CN109118502B - 基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业工程技术领域，尤其涉及基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法及***。所述方法包括：将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理，划分为有效顶点和无效顶点；根据有效顶点和无效顶点提取出区域的断点，根据断点分割出两区域的有效连接段，根据断点得出两区域的相交线，根据相交线求解相交线的交点，并将距离断点最近的交点作为区域合并的连接点；根据两区域的有效连接段，在连接点处将两区域的有效连接段连接起来，形成一个新的闭合区域作为区域实时重构的结果。所述***包括：处理模块；提取模块；重构模块。本发明利用无人机作业过程中的实时无人机作业参数信息实时构建作业覆盖区域，以重构出漏喷和过度重喷的区域。

Description

基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法及***

技术领域

本发明涉及农业工程技术领域，尤其涉及基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法及***。

背景技术

在植保无人机作业过程中，依据航线规划算法可以规划出较优作业航线，但航线飞行精度低的无人机无法精确沿着规划航线飞行，从而导致真实作业的各项作业效果参数不佳，可能导致漏喷或药害的产生；而航线控制精度较高的无人机也会受到外界环境因素的影响而难以保证作业区域参数与理论规划一致，从而导致药液真实覆盖区域与理论计算不一致，使得整个作业区域内作业效果不一。而目前评估植保无人机作业覆盖区域主要有三种方式：人工采集作业区域雾滴、遥感图像信息提取、后期人眼观测作业效果。人工采集作业区域雾滴时，主要采用采集卡、试纸、量杯等，适用于定性和定量分析雾滴漂移规律构建雾滴漂移模型，而不适用于实时在线评估作业过程中的雾滴覆盖情况；而且该方法耗时较多，工作人员需要较长时间置身于药物弥散的环境中，可能会对工作人员健康造成危害。遥感图像信息提取适用于大区域分析，也是目前的研究热点，此方法对图像质量要求较高，需要在无人机作业结束后较好的天气条件下，利用设备在空中再次采集作业区域的图像进行分析；利用人眼观测作业效果的方法，需要在作业结束之后一段时间进行，通过观察作业区域作物病虫害和长势信息而分析作业效果，人员工作量大，观测结果也容易受到工作人员主观性的影响，而且此时如果发现漏喷和过度重喷区域，也往往已经错过病虫害防治的最佳时期，难以通过再次防治挽回病虫害造成的损失。

发明内容

本发明针对现有的植保无人机作业覆盖区域评估方法的缺点和不足，提出基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法及***。本发明利用无人机作业过程中的实时无人机作业参数信息实时构建作业覆盖区域，以评估出漏喷和过度重喷的需要重点检查的区域，具有实时、快速、准确和占有计算资源较少的优点。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法，包括以下步骤：

步骤1：将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理，划分为有效顶点和无效顶点两类，所述有效顶点为用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点，所述无效顶点为无法用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点；

步骤2：根据有效顶点和无效顶点提取出区域的断点，根据断点分割出两区域的有效连接段，根据断点得出两区域的相交线，根据相交线求解相交线的交点，并将距离断点最近的交点作为区域合并的连接点；

步骤3：根据两区域的有效连接段，在连接点处将两区域的有效连接段连接起来，形成一个新的闭合区域作为区域实时重构的结果。

进一步地，在所述步骤1之前还包括：

通过无人机作业参数得到当前时刻的作业覆盖子区域和前一时刻的已作业覆盖区域的边界信息，所述边界信息包括边界顶点。

进一步地，所述二值化处理的过程为每个顶点对应生成一个二值标志，二值标志为0的顶点是无效顶点，二值标志为1的顶点是有效顶点，顶点二值标志均为1的连接段称为有效连接段。

进一步地，所述将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理具体为：采用回转数法判定区域的边界顶点与另一区域边界构成的多边形之间的关系，对区域的边界顶点数组进行二值化处理。在求解两区域的并集时，如果区域的边界顶点在另一区域边界构成的多边形的内部，则区域的边界顶点对应二值标志为0，如果区域的边界顶点在另一区域边界构成的多边形的外部或边界线上，则区域的边界顶点对应二值标志为1。

