飞行、无需驾驶员目视地标矫正航线的基于三维低空航图的飞行最佳路径规划方法。
具体而言，根据本发明的第一个方面，提供一种基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，包括如下步骤：
（1）构建三维可测量模型：通过输入点云数据，倾斜模型，人工模型，BIM或CAD模型，转换生成语义化的模型数据，数据具有几何可测量的特征；
（2）建立空间数据库：
a、将全空间三维网格化，建立空间三维数据库，三维空间被划分成无数个立方体，每个立方体的中心点坐标构成为数据库索引；
b、判断每个网格是在模型内还是在模型外并将此信息作为属性存储在网格中；
c、根据当日的基础地面端的气压、气温、风力、风速数据计算不同高度上的气温和气压数据，并将此信息填入空间数据库；
d、在地面5个点以上的采集的风力、风速，依据三维模型的墙体属性数据，以及流体模型计算出室外空间中各个位置的风力风速，并存入数据库中；
e、空间数据库可挂接任意其他与空间位置相关的属性数据，至此空间数据库建立完毕；
（3）构建航图图元网络：在目视航图上标绘与所述空间数据库对应的各图元，生成各图元属性，将各图元属性值添加到图元属性表中，通过各图元属性表并结合所采集的三维模型的墙体属性数据以及流体模型的气象数据计算各图元的阻抗值，通过所述阻抗值构建航图图元网络；
（4）飞行区域计算：
a、从空间数据库中查询指定区域和指定高度范围的所有图元，再根据图元的室内外属性获得所有指定空间范围内的室外图元；
b、根据当前采集的数据为空间网格存储各类属性，通过所述阻抗值构建的航图图元网络，计算出适宜当前飞行器飞行的空域，去掉不适合飞行的图元；
c、根据飞行器最大直径去掉建筑物周围图元区域；
d、根据飞行器的质量、马力和风速计算出飞行器可能偏航的最大距离，再去掉建筑物周围的网格避免偏航导致的碰撞；
e、将剩余的图元去掉过小的拓扑连通区域，从而获得拓扑联通的可飞行区域；
（5）飞行路线规划：设置根据起点、终点以及所构建的航图图元网络在以上计算出的空域中设置一条飞行线路；
a、首先在上述可飞行区域中设置飞行起点、终点、及中间需要经过的途径点；
b、根据上面设置的点的坐标每两个点为一组，通过添加辅助点绘制出平滑曲线；
c、判断每条曲线是否都在可飞行区域中，如果不在，则通过增加或修改辅助点的方式修改平滑曲线，使之完全处于可飞行区域中；
（6）空间位置追踪：根据GPS和陀螺仪计算飞行器的空间位置，并在三维场景中实时显示；
飞行器可以获取自身在三维空间的位置并通过通讯网络传递回显示终端；终端的三维显示系统，在三维场景中显示飞行器的坐标位置；
（7）偏离航向报警：根据行驶位置跟踪飞行器，如果偏航进行报警。
根据上所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，三维模型可来源于倾斜摄影测量生成的模型，或者来源于激光点云，通过建筑物轮廓（DLG）判别轮廓边缘上方的点云是墙，在DLG范围内的点云是屋顶，通过特征匹配建立起三维模型。并且要根据正射影像中建筑物轮廓所在的位置为模型定位。无论哪种方式建立的模型都要有测绘精度。
根据上所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，所述图元属性包括飞行距离、飞行角度、飞行高程等等。
根据上所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，所述阻抗值包括时间阻抗值、耗能阻抗值、气象阻抗值、高程阻抗值等等。
根据上所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，根据起点、终点以及所构建的航图图元网络，利用目视航图的网络分析功能在以上计算出的空域中生成低空目视飞行最佳路径。
