本发明涉及低空数字摄影测量领域，具体涉及一种无人机航摄作业规划方法。
背景技术：
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、可快速部署的优势在测绘工作中发挥着越来越重要的作用，而航摄规划设计是航摄工作中的一项重要内容，其精度高低、自动化程度和设计速度将直接影响航空摄影的质量和效益；航摄任务规划的主要工作要求完成航摄的分区、航线的优化调整，曝光点的敷设，并将设计结果以一定的格式发送给无人机的飞控系统，由无人机完成航摄任务。显然，航摄的分区、航线的优化调整、曝光点的敷设等设计结果的质量直接影响最终航摄结果的质量高低，然而，已有的无人机航摄技术存在航线规划粗放，缺乏合理统筹和合理规划等不足。
技术实现要素：
为了解决现有技术规划粗放、缺乏合理性等技术问题，本发明提出了一种无人机航摄作业规划方法，该方法在真实重叠率约束下、并顾及dem进行优化，进行航摄航线优化调整和航摄曝光点确定，实现精确化、自动化、自适应的航摄任务规划。
本发明通过下述技术方案实现：
一种无人机航摄作业规划方法，包括以下步骤：
s1，用户通过无人机地面站软件规划或导入多边形测区；
s2，地面站根据测区范围检查本地dem数据是否完整，如果本地dem数据缺失，则从指定的数据服务上下载所需的dem数据，然后执行步骤s3；如果dem数据完整则继续执行步骤s3；
s3，按测区范围剪裁dem，并统计出测区的平均高程作为初始的航摄基准面高程；
s4，地面站基于设置的航摄任务参数，计算出预设参数；
s5，地面站基于已知的参数和测区数据，根据航带要覆盖到测区进入端边界来确定首条航线，循环预设并迭代调整下一条航线的位置，直到最后一条航带覆盖到测区另一端的边界后退出循环，获得所有调整好的航线；然后遍历每条航线：根据像片投影覆盖到当前航线的起点确定首个曝光点的位置，然后循环预设并迭代调整下一个曝光点，直至最后一个曝光点对应的像片投影覆盖到当前航线的终点后退出循环，遍历完所有航线后，得到所有曝光点；
s6，地面站根据曝光点生成飞行计划，通信发送给无人机飞控系统，飞控系统接收到飞行计划，根据计划中的曝光点位置，执行航摄任务。
步骤s2中的本地dem数据缺失是指本地dem数据不能完全包含当前测区。
步骤s4具体为：用户根据航摄任务，设置航摄任务参数，其包括相机参数、地面分辨率、预期重叠率、航线方向，根据上述航摄任务参数地面站计算出预设参数，其包括相对于初始基准面的航高、航线间距、摄影基线长。
步骤s5具体包括以下步骤：
(1)判断多边形测区的凹凸性，如果是凹多边形则计算其凸包，来替代原多边形测区作为输入值；
(2)从垂直航线角度的方向进入测区，由测区进入端最大高程值、相机参数和对地航高，根据中心投影几何计算首条航线到测区边界的距离，据此确定首条航线的起终点；
(3)预设第二航线时根据预期旁向重叠率反算的航线间距来设置，而预设其他航线时根据已经调整好的前两条航线的间距来设置；
(4)查询当前航带和上一条航带重叠区域边界上的最大高程值，计算并检查真实旁向重叠率是否满足预期，如果不满足则进行航线间距的迭代调整，如果满足则将当前航线加入结果列表；
(5)每当确定一条航线后，就由测区的离开端的最大高程值、相机参数和对地航高，根据中心投影几何计算出航带是否已经覆盖到离开端边界，如果是则退出循环并输出航线结果列表，否则重复步骤(3)-(5)；
(6)由一条航线起点处像片投影覆盖边界的最大高程值、相机参数和对地航高，根据中心投影几何计算首个曝光点到当前航线起点的距离，据此确定首个曝光点位置；
(7)预设第二个曝光点是根据预期航向重叠率反算的摄影基线长来设置，而预设其他曝光点是根据已经调整好的前两个曝光点的摄影基线长来设置；