进一步地，所述回转数法中规定逆时针旋转方向为正，顺时针旋转方向为负。

进一步地，还包括：

将顶点二值标志发生改变时的有效顶点设定为区域断点。

进一步地，所述步骤3包括：

在进行区域合并时，设置有效连接段数目较多的区域作为主动区域，另外一个区域作为被动区域；

根据主动区域和被动区域的断点数划分为常规区域合并和特殊区域合并两种情形；当主动区域和被动区域均无断点时，进行特殊区域合并；当主动区域的断点数为2个以上时，进行常规区域合并；所述常规区域合并包括：根据主动区域和被动区域的边界顶点、断点、交点及无效顶点，进行区域合并；

所述特殊区域合并包括：根据主动区域和被动区域的边界顶点和无效顶点，进行区域合并。

基于断点分割的作业覆盖区域实时重构***，包括：

处理模块，用于将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理，划分为有效顶点和无效顶点两类，所述有效顶点为用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点，所述无效顶点为无法用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点；

提取模块，用于根据有效顶点和无效顶点提取出区域的断点，根据断点分割出两区域的有效连接段，根据断点得出两区域的相交线，根据相交线求解相交线的交点，并将距离断点最近的交点作为区域合并的连接点；

重构模块，用于根据两区域的有效连接段，在连接点处将两区域的有效连接段连接起来，形成一个新的闭合区域作为区域实时重构的结果。

进一步地，还包括：

区域边界信息获得模块，用于通过无人机作业参数得到当前时刻的作业当前时刻的作业覆盖子区域和前一时刻的作业覆盖区域的边界信息，所述边界信息包括边界顶点。

进一步地，还包括：

设定模块，用于将顶点二值标志发生改变时的有效顶点设定为区域断点。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理，划分为有效顶点和无效顶点两类；根据有效顶点和无效顶点提取出区域的断点，依据断点分割出两区域的有效连接段，根据断点得出两区域的相交线，依据相交线求解相交线的交点，并将距离断点最近的交点作为区域合并的连接点；根据两区域的有效连接段，在连接点处将两区域的有效连接段连接起来，形成一个新的闭合区域作为区域实时重构的结果。

本发明可快速有效地解决两区域只在区域断点处相交的区域合并情形，利用无人机作业过程中的实时无人机作业参数信息实时构建作业覆盖区域，以重构出漏喷和过度重喷的区域，具有实时、快速、准确和占有计算资源较少的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的基本流程图。

图2为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的植保无人机作业地图构建示意图。

图3为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的对区域A和区域B进行区域合并时算法实现的基本原理图。

图4为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的作业覆盖子区域构建基本流程图。

图5为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的顶点与多边形关系判定示意图。

图6为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的两线段的相交情形示意图。

图7为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的区域合并情形判定流程图。

图8为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的特殊区域合并流程图。

图9为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的常规区域合并流程图。

图10为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构***的结构示意图之一。

图11为本发明实施例的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构***的构示意图之二。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：

实施例一：

如图1所示，本发明的一种基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法，包括以下步骤：

步骤S101：将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理，划分为有效顶点和无效顶点两类，所述有效顶点为用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点，所述无效顶点为无法用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点；

步骤S102：根据有效顶点和无效顶点提取出区域的断点，根据断点分割出两区域的有效连接段，根据断点得出两区域的相交线，根据相交线求解相交线的交点，并将距离断点最近的交点作为区域合并的连接点；

