基于多旋翼无人机gps坐标计算的树障面积快速测定法

计算技术与自动化ComputingTechnologyandAutomationVol.38，No.4

Dec.2019

文章编号：1003—6199（2019）04—0042—05DOI：10.16339/j.cnki.jsjsyzdh.201904008

基于多旋翼无人机GPS坐标计算的树障面积快速测定法

袁文俊覮，郑武略，贺敏恒，方博，廖江雨，廖鹏

广东广州510000）（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，

摘要：为了快速测定树障环境下的任意多边形的面积，提出了基于多旋翼无人机GPS坐标计算的树障面积快速测定法。该方法通过无人机定位取点并选取待测区域外任意一点与多边形各顶点相连接形成——无人机面积测量软多个三角形来计算任意多边形的面积，并在此基础上开发出了一款面积测量软件—该方法能够快速的对指定区域进行面积测量且相对误差精度可达到95%件1.0。实地面积测量结果表明，以上。

面积测量；关键词：多旋翼无人机；GPS；取点；中图分类号：TP39

文献标识码：A

RapidMeasurementofTreeBarrierAreaBased

onGPSCoordinatesCalculationofMulti-rotorUAV

（SuperHighVoltageGuangzhouBureau，ChinaSouthernPowerGrid，GuangZhou，Guangdong510000，China）

Abstract：Inordertoquicklymeasuretheareaofanypolygoninthetreebarrierenvironment，thispaperproposesarapidmea原

YUANWen-jun覮，ZHENGWu-lue，HEMin-heng，FANGBo，LIAOJiang-yu，LIAOPeng

surementmethodoftreebarrierareabasedonGPScoordinatesofmulti-rotorUAV.Themethodcalculatestheareaofanarbitrary

polygonbytakingthepointsandselectingadiscretionarypointoutsidetheareatobemeasuredtoconnectwiththeverticesofthepoly原gontoformtriangles.Basedonthis，anareameasurementsoftware--UAVareameasurementsoftware1.0isdeveloped.Fieldareareach95%orabove.

measurementresultsshowthatthemethodcanquicklymeasuretheareaofthespecifiedareaandtherelativeerrorprecisioncan

Keywords：multi-rotorUAV；GPS；takepoints；areameasurement

近年来无人机技术快速发展，凭借其轻巧灵活、定位精确的特点得到了十分广泛的应用。例如在火灾现场情况探测、高压输电线巡检以及面积测量等方面都得到了很好的应用效果[1]。

目前，对于面积测量方法的研究十分广泛。很多研究者都依靠GPS定位系统来研究如何快速有效的测量面积[2-3]，也有研究人员利用数码相机和

Photoshop软件来研究如何测量面积[4]，或者依据双目视觉原理[5]进行面积测量研究。然而在实际的面区域跨积测量过程中，经常会遇到地形环境复杂、度大、树木生长茂密的情况，此时采用手持GPS设备[6-7]或者数码相机等方式来进行面积测量则十分的费时耗力，其要求测量人员围绕待测区域行走并效率低并且具有一定的取点，该方式测量难度大、

收稿日期：2018—10—15

（19—）广东广州人，本科，研究方向：计算技术。作者简介：袁文俊，男，工程师，覮通讯联系人，E-mail：790251736@qq.com

第38卷第4期袁文俊等：基于多旋翼无人机GPS坐标计算的树障面积快速测定法

43危险性。

主要针对树障面积测量[8]方法进行研究，传统的树障面积测量方法缺点如下：

茂密1.时使，测量用激的光通测透距性仪不进行够好测量，激，

当光测树木距生仪长特比别较容易被一些树叶或枝干遮挡，产生较大误差甚至无法测量；

由22.名人人工员拉皮尺配合完进行成，测测量得的形，比状较一费般时简费化力，

成必须规则的几何形状进行计算，与实际砍伐面积误差大，而且人工拉皮尺无法测量山体的坡度。

因此，提出了基于多旋翼无人机[9]算的树障面积快速测定法，并在此基础GPS上开发坐标出计

了一款面积测量软件———

无人机面积测量软件1.0，利用该软件通过无人机能够快速实现树障面积测量，与上述面积测量方式相比，无人机测量的方式受地形环境影响较小，能够快速的对指定区域进行面积测量且作业精度十分高。