(8)查询当前曝光点和上一个曝光点对应的像片投影重叠区域边界上的最大高程值，计算并检查真实航向重叠率是否满足预期，如果不满足则进行摄影基线长的迭代调整，如果满足则将当前曝光点加入结果列表；
(9)每当确定一个曝光点后，由航线终点处像片投影覆盖边界上的最大高程值、相机参数和对地航高，根据中心投影几何计算出该曝光点对应像片投影是否已经覆盖到航线终点，如果是则退出当前航线的曝光点设置循环，重复步骤(6)-(9)直到遍历完所有航线，退出并输出曝光点结果列表；否则重复步骤(7)-(9)继续当前航线的曝光点设置。
具体的，最大高程值通过dem高程查询技术获得。
进一步，迭代调整过程中通过设置迭代收敛算法来保障遇到特殊的高程数值组合时能快速进行迭代调整。
本发明在真实重叠率约束下确定航摄曝光点，考虑了实际地形起伏，且通过迭代调整过程并顾及dem，对航线和曝光点位置确定进行了迭代调整，使得航线和曝光点位置能够随地形起伏进行自适应调整，从而获得更加优化、可靠、高效的航摄任务规划导向数据，提高了航测质量和航摄作业效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的无人机航摄作业规划方法流程图。
图2为本发明实际应用在无人机地面站生成带曝光点的任务航线效果图。
图3为本发明实际应用在多边形区域的航摄效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，本发明的一种无人机航摄作业规划方法，其具体包括以下技术特征：
s1，用户通过无人机地面站软件规划或导入多边形测区；
s2，地面站根据测区范围检查本地dem数据是否完整，如果本地dem数据不能完全包含当前测区则从指定的数据服务上下载所需的dem数据，然后执行步骤s3；如果dem数据完整则继续执行步骤s3；
s3，按测区范围剪裁dem，并统计出测区的平均高程作为初始的航摄基准面高程；
s4，用户根据航摄任务，设置相机参数、地面分辨率、预期重叠率和航线方向等航摄任务参数，据此地面站会计算出相对于初始基准面的航高、航线间距、摄影基线长度等预设参数；
s5，地面站基于已知的参数和测区数据，开始计算调整航线和曝光点；
其具体包括：
(1)首先，判断多边形测区的凹凸性，如果是凹多边形则计算其凸包，来替代原多边形测区作为输入值。
(2)然后，输入多边形测区顶点序列和航线角度，利用扫描线算法(bentley-ottmannalgorithm)，计算航线与多边形测区边界的交点，生成航线的起终点集合：①确定首条航线：从垂直航线角度的方向进入测区，由测区进入端最大高程值、相机参数和对地航高等参数，根据中心投影几何计算首条航线到测区边界的距离，据此扫描测区得到首条航线起终点，并加入结果列表；②预设当前航线：根据前两条航线的间距(预设第二条航线时，前面只有一条航线，则根据预期旁向重叠率反算航线间距)，扫描测区得到交点，预设当前航线；③确定当前航线：查询当前航带和上一条航带重叠区域边界上的最大高程值，计算并检查真实旁向重叠率是否满足预期，如果不满足则进行航线间距的迭代调整，如果满足则将当前航线加入结果列表；④判断是否退出航线扫描循环：每当确定一条航线后，需要检查其航带是否已经覆盖到测区的另一端(即离开端)边界(由测区的离开端的最大高程值、相机参数和对地航高等参数，根据中心投影几何计算出航带是否已经覆盖到离开端边界)，如果是则退出循环并输出航线结果列表，否则重复第②至④步。