步骤S103：根据两区域的有效连接段，在连接点处将两区域的有效连接段连接起来，形成一个新的闭合区域作为区域实时重构的结果。

实施例二：

本发明的另一种基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法，如下所示：

植保无人机的作业覆盖区域重构包含已作业区域地图构建和未作业区域地图构建。如图2所示，待作业区域是由顶点B₀～B_n连接成的边界线所包含的内部区域B，植保无人机由图中左侧位置移动到图中右侧位置的作业过程中，作业路线上两两相邻的坐标点经过的路径所覆盖的作业覆盖子区域为A1～An，则当前时刻无人机已作业覆盖区域A是将所有作业覆盖子区域A1～An取并集得到的区域，即区域A＝A1∪A2∪…∪An；有效作业覆盖区域C是指在作业过程中覆盖的待作业区域，即对区域A和区域B取交集，得到C＝A∩B；未作业覆盖区域D即漏喷区域为图中灰色区域，是区域C在区域B内的补集，即D＝C_BC；重复喷洒的区域即重喷覆盖区域为作业覆盖子区域之间的交集。

为了便于理解，对后续描述中的“区域A”和“区域B”进行解释如下：在求解当前时刻的已作业覆盖区域时，求解的是两区域的并集，区域A和区域B分别代指前一时刻的已作业覆盖区域和当前时刻的作业覆盖子区域两者中的一个，即如果A代指前一时刻的已作业覆盖区域，则B代指当前时刻的作业覆盖子区域，如果B代指前一时刻的已作业覆盖区域，则A代指当前时刻的作业覆盖子区域；在求解有效作业覆盖区域时，求解的是两区域的交集，区域A和区域B分别代指当前时刻的已作业覆盖区域和待作业区域两者中的一个，即如果A代指当前时刻的已作业覆盖区域，则B代指待作业区域，如果B代指当前时刻的已作业覆盖区域，则A代指待作业区域；在求解漏喷区域时，求解的是一个区域在另一区域内的补集，区域A和区域B分别代指已作业覆盖区域和待作业区域两者中的一个，即如果A代指已作业覆盖区域，则B代指待作业区域，如果B代指已作业覆盖区域，则A代指待作业区域；在求解重喷区域时，求解的是两区域的交集，区域A和区域B分别代指前一时刻的重喷区域和当前时刻的作业覆盖子区域两者中的一个区域，即如果A代指前一时刻的重喷区域，则B代指当前时刻的作业覆盖子区域，如果B代指前一时刻的重喷区域，则A代指当前时刻的作业覆盖子区域。如无特殊说明，后文中出现的“区域A”和“区域B”依据本段描述进行理解。

对区域A和区域B进行区域合并时算法实现的基本原理图如图3所示，首先如图3中(a)部分所示，将两区域的边界顶点A_n和B_n进行二值化处理，即将其划分为有效顶点和无效顶点两类，其中有效顶点是指用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点，无效顶点是指无法用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点。

依据有效顶点和无效顶点提取出区域断开的位置，即区域的断点，区域A的断点为顶点A₀和A₃，区域B的断点为顶点B₀和B₂，进而可得出如图3中(b)部分所示的两区域的相交线，即相交位置的边界线A₀A₁和B₃B₀、A₂A₃和B₂B₃；依据断点分割出区域A的有效连接段A₃-A₄-A₀和区域B的有效连接段B₀-B₁-B₂。分别求解出相交线A₀A₁和B₃B₀的交点C₁，A₂A₃和B₂B₃的交点C₂，交点C₁和C₂是两区域边界线的对应连接位置。

两区域的断点数相等，任选一个区域作为主动区域，如选择区域A作为主动区域。由于区域A的有效连接段排列顺序不适合直接进行区域合并，因此基于区域断点将边界顶点顺序重排，对于区域A，在进行区域合并之前应将顶点数组转换为A'[5]＝{A₀，A₄，A₃，A₂，A₁}，再对该顶点重新编号，即将A₄重编为A₁，将A₃重编为A₂。如图3中(c)部分所示，此时区域A的断点变为A₀和A₂，有效连接段变为A₀-A₁-A₂。首先从区域A的断开位置A₀开始，将区域A的有效连接段连接到两区域交点C₂位置，在交点C₂位置按顺序反向连接对应的区域B的有效连接段至断开位置B₀，此时该位置对应的区域交点C₁也是区域A的断开位置A₀所对应的交点，则将其再次连接至A₀，形成一个新的闭合区域A₀-A₁-A₂-C₂-B₂-B₁-B₀-C₁，即为A∪B。

