面向无人机低空公共航路的地理环境三维表达关键技术研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 谭均铭 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 廖小罕 |
| 关键词 | 无人机低空公共航路 地理环境 三维语义表达 地理网格 AR |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 地图学与地理信息系统 |
| 英文摘要 | 无人机低空公共航路是指在低空为多无人机共同飞行划设的具有一定宽度的空域。作为前瞻性的未来城市立体交通基础设施，无人机航路是建设在真实地理环境中的三维虚拟“天路”，是无人机规模化商业化时代共享低空空域资源和构建安全高效运行环境的必然发展。由于空域政策和无人机应用特点，绝大部分无人机在真高3000米以下的低空空域内飞行，空间中分布着各类地表环境实体要素（如地形、建筑物、电力线杆塔等），与空域环境虚拟要素（地理围栏、气象、信号场等）共同组成约束无人机航路布局的低空地理环境。当前，低空地理环境的表达主要是基于栅格地图或矢量拓扑图的形式，用以承载航路规划和应用的空间分析和可视化，普遍缺少地理要素的三维结构和语义类别信息，并且矢栅数据结构在计算时受到内存限制，无法适应具有海量动态要素分布的复杂低空地理环境。此外，生成的虚拟航路相比实际道路更为抽象，无法直观地叠加在地理环境中，对无人机低空航路规划的决策和公共应用认知造成不便。 为了满足在航路规划和应用管理中对复杂地理环境要素的时空分布、类别属性等信息的认知与可视化表达需求，本文提出了一套面向无人机低空公共航路的地理环境三维表达框架，重点研究低空地理约束要素三维重建分类和高效数据组织，以及室内外地理环境增强现实（AR）表达技术，提高对虚拟“天路”的感知和理解，主要工作如下： (1)重点从地理环境的三维重建、语义分类、数据组织和可视化等方面对国内外关于地理环境表达研究现状进行综述，对比分析现有方法及其应用在无人机低空航路中存在的问题进行分析，在此基础上对无人机航路规划和应用场景下低空地理环境表达的概念进行说明，包括范围定义、要素分类和数据特征等； (2)基于实景三维地图服务构建数字化地理环境底座，实现地理约束要素的三维语义信息提取和表达。通过对运动恢复结构(SFM)并行化加速重建的倾斜摄影网格(Mesh)模型进行改进二次误差度量的半边折叠算法和多级纹理压缩映射，引入起伏度调节因子实现了顾及地形的三维模型简化，不同LOD层级简化率在73%-99%之间。构建适合于互联网服务发布的多细节层次(LOD)模型，实现了广州、株洲、德清、乌兰察布等15个城市的5厘米精度三维地图互联网开放共享；采用联合标签系统的随机森林分类方法对Mesh模型进行语义分类，实现了杭州市10km2研究区域内建筑物、植被、地面等要素三维提取，并通过马尔可夫随机场模型实现了顾及上下文语义的分类结果平滑优化； (3)利用地理网格剖分技术对复杂地理环境和要素进行空间数据组织和自适应三维体素化表达。首先基于低空地理环境要素分类体系对不同类别的航路约束要素进行三维体素化建模研究，在基于2n一维整型数组全球经纬剖分网格(GeoSOT)模型的基础上，提出顾及航路高度分层规则的塔式珍珠项链法，通过不同航路高度的最小网格水平尺寸限制以减少网格数据冗余; 改进单层级Z序编码方法提高多尺度网格的聚簇性，并结合三维尺树空间索引对体素化场景进行高效调度和渲染；实验结果表明，本文方法相较于GeoSOT网格，在同一区域设置的最高层级网格数量减少约51.3%，在航路规划的计算中，网格数据库与坐标内存存储法的邻接表容量比值最大达到2:1，邻接关系查询速度是使用坐标内存存储的3倍；网格查询效率在静态风险检测中的耗时控制在1s内，在动态风险检测中相比坐标法耗时减少约50~80%。在不同的视距范围内自适应加载相应层级网格，体素化场景渲染帧率在35~40fps之间，内存占用率保持在70%〜80%之间。 (4)提出一种基于LINE-MOD轮廓模板和天际线特征的移动设备室内外无标识跟踪注册方法，采用实景三维模型先验深度匹配和渲染管线实现虚实遮挡实时处理，开发SkyroadAR系统中实现虚拟航路地理场景的室内外增强现实三维表达。实验结果表明，在物理沙盘上叠加虚拟的航路应用场景能为航路的全局表达提供一个直观和高效的环境，而室外基于位置的航路场景显示能增强用户对航路和地理环境间的空间感知。SkyroadAR室内沙盘应用中采用基于层次树和图像金字塔的轮廓模板匹配方法，在初始化阶段的速度相较于商业软件更快，在恢复跟踪方面的鲁棒性更高。在室外天际线提取中，并行化操作能使加速比达到2.3左右，虚实天际线匹配精度在10-15个像素之间，跟踪注册平均需要60-100ms，虚实遮挡处理实时帧率在35-45fps之间流畅渲染。70位系统用户的调查问卷反馈得到系统可用性、易用性和未来使用意向的7个（总共8个）问题平均值均高于理论值，单样本t检验方法证明了SkyroadAR平均得分与理论平均得分有显著性差异，表明SkyroadAR的技术接受度得到了绝大部分用户赞同。 |
| 学科主题 | 地图学与地理信息系统 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 160 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209358]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 谭均铭. 面向无人机低空公共航路的地理环境三维表达关键技术研究[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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