(3)最后，遍历航线列表，生成曝光点集合：①确定首个曝光点：从每条航线起点进入测区，由航线起点处像片投影覆盖边界的最大高程值、相机参数和对地航高，根据中心投影几何计算首个曝光点到航线起点的距离，据此确定首个曝光点并加入结果列表；②预设当前曝光点：根据前两个曝光点的摄影基线长(预设第二个曝光点时，前面只有一个曝光点，则根据预期航向重叠率反算摄影基线长)，预设当前曝光点；③查询下一张像片和上一张像片投影重叠区域边界上的最大高程值，计算并检查真实航向重叠率(如图1-d)是否满足预期，如果不满足则进行摄影基线长的迭代调整，如果满足则将当前曝光点加入结果列表；④判断是否退出曝光点设置循环：每当确定一个曝光点后，需要检查其像片投影区域是否已经覆盖到当前航线的终点(由航线终点处像片投影覆盖边界上的最大高程值、相机参数和对地航高等参数，根据中心投影几何计算出该曝光点位置处像片投影是否已经覆盖到航线终点)，如果是则退出当前航线的曝光点设置循环，重复第①至④步直到遍历完所有航线，退出并输出曝光点结果列表。
通过中心投影几何，反算得到当前位置与预期位置的间距应为：δb＝l×[(1-δh/h)×pe+δh/h-p]，式中：δb为迭代调整步长，δh是新航摄基准面与初始航摄基准面的高差，h是相对初始航摄基准面的航摄高度，pe是预期重叠率，p是在初始航摄基准面上计算的重叠率，p＝q/l，其中q为初始航摄基准面上的投影重叠长度，l为初始航摄基准面上的投影长度。采用这种调整步长一般迭代次数不会超过两次，就会十分接近预期重叠率。于是，设计了以下收敛的迭代调整算法：
(1)当n＝1时：令δb＝l×[(1-δh/h)×pe+δh/h-p]；当n≤nmax时：如果-δpmax<p′-pe<0，则δb＝1；如果0≤p′-pe<δpmax，则δb＝0；如果p′-pe≥δpmax，则
(2)如果δb＝0则退出迭代(即满足预期)，否则将当前曝光点(当前航线)调整一个步长δb，得到新的当前曝光点(当前航线)。
dem高程查询技术方案：
(1)在部署dem数据和提供dem数据服务之前，预先初始化所有dem数据，生成头信息文件：即利用gdal库打开每个dem数据的geotiff文件，读取仿射变换参数、wkt字符串表示的坐标系、栅格波段数、栅格行列数等信息；并将这些信息以及主文件路径写入pamdataset文件(.aux.xml后缀名)的自定义域中。使用dem数据时，只需使头信息文件和geotiff文件位于同一目录下即可。
(2)每次程序启动时只需加载所有dem文件的头信息，并计算出全局的仿射变换参数、地理空间范围和栅格行列数等参数。
(3)输入多边形测区的顶点序列，计算出多边形测区的地理空间范围，然后根据测区地理空间范围和全局的仿射变换参数，计算出测区dem的栅格行列号范围；根据测区的地理空间范围查找出所涉及的dem文件，并从所涉及的dem文件中裁剪出子数据集；最后拼接这些子数据集，并填充到测区的dem栅格行列号范围内，形成组织在内存中的测区dem数据集。数据读写操作利用gdal库完成。
(4)进行高程查询时，遍历重叠区域的栅格点，利用仿射变换参数反算出地理空间坐标，判断该点是否在重叠区域的边界上，如果在则将该点高程值加入查询结果列表，遍历完毕后返回高程值列表的最大值。
s6，地面站根据曝光点生成飞行计划，通信发送给无人机飞控系统，飞控系统接收到飞行计划，根据计划中的曝光点位置，执行航摄任务。
地面站实施本发明的航摄作业规划方法得到如图2所示的带曝光点的任务航线效果图，将其应用于实际多边形区域航摄作业，得到如图3所示的航摄效果图。本发明的无人机航摄作业规划方法，通过在真实重叠率的约束下，考虑地形起伏，并顾及dem，设计了一种可收敛的迭代调整算法及dem高程查询技术，能够实现航线和曝光点位置的自适应、优化调整，保障了航摄规划更加符合预期，提高了航测质量和航摄作业效率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。