在将两区域的边界顶点A_n和B_n进行二值化处理之前，通过无人机作业参数得到当前时刻的作业覆盖子区域和前一时刻的作业覆盖子区域的边界信息，所述边界信息包括两区域的边界顶点；所述无人机作业参数包括：无人机实时位置信息、航向角、喷幅。

在无人机喷洒作业过程中，实时采集无人机位置信息，生成实时作业航线，进而构建作业航线上的相邻坐标点所覆盖的作业子区域。为简化求解模型，在初步估算中忽略外界条件造成的雾滴漂移影响，理想化无人机作业过程中的雾滴覆盖模型，即认为无人机喷幅固定，作业覆盖区域由实时位置坐标和航向角决定。在这个理想条件下作业覆盖子区域的构造规则如图4所示，点P_n-1和P_n代表无人机的实时位置；d代表无人机的喷幅，向量

和

代表无人机的实时航向，P′_n、P′_n-1、P″_n和P″_n-1为作业子区域的边界顶点，虚线代表作业覆盖子区域的边界；无人机的实时位置坐标为P_n(x_n，y_n)，作业覆盖子区域的边界顶点坐标为P′_n(x′_n，y′_n)和P″_n(x″_n，y″_n)，坐标轴X的正方向旋转至与作业航向同向时的旋转角为α，其中线段P′_nP″_n垂直于作业航向，且点P_n是线段P′_nP″_n的中点，则可求得点P′_n和P″_n的坐标如下：

0≤α<π/2或3π/2≤α≤2π时：

π/2≤α<π或π≤α<3π/2时：

在针对特定机型的测试中，可通过实验测试标定其准确各机型的作业覆盖子区域模型，并将其导入本***，即可用于准确构建每一时刻的作业覆盖子区域。

本实施例的具体过程如下所示：

(1)顶点二值化

在对区域A和区域B进行合并时，存在A∩B、A∪B、C_AB和C_BA四种情况。针对区域A，当求解A∩B或C_AB时，在区域B内部的区域A的顶点为有效顶点，在区域B外部的区域A的顶点为无效顶点，特殊的，在区域B边界上的区域A的顶点为有效顶点；当求解A∪B或C_BA时，在区域B内部的区域A的顶点为无效顶点，在区域B外部的区域A的顶点为有效顶点，特殊的，在区域B边界上的区域A的顶点为有效顶点。针对区域B，当求解A∩B或C_BA时，在区域A内部的区域B的顶点为有效顶点，在区域A外部的区域B的顶点为无效顶点，在区域A边界上的区域B的顶点为有效顶点；当求解A∪B或C_AB时，在区域A内部的区域B的顶点为无效顶点，在区域A外部的区域B的顶点为有效顶点，特殊的，在区域A边界上的区域B的顶点为有效顶点。

有效顶点的二值标志为1，无效顶点的二值标志为0。因此依据边界顶点与另一区域边界构成的多边形之间的关系，对边界顶点数组进行二值化处理，从而提取出区域断点。本发明中采用回转数法判定点与多边形的关系，如图5所示。其中，P为任意点，A₀、A₁、A₂、A₃……A_n为多边形顶点；θ₀是向量

旋转到向量

位置的旋转角、θ₁是向量

旋转到向量

位置的旋转角、θ₂是向量

旋转到向量

位置的旋转角、θ_n是向量

旋转到向量

位置的旋转角。

其中任意点P与多边形的每个顶点顺序连接，构成一系列向量

由向量

旋转到向量

的位置时得到一系列旋转角θ_n，规定逆时针旋转方向为正，顺时针旋转方向为负。假设图中各点的坐标为P(x，y)、A_i(x_i，y_i)、A_i+1(x_i+1，y_i+1)、A₀(x₀，y₀)，则当0≤i≤n-1时，可得第i个旋转角θ_i：