根据本发明，由于对全空间网格化建模，能够对全空间进行空间模型化，由于构建三维可测量模型，诸如通过输入激光点云数据，将倾斜测量模型，人工模型，BIM或CAD模型，转换生成语义化的模型数据，因此数据具有几何可测量的特征，能够构建全空间数据库。
根据本发明，由于将全空间三维网格化并且三维空间被划分成无数个立方体，由此可以对空间进行分层，这样，能够采集三维模型的立体墙体属性数据以及气象特征数据的流体模型的空间数据，从而实现室内外空间数据的多源数据融合，能够进一步降低飞行器飞行风险。另外，该全空间的空间数据库还可挂接任意其他与空间位置相关的属性数据，进一步实现多源数据融合。
根据本发明，由于通过在目视航图上标绘与所述空间数据库对应的各图元(体元数据)，生成各图元属性，将各图元属性值添加到图元属性表中，通过各图元属性表并结合所采集的三维模型的墙体属性数据以及流体模型的气象数据计算各图元的阻抗值，通过所述阻抗值构建航图图元网络，利用目视航图的网络分析功能，因此能够安全地生成最佳飞行路径。
根据本发明，由于构建了基于三维可测量模型的、含有精准网格化地理实体数据的全空间数据库、获取网格化图元网络的阻抗值，构建与该全空间数据库对应的航图图元网络，能够自动飞行、无需驾驶员目视地标矫正航线的基于三维低空航图的飞行最佳路径规划方法。
附图说明
图1为示出本发明一具体实施方式涉及的基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法的流程方块图；
图2为示出本发明一具体实施方式涉及的三维数据语义化模型示意图；
图3为示出本发明一具体实施方式涉及的BIM数据语义化模型示意图；
图4为示出本发明一具体实施方式涉及的建立空间数据库的流程方块图；
图5为示出本发明一具体实施方式涉及的构建图元网络的流程方块图；
图6为示出本发明一具体实施方式涉及的计算飞行区域的流程方块图。
具体实施方式
下面参照附图结合具体实施方式对本发明的具体实施方式涉及的基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法进行详细的说明。本领域技术人员懂得，该说明是示例性的，本发明并不仅限于该具体实施方式之中。
图1为示出本发明一具体实施方式涉及的基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法的流程方块图。
如图1所示，在一具体实施方式中，本发明所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法包括如下步骤：
（1）构建三维可测量模型；
（2）建立空间数据库；
（3）构建航图图元网络：在目视航图上标绘与所述空间数据库对应的各图元，生成各图元属性，将各图元属性值添加到图元属性表中，通过各图元属性表并结合所采集的三维模型的墙体属性数据以及流体模型的气象数据计算各图元的阻抗值，通过所述阻抗值构建航图图元网络；
（4）飞行区域计算：
a、从空间数据库中查询指定区域和指定高度范围的所有图元，再根据图元的室内外属性获得所有指定空间范围内的室外图元；
b、根据当前采集的数据为空间网格存储各类属性，通过所述阻抗值构建的航图图元网络，计算出适宜当前飞行器飞行的空域，去掉不适合飞行的图元；
c、根据飞行器最大直径去掉建筑物周围图元区域；
d、根据飞行器的质量、马力和风速计算出飞行器可能偏航的最大距离，再去掉建筑物周围的网格避免偏航导致的碰撞；
e、将剩余的图元去掉过小的拓扑连通区域，从而获得拓扑联通的可飞行区域；
（5）飞行路线规划：设置根据起点、终点以及所构建的航图图元网络在以上计算出的适宜当前飞行器飞行的空域中设置一条飞行线路；
a、首先在上述可飞行区域中设置飞行起点、终点、及中间需要经过的途径点；
b、根据上面设置的点的坐标每两个点为一组，通过添加辅助点绘制出平滑曲线（如贝塞尔曲线）；
c、判断每条曲线是否都在可飞行区域中，如果不在，则通过增加或修改辅助点的方式修改平滑曲线，使之完全处于可飞行区域中；
（6）空间位置追踪：根据GPS和陀螺仪计算飞行器的空间位置，并在三维场景中实时显示；