1相关原理

1.1面积测量原理

众所周知，两个向量叉积的绝对值的一个几何意义就是以向量a和向量b为两边形成的平行四边形的面积，如图1所示：

C

D

A

B

图1平行四边形

该平行四边形的面积为：

SABCD=AB寅伊AC

寅=AB伊AC伊sin（A）（1）从而三角形ABC的面积为：

SABC=1伊SABCD，即S寅寅根据上2ABC=0.5伊AB伊AC（2）

述公式求出来的面积都是正数，

但是向量叉乘是有方向的，即AB寅伊AC寅是有正负的，如果

把上面第三个公式中的绝对值符号去掉，即SABC0.5伊（=

AB寅也是有正负的，

所示：

伊AC寅

），那么面积如图2B

A

C

D

E

图2不规则多边形

该不规则多边形的面积SABCDESADE，如果SABC和SADE是正的，

那么S=ACDSABC是负+的，SACD这+

样加起来刚好就是多边形的面积。对于凸多边形，

所有三角形的面积都是同正或者同负。

采用该方式虽然能够计算不规则多边形的面积，

但必须选择某一个顶点来划分该不规则多边形以形成不同的三

角形，因此计算过程显得较为繁琐。如果不以该多边形的某一点为顶点来划分三角形而是以任意一

点，+S如图3所示。该方法也成立：SABCDEOCD+SODE=点+SOEA。当进行面积测量计算SOAB的时+候SOBC，取O点为原则可以简化计算。

B

O

A

C

D

E

图3不规则多边形

当以O点为原点时，根据向量的叉积计算公

式，各个三角形的面积计算如下：

SOAB=0.5*（Ax其中为A点的*By坐标-Ay，

其*Bx）（3）

他以此类推。SOBC（4）

SOCD=0.5*（（BCxx**CDyy--BCyy**CDx）

x）（5）SODE=（6）OEA=0.5=0.5*

0.5**（Dx*Ey-Dy*Ex）S（7）

此，该不（规Ex则*Ay多-边Ey形*最终Ax）因的面积为：SABCDE0.5*[=ASOABy*（E+xSOBC-Bx+）SOCD+By+SODE+SOEA=y*（Bx-Dx）+Dy*（Cx-Ex）*（+Ax-Cx）+CEy*（Dx-Ax）]

（8）

44计算技术与自动化2019年12月

关于不规则多边形的面积测量方法可有效的简化计算，本文提出的基于多旋翼无人机GPS坐标计算的树障面积快速测定法正式根据此原理而设计的，通过无人机定位取点即可实现任意多边形的面积测量。

1.2GPS坐标转换说明

本文中的无人机是依据GPS定位系统采集数据点，得到的是经纬度坐标点，因此必须通过相应的处理才能计算出任意两点间的欧式距离。

假设地球是一个标准的球体，设无人机采集到的A点经纬度坐标为（xA，yA），B点的经纬度坐标为（xB，yB）。如果按照经线的准则，即东经取经度的正值，西经取经度的负值，北纬取纬度值，南纬取纬度值，那么经过上述的处理后即可得到新的A、B

两点坐标，分别记为（x*A

，y*A），（x*B，y*

B），地球子午线的总长度约为40008km，

在不考虑两极极点的情况180下，抑平111均km纬度，经度每变化每变化1度大1度约距离距离大为约驻为1at=驻ln仔gR=/

勾驻lat股*定cos理（W即）可，其得中A、WB为两纬点度，间的R粗为略地距离球半为径：

。利用

dAB=姨（（x*A

-x*B

）*驻lng）2+（（y*A

-y*B

）*驻lat）2（9）

2面积测量系统设计

2.1系统总体设计

设计的基于多旋翼无人机GPS坐标计算的树障面积快速测定系统由无人机、遥控器、地面站以及服务器四个部分组成，

如图4所示：无人机

地面站

遥控器

服务器

图4面积测量系统总体设计

此面积测量系统由地面站向服务器获取相关许可，然后由用户在地面站上操控，将数据信息通

过遥控器传输至无人机，从而执行相关操作并进行面积测量工作，最后无人机可将测量所得数据通过遥控器再传输至地面站，进行数据统计与分析后获得测量结果。2.2系统通讯设计

此面积测量系统的总体通讯过程如图5所示：

无人机

遥控器

地面站

服务器

基本控制

向服务器获发送许可状态

发SKD取

馈许可许可

状态

发送实时状态

转发实时状态触发命令发出

触发控制

主动控制发出

主动控制

图5系统通讯流程

如上图5所示，系统中的地面站首先向服务器获取SDK许可，同时服务器向地面站反馈许可状态，在取得许可后地面站则向遥控器发送许可状态或者发出触发命令，从而遥控器就可以开始进行基本的控制操作；或者由用户发出主动控制，该主动控制经过遥控器直接发送到无人机进行相应的控制操作，无人机在获取相关测量数据后即可通过遥控器实时转发至地面站。整个系统的通讯流程设计思路简单实用，通讯高效。2.3系统工作流程设计