第n个旋转角θ_n：

将各点坐标值代入式(3)和式(4)即可得到：进而可求得所有旋转角之和

当θ＝2π时，该顶点在多边形内部。

(2)提取断点和相交线

利用回转数法可对每个顶点进行有效性判定，每个顶点对应生成一个二值标志位，如果区域的边界顶点在另一区域边界构成的多边形的内部，则区域的边界顶点对应二值标志为0，二值标志为0的顶点是无效顶点；如果区域的边界顶点在另一区域边界构成的多边形的外部或边界线上，则区域的边界顶点对应二值标志为1，二值标志为1的顶点是有效顶点。区域在顶点属性改变的位置断开，即二值标志改变的位置，顶点二值标志的改变可以是从0变为1或从1变为0。为了方便直接在断点位置进行区域连接，将顶点二值标志发生改变时的有效顶点定义为区域断点。图3中的区域A的边界顶点{A₀，A₁，A₂，A₃，A₄}的二值标志数组为A_A[5]＝{1，0，0，1，1}，顶点A₀和顶点A₁之间顶点二值标志从1变为0，顶点A₂和顶点A₃之间顶点二值标志从0变为1，根据上述断点的定义可知，有效顶点A₀和A₃均为断点。断点A₀处顶点的二值标志从1变为0，即A₀为从有效变为无效时的有效顶点，断点A₃处顶点二值标志从0变为1，即A₃为从无效变为有效时的有效顶点。

在区域的断开位置，两区域必定相交，因此将相交线定义为顶点二值标志发生改变的两个顶点构成的线段。由相交线定义可知，相交线两个端点中，一个是区域的断点，另一个是与之相邻的无效顶点。如图3中(b)部分中的相交线A₀A₁的两个顶点中，顶点A₀是区域A的断点，顶点A₁是二值标志为0的无效顶点。

(3)求解相交线处的区域交点

在对待求解的两区域进行断点分割之后，依据相交线寻找两区域的相交位置和交点。以其中一个区域为主动区域，逐个求解其相交线与另一区域的相交线的交点，当交点同时位于两条相交线段内部时，这个交点为有效交点，且两区域在这两条相交线的断点位置相交。

相交线是线段，两线段之间的位置关系主要有平行不相交、平行相交、完全重合、平行包含、不平行相交和不平行不相交的六种情况。如图6中(a)部分所示为线段A_n-1A_n和线段B_n-1B_n平行不相交的情形；如图6中(b)部分和(d)部分中的情形，可求解出两线段均有两个交点，且两个交点均属于边界顶点，在生成有效交点时，应提取距离主动区域的断点较近的，且不是其本身的那个顶点作为有效交点。假设区域B为主动区域，断点为B_n-1，则图6中(b)部分和(d)部分中的有效交点分别为A_n和A_n-1。而图6中(c)部分中的两线段完全重合的情形中，也存在两个交点，但是应该取断点本身作为有效交点。而图6中(e)部分中的两线段不平行相交，必有一个交点，该交点为有效交点。

在求解出的交点中，一个断点可能对应多个交点，需要求解出距离断点最近的交点作为区域合并的连接点。

(4)制定区域重组规则

区域合并过程中，将一段二值标志相同的顶点构成顶点序列称为连接段，顶点二值标志均为1的连接段称为有效连接段，顶点二值标志均为0的连接段称为无效连接段。区域合并过程就是提取两区域的有效连接段，在对应交点位置以交点为连接点，将两区域的有效连接段连接起来。