飞行器可以获取自身在三维空间的位置并通过通讯网络传递回显示终端；
终端的三维显示系统，在三维场景中显示飞行器的坐标位置；
（7）偏离航向报警：根据行驶位置跟踪飞行器，如果偏航进行报警。
图2和图3分别为示出本发明一具体实施方式涉及的三维数据语义化模型和BIM数据语义化模型示意图。
在本发明基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法中，首先构建三维可测量模型，即通过输入激光点云数据，倾斜摄影实景三维数据， BIM或CAD模型，转换生成语义化的模型数据，数据具有几何可测量的特征。
其中，三维模型数据语义化是指将用户已有的激光点云数据、倾斜摄影实景三维数据、BIM数据进行结构化提取和转换，实现三维空间数据语义化。对于转换后的语义模型，可以自动提取高度、长度、宽度、坡度等二十多种几何语义信息，并可以进行语义扩展。特别是BIM数据可以做到无损转换，保留BIM语义属性和结构，实现BIM几何数据地理化、语义化。可以将CityGML文件导入到城市语义三维模型数据库。引擎可以导入建筑物矢量面图层，并根据属性字段定义的高度，直接创建语义模型。另外，支持多种地理坐标系，可实现模型几何数据的坐标系转换。
通过将BIM数据进行入库和服务发布，实现BIM模型的语义化转换。BIM模型发布后可进行浏览查看，也可以通过开发程序直接调用语义模型库中的BIM数据。BIM模型入库之后可完全保留BIM语义属性和结构，并将BIM几何数据地理化，BIM数据可以通过传统GIS空间操作进行查询，同时可对BIM属性进行独立编辑、共享编辑。
在本发明的一个优选实施例中，所述三维模型来源于倾斜摄影测量生成的模型。在本发明的另一个优选实施例中，所述三维模型来源于激光点云。通过建筑物轮廓（DLG）判别轮廓边缘上方的点云是墙，在DLG范围内的点云是屋顶，通过特征匹配建立起三维模型。根据正射影像中建筑物轮廓所在的位置为模型定位。无论哪种方式建立的模型都要保证测绘精度。
图4为示出本发明一具体实施方式涉及的建立空间数据库的流程方块图。
如图4所示，在构建三维模型之后，建立空间数据库，步骤如下：
a、将全空间三维网格化，建立空间三维数据库，三维空间被划分成无数个立方体，每个立方体的中心点坐标构成数据库索引；
b、判断全空间三维网格化的每个网格是在所构建的三维模型内还是在该模型外，将此判断结果信息分别标注为室内空间或者室外空间并作为属性存储在网格中；
c、根据当日的基础地面端的诸如气压、气温、风力、风速数据等气象数据计算不同高度上的气温和气压数据，并将此信息填入所述空间数据库的相应网格中，并进行实时更新；
d、在地面采集5个点以上的诸如风力、风速，依据所述三维模型的墙体属性数据，利用流体模型，计算出室外空间中各个位置的风力风速数据，并将其存入所述空间数据库相应网格中；
e、空间数据库还可挂接任意其他与空间位置相关的属性数据；
至此，空间数据库建立完毕。
图5为示出本发明一具体实施方式涉及的构建图元网络的流程方块图。
如图5所示，在目视航图上标绘与所述空间数据库各立方体对应的各图元，生成各图元属性，将各图元属性值添加到图元属性表中，通过各图元属性表并结合所采集的三维模型的墙体属性数据以及流体模型的气象数据计算各图元的阻抗值，通过所述阻抗值构建航图图元网络。在一个优选实施例中，所述图元属性包括飞行距离、飞行角度、飞行高程等等。在一个优选实施例中，所述阻抗值包括时间阻抗值、耗能阻抗值、气象阻抗值、高程阻抗值等等。
图6为示出本发明一具体实施方式涉及的计算飞行区域的流程方块图。
如图6所示，在构建三维模型、建立全空间数据库、构建图元网络之后，进行飞行器诸如无人机飞行区域的计算。计算步骤如下：
a、从空间数据库中查询指定区域和指定高度范围的所有图元，再根据图元的室内外属性获得所有指定空间范围内的室外图元；
b、根据当前采集的数据为空间网格存储各类属性，通过所述阻抗值构建的航图图元网络，计算出适宜当前飞行器飞行的空域，去掉不适合飞行的图元；