下面介绍整个面积测量系统的工流程情况，如图6（a）所示：

图6（a）是关于整个面积测量系统的工作流程设计，主要是研究如何设计出整个系统实时高效的

工作。从上面的流程图中可以看到，

整个系统的工作大概可以分为三个部分，第一部分主要是关于设备连接的问题，涉及到服务器和遥控器等设备的初始连接及，若连接错误则显示相应的静态界面，以提示用户当前状态；第二个部分主要是关于无人机取点记录数据的问题，通过遥控器发出指令让无人

机取点，进而获得位置信息。第三部分则是综合信息，最终得到待测区域面积，如果相应的基础信出错则向用户发出警报。总的看来，该系统设计符合用户使用习惯，简单易操作。

图6（b）主要是关于面积计算流程的设计，该

第38卷第4期袁文俊等：基于多旋翼无人机GPS坐标计算的树障面积快速测定法

45流程采用顺序结构，从图中可以看到无人机采集数据点并达到计算最低数量，然后进行数据拆分、经纬度转换以计算点距等工作，最后即可算出待测区域的面积。

连接服务器

失败

连接遥控器

失败

显示静

态界面

重新记录

接收数据

位置数据

基础信息

数据异常记录当前点

数据显示

报警提示

无效记录移除

形成航线

数据计算

（a）系统整体工作流图

记录数据

达到计算

最低数量

拆分数据

转换经纬度

计算点距

合并点计算

面积

显示结果（b）面积计算流程图

图6面积测量系统主要流程图

2.4面积测量软件设计

该面积测量软件基于无人机设备进行运行，主要有显示无人机信息，向无人机发送指令，接收无人机指令等功能。同时该软件还能进行错误处理：软件会收集无人机所下发的一切异常信息并显示，部分严重异常信息，

会自动控制无人机进行相关紧急操作。使用该软件前必须先使用DJI账号登录服务器，完成机型注册以及飞行器与该软件的初始化连接。完成连接并且登陆成功以后则可以进入

位APP到，图像功能和地图功能会正常显示，地图会定

APP当登前陆所成在地功界并面显显示示相关如图信7息所（示需要：

权限许可）。（a）APP登陆成功界面

（b）APP状态显示兰

图7APP工作界面相关信息

息，从APP左至界右面分上别方为显：设示备连内容接为及当运前行无状态人机状态，当前无信

人机飞行模式，

当前GPS信号强度，遥控器信号强度，图像信号强度，电池电量信息，当前捕获航点数量。

左上角灰色半透明提示框内，显示为常规及警告信息提醒，常规信息包括当前任务执行状态，包括当前GPS等级状态，航点上传状态提示，航线任务执行情况等。

3实测验证及误差分析

为了验证本文提出的基于多旋翼无人机GPS坐标计算的树障面积快速测定法的正确性，在天气良好的情况下在一高校中进行了面积测量实验验证，

图8是现场实际测量取点时的一个场景截图。（a）无人机飞行情况

46计算技术与自动化2019年12月

（b）APP界面情况显示

图8无人机面积测量验证

为了验证无人机面积测量系统的实用性及测量准确性，此次实验测取了多组数据，分别验算了不同多边形的面积，

表1是关于不同多边形的人工测量面积及无人机测量面积和相对误差分析情况。

表1无人机面积测量误差分析

多边形形状人工测量面积

无人机测量面积

相对误差多边形16.9582.55%多边形22602513.46%多边形381.74784.58%多边形41801771.66%多边形5

382

368

3.66%

根据上述实际面积测量情况来看，

无人机在对不同多边形进行面积测量时，

均能够取得很不错的效果，根据误差分析显示，可以知道在此次面积测量过程中其最大相对误差不超过95%，满足实际应用时的精度要求。

4结论

GPS根据开发坐出标一计实款算际无的使人树用需机障面面求提出的基于多旋翼无人机

积积测量快速软测件定1.0法。经简单过实实用，

际并测量验证，发现该无人机面积测量系统在实际的测量过程中受地形环境影响小，并能够快速的对指定区

域进行面积测量且作业精度十分高。

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