区域边界线是由一系列顶点按照一定顺序连接构成的一个顶点序列，如区域A的各顶点为A₀、A₁、A₂、A₃……A_n，将线段A₀A₁、A₁A₂、A₂A₃……A_n-1A_n和A_nA₀依次相连即可构成一个闭合区域A的边界线。这些顶点是按顺序逐个相连的，且每个顶点前后两侧各有一个点，两两相邻的边界线相交于顶点位置，不相邻的边界线必定不相交。在构建区域边界时可以以任意一个顶点为起点，依次连接各个顶点即可绘制出区域边界。因此为了便于直接连接区域的有效连接段，通常将顶点数组进行重新排序，即以断点为起点重新排列顶点数组。如图3中的区域A，在进行区域合并之前应将顶点数组转换为A'[5]＝{A₀，A₄，A₃，A₂，A₁}，再对该顶点重新编号，则在提取有效连接段时只需要以点A'[0]为起点，提取3个顶点即可。

在区域连接过程中，两区域中必须至少有一个区域的断点个数与两区域的所有交点个数相同，即两区域只在相交线处相交。在进行区域合并时，依据两区域的断点数将其划分为常规区域合并和特定区域合并两种情形。程序流程图如图7所示，区域A有m个顶点，区域B有n个顶点，区域A有j个断点，需要输入主动区域A的双倍顶点坐标数组X[2m]和Y[2m]、断点索引号数组N[i]和相交线索引号数组N₁[2i]；被动区域B的双倍顶点坐标数组X'[2n]和Y'[2n]、断点索引号数组N'[j]和相交线索引号数组N₂[2j]。

当主动区域A的断点数i＜2时，由于区域断点数为偶数，因此i＝0，即主动区域无断点，由于区域B的断点数j≤i，则区域B也没有断点，此时采用特殊区域合并规则进行区域合并得出新区域。

当i≥2时，区域A存在断点，此时将区域A的两两相邻的断点分为一组，共分为0.5i组，每组断点之间的有效连接段均可与被动区域的对应位置合并出一个新区域。首先可得出主动区域连接段的起始索引号为n₁＝N[a]，终止索引号为n₂＝N[a+1]，断点

所对应的相交线

的两端点索引号为b₁＝N₁[2a]和b₂＝N₁[2a+1]。求解相交线

与被动区域B的所有相交线的交点，如果有交点存在，则找出距离断点

最近的交点(x，y)作为最终的交点，并记录此时的断点索引号n′₁；如果两区域的相交线之间没有断点，则求解相交线

与被动区域B的所有边界线的交点，找出距离断点

最近的交点(x，y)作为最终的交点，并记录此时的顶点索引号n′₁。同理可得断点

所对应的相交线

的两端点索引号为b₁＝N₁[2a+2]和b₂＝N₁[2a+3]，求得距离找出距离断点

最近的交点(x'，y')作为最终的交点，并记录相交的顶点索引号n′₂。基于得到的交点坐标和区域B的对应顶点索引号，利用常规区域合并规则即可得到合并后的新区域。

特殊区域合并子程序如图8所示，需要输入主动区域A的双倍顶点坐标数组X[2m]和Y[2m]，以及无效顶点索引号数组K[k]；被动区域B的双倍顶点坐标数组X'[2n]和Y'[2n]，以及无效顶点索引号数组K'[k']。分四种情况讨论特殊区域合并的规则：

当求解A∩B时，当k＝0，即区域A的所有顶点均为有效顶点时，区域A完全位于区域B内部，区域B的顶点是否有效不影响区域合并结果，合并出一个新区域为区域A。当k≠0时，k＝m，即区域A的所有顶点均为无效顶点时，当k'＝0，即区域B的所有顶点均为有效顶点时，区域B完全位于区域A内部，合并出一个新区域为区域B；当k'≠0时，k'＝n，即区域B的所有顶点均为无效顶点时，区域A和区域B不相交，区域合并结果为空集。

当求解A∪B时，当k≠0时，k＝m，即区域A的所有顶点均为无效顶点时，k'＝0，区域B的所有顶点必为有效顶点，此时区域A完全位于区域B内部，合并出一个新区域为区域B。当k＝0，即区域A的所有顶点均为有效顶点时，当k'＝0，即区域B的所有顶点均为有效顶点时，区域A和区域B不相交，合并出两个新区域，为区域A和B；当k'≠0时，k'＝n，即区域B的所有顶点均为无效顶点时，此时区域B完全位于区域A内部，合并出一个新区域为区域A。