c、根据飞行器最大直径去掉建筑物周围图元区域；
d、根据飞行器的质量、马力和风速计算出飞行器可能偏航的最大距离，再去掉建筑物周围的网格避免偏航导致的碰撞；
e、将剩余的图元去掉过小的拓扑连通区域，从而获得拓扑联通的可飞行区域；
（5）飞行路线规划：设置根据起点、终点以及所构建的航图图元网络在以上计算出的空域中设置一条飞行线路；
a、首先在上述可飞行区域中设置飞行起点、终点、及中间需要经过的途径点；
b、根据上面设置的点的坐标每两个点为一组，通过添加辅助点绘制出平滑曲线（如贝塞尔曲线）；
c、判断每条曲线是否都在可飞行区域中，如果不在，则通过增加或修改辅助点的方式修改平滑曲线，使之完全处于可飞行区域中；
（6）空间位置追踪：根据GPS和陀螺仪计算飞行器的空间位置，并在三维场景中实时显示；
飞行器可以获取自身在三维空间的位置并通过通讯网络传递回显示终端；
终端的三维显示系统，在三维场景中显示飞行器的坐标位置；
（7）偏离航向报警：根据行驶位置跟踪飞行器，如果偏航进行报警。
根据本发明，由于对全空间网格化建模，能够对全空间进行空间模型化，由于构建三维可测量模型，诸如通过输入激光点云数据，将倾斜测量模型，人工模型，BIM或CAD模型，转换生成语义化的模型数据，因此数据具有几何可测量的特征，能够构建全空间数据库。
根据本发明，由于将全空间三维网格化并且三维空间被划分成无数个立方体，由此可以对空间进行分层，这样，能够采集三维模型的立体墙体属性数据以及气象特征数据的流体模型的空间数据，从而实现室内外空间数据的多源数据融合，能够进一步降低飞行器飞行风险。另外，该全空间的空间数据库还可挂接任意其他与空间位置相关的属性数据，进一步实现多源数据融合。
根据本发明，由于通过在目视航图上标绘与所述空间数据库对应的各图元(体元数据)，生成各图元属性，将各图元属性值添加到图元属性表中，通过各图元属性表并结合所采集的三维模型的墙体属性数据以及流体模型的气象数据计算各图元的阻抗值，通过所述阻抗值构建航图图元网络，利用目视航图的网络分析功能，因此能够安全地生成最佳飞行路径。
根据本发明，由于构建了基于三维可测量模型的、含有精准网格化地理实体数据的全空间数据库、获取网格化图元网络的阻抗值，构建与该全空间数据库对应的航图图元网络，能够实现无人机等飞行器的自动飞行、无需驾驶员目视地标矫正航线。
以上尽管参照具体实施方式对本发明做出进一步限定，然而，本领域技术人员懂得，其可以做出各种修饰和变更，只要不脱离本发明宗旨和精神，这些变更和修饰均应落入本发明的范畴之内，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，包括如下步骤：
（1）构建三维可测量模型；
（2）建立空间数据库；
（3）构建航图图元网络：在目视航图上标绘与所述空间数据库对应的各图元，生成各图元属性，将各图元属性值添加到图元属性表中，通过各图元属性表并结合所采集的三维模型的墙体属性数据以及流体模型的气象数据计算各图元的阻抗值，通过所述阻抗值构建航图图元网络；
（4）飞行区域计算：
a、从空间数据库中查询指定区域和指定高度范围的所有图元，再根据图元的室内外属性获得所有指定空间范围内的室外图元；
b、根据当前采集的数据为空间网格存储各类属性，通过所述阻抗值构建的航图图元网络，计算出适宜当前飞行器飞行的空域，去掉不适合飞行的图元；
c、根据飞行器最大直径去掉建筑物周围图元区域；
d、根据飞行器的质量、马力和风速计算出飞行器可能偏航的最大距离，再去掉建筑物周围的网格避免偏航导致的碰撞；
e、将剩余的图元去掉过小的拓扑连通区域，从而获得拓扑联通的可飞行区域；
（5）飞行路线规划：设置根据起点、终点以及所构建的航图图元网络在以上计算出的空域中设置一条飞行线路；
a、首先在上述可飞行区域中设置飞行起点、终点、及中间需要经过的途径点；
b、根据上面设置的点的坐标每两个点为一组，通过添加辅助点绘制出平滑曲线；