当求解C_AB时，当k＝0，即区域A的所有顶点均为有效顶点，k'＝0，区域B的所有顶点必为有效顶点，此时区域A完全位于区域B内部，合并出一个空心区域，区域的内边界为区域A，外边界为区域B。当k≠0时，k＝m，即区域A的所有顶点均为无效顶点时，当k'＝0，即区域B的所有顶点均为有效顶点时，区域A在区域B外部，且两区域不相交，合并出一个新区域为区域B；当k'≠0时，k'＝n，即区域B的所有顶点均为无效顶点时，此时区域B完全在区域A内部，合并区域为空集。

当求解C_BA时，当k≠0时，k＝m，即区域A的所有顶点均为无效顶点时，k'＝n，区域B的所有顶点必为无效顶点，此时区域A完全位于区域B内部，合并区域为空集。当k＝0，即区域A的所有顶点均为有效顶点时，当k'＝0，即区域B的所有顶点均为有效顶点时，区域B完全位于区域A内部，合并出一个空心区域，此时区域的内边界为区域B，外边界为区域A；当k'≠0时，k'＝n，即区域B的所有顶点均为无效顶点时，区域B在区域A外部，且两区域不相交，合并出一个新区域为区域A。

常规区域合并子程序流程图如图9所示，需要输入主动区域的双倍顶点坐标数组X[2m]和Y[2m]、主动区域的两个断点索引号n₁和n₂、两个断点处产生的区域交点坐标(x，y)和(x′，y′)、与主动区域的对应断点产生交点的被动区域的顶点索引号n′₁和n′₂、被动区域的断点索引号数组N'[j]、被动区域的双倍顶点坐标数组X'[2n]和Y'[2n]、被动区域的无效顶点索引号数组K'[k]。

在进行区域连接时，主动区域的有效连接段固定为索引号值从n₁到n₂的边界顶点，再将两端断点处产生的交点连接到连接段的两端。此时新区域的顶点坐标数组的第一个元素为X″[0]＝x，Y″[0]＝y；第1到n₂-n₁+1个顶点的坐标值为X″[p+1]＝X[n₁+p]，Y″[p+1]＝Y[n₁+p]；第n₂-n₁+2个顶点的坐标值为X″[n₂-n₁+2]＝x′，Y″[n₂-n₁+2]＝y′。

被动区域的连接段取决于两个断点的值，当n′₁＝n′₂时，令N′[p]＝n′₁，即查找n′₁是否为被动区域的断点索引号数组的元素。当p≠-1时，n′₁是被动区域的断点索引号数组的第p+1个元素，当N′[p+1]＝n′₁，断点索引号数组的第p+2个元素也是n′₁，即n′₁是双重断点，此时只需要将该断点连接至主动区域有效连接段的末尾即可，即新区域的最后一个顶点坐标为X″[n₂-n₁+3]＝X′[n′₁]，Y″[n₂-n₁+3]＝Y′[n′₁]；当N′[p+1]≠n′₁，即n′₁不是双重断点，但是却与主动区域相交两次，此时舍弃该断点，直接将主动区域的求解出的连接段作为新区域的顶点坐标。当p＝-1时，n′₁不是被动区域的断点索引号数组的元素，且与主动区域相交两次，此时同样直接将主动区域的求解出的连接段作为新区域的顶点坐标。当n′₁>n′₂时，令K′[d]＝n′₂+1，即查找断点n′₂之后的索引号为n′₂+1的点是否为被动区域的无效顶点索引号数组的元素。当d≠-1时，被动区域的索引号为n′₂+1的顶点是无效顶点，此时被动区域有效连接段的起始索引号a＝n′₁，终止索引号b＝n+n′₂，索引号求解标志位B_c＝1；当d＝-1时，被动区域的索引号为n′₂+1的顶点是有效顶点，此时a＝n′₂，b＝n′₁，B_c＝-1。