c、判断每条曲线是否都在可飞行区域中，如果不在，则通过增加或修改辅助点的方式修改平滑曲线，使之完全处于可飞行区域中。
2.如权利要求1所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，还包括如下步骤：
（6）空间位置追踪：根据GPS和陀螺仪计算飞行器的空间位置，并在三维场景中实时显示；
飞行器可以获取自身在三维空间的位置并通过通讯网络传递回显示终端；
终端的三维显示系统，在三维场景中显示飞行器的坐标位置。
3.如权利要求1所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，还包括如下步骤：
（7）偏离航向报警：根据行驶位置跟踪飞行器，如果偏航进行报警。
4.如权利要求1~3任一项所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，通过输入激光点云数据，倾斜摄影实景三维数据， BIM或CAD模型，转换生成语义化的模型数据，从而构建三维可测量模型，所述模型数据具有几何可测量的特征。
5.如权利要求1~3任一项所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，所述三维可测量模型来源于倾斜摄影测量生成的模型，或者来源于激光点云，通过建筑物轮廓DLG判别轮廓边缘上方的点云作为墙，在建筑物轮廓DLG范围内的点云作为屋顶，通过特征匹配建立起所述三维可测量模型，并且根据正射影像中建筑物轮廓所在的位置为模型定位。
6.如权利要求1~3任一项所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，所述建立空间数据库步骤如下：
a、将全空间三维网格化，建立空间三维数据库，三维空间被划分成无数个立方体，每个立方体的中心点坐标构成数据库索引；
b、判断全空间三维网格化的每个网格是在所构建的三维模型内还是在该模型外，将此判断结果信息分别标注为室内空间或者室外空间并作为属性存储在网格中；
c、根据当日的基础地面端的气压、气温、风力、风速数据的气象数据计算不同高度上的气温和气压数据，并将此信息填入所述空间数据库的相应网格中，并进行实时更新；
d、在地面采集5个点以上的风力、风速，依据所述三维模型的墙体属性数据，利用流体模型，计算出室外空间中各个位置的风力风速数据，并将其存入所述空间数据库相应网格中；
e、空间数据库还可挂接任意其他与空间位置相关的属性数据；
至此，空间数据库建立完毕。
7.如权利要求1~3任一项所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，所述图元属性包括飞行距离、飞行角度、飞行高程。
8.如权利要求1~3任一项所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，所述阻抗值包括时间阻抗值、耗能阻抗值、气象阻抗值、高程阻抗值。
9.如权利要求1~3任一项所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，根据起点、终点以及所构建的航图图元网络，利用目视航图的网络分析功能在以上计算出的空域中生成低空目视飞行最佳路径。
10.如权利要求9所述基于三维低空目视飞行最佳路径规划方法，其特征在于，在目视航图上标绘与所述空间数据库各立方体对应的各图元，生成各图元属性，将各图元属性值添加到图元属性表中，通过各图元属性表并结合所采集的三维模型的墙体属性数据以及流体模型的气象数据计算各图元的阻抗值，通过所述阻抗值构建航图图元网络，所述图元属性包括飞行距离、飞行角度、飞行高程，所述阻抗值包括时间阻抗值、耗能阻抗值、气象阻抗值、高程阻抗值，利用目视航图的网络分析功能在以上计算出的空域中生成低空目视飞行最佳路径。
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