当n′₁<n′₂时，令K′[d]＝n′₁+1。当d≠-1时，被动区域的索引号为n′₁+1的点是无效顶点，a＝n′₂，b＝n+n′₁，B_c＝1；当d＝-1时，是被动区域的索引号为n′₁+1的点不是无效顶点，a＝n′₁，b＝n′₂，B_c＝-1。

构造中间变量

使得当B_c＝-1时，将被动区域的连接段与主动区域的连接段正向连接，即X″[n₂-n₁+3+p]＝X′[a+p]，Y″[n₂-n₁+3+p]＝Y′[a+p]；当B_c＝1时，将被动区域的连接段与主动区域的连接段反向连接，即X″[n₂-n₁+3+p]＝X′[b-p]，Y″[n₂-n₁+3+p]＝Y′[b-p]，最终输出新区域的边界顶点坐标数组。

在常规区域合并过程中，合并结果可能产生多个新区域，需要判断各个区域之间的从属关系，进而得到准确得到新区域的边界。

在重构已作业覆盖区域时，需要求解所有已作业覆盖子区域A1～An的并集，当求解A1∪A2∪…∪An时，此时的合并结果若为单个区域，则新区域是一个实心区域A；若为多个区域构成，则新区域为一个带有多个空心的区域，其中面积最大的区域为区域的外边界，其他区域为多个相互独立的空心区域的内边界。当合并出空心区域后，下一时刻的区域合应当在以空心区域的外边界与作业子区域An+1取并集，得到新的区域外边界；将内边界与作业子区域取C_An+1A集，得出新的已作业覆盖区域的空心区域内边界。

在重构有效作业覆盖区域时，需要求解已作业区域A和待作业区域B的交集，即求解A∩B。当区域A为实心区域时，若合并结果为单个区域时，合并出的新区域是一个实心区域C；若合并结果为多个区域构成，则新区域是由多个相互独立的区域C_n构成。当区域A为空心区域时，区域A的外边界与区域B合并出的区域为单个实心区域或新的空心区域的外边界，区域A的内边界与区域B合并出的区域为新空心区域的内边界。

在重构未作业覆盖区域时，需要求解C_AB。当区域A为实心区域，合并结果为单个区域时，合并出的新区域是一个实心区域D；若合并结果为多个区域构成，则新区域是由多个相互独立的区域D_n构成。当区域A为空心区域时，需要将空心区域的各个内边界均与待作业区域B求交集，将空心区域的外边界与区域B进行求解C_AB集，则新区域是由所有这些相互独立的区域D_n构成。

实施例三：

如图10所示，本发明实施例的一种基于断点分割的作业覆盖区域实时重构***，包括：

处理模块301，用于将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理，划分为有效顶点和无效顶点两类，所述有效顶点为用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点，所述无效顶点为无法用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点；

提取模块302，用于根据有效顶点和无效顶点提取出区域的断点，根据断点分割出两区域的有效连接段，根据断点得出两区域的相交线，根据相交线求解相交线的交点，并将距离断点最近的交点作为区域合并的连接点；

重构模块303，用于根据两区域的有效连接段，在连接点处将两区域的有效连接段连接起来，形成一个新的闭合区域作为区域实时重构的结果。

实施例四：

如图11所示，本发明实施例的另一种基于断点分割的作业覆盖区域实时重构***，包括：

区域边界信息获得模块401，用于通过无人机作业参数得到当前时刻的作业覆盖子区域和前一时刻的已作业覆盖区域的边界信息，所述边界信息包括边界顶点。

处理模块402，用于将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理，划分为有效顶点和无效顶点两类，所述有效顶点为用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点，所述无效顶点为无法用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点；

提取模块403，用于根据有效顶点和无效顶点提取出区域的断点，根据断点分割出两区域的有效连接段，根据断点得出两区域的相交线，根据相交线求解相交线的交点，并将距离断点最近的交点作为区域合并的连接点；

设定模块404，用于将顶点二值标志发生改变时的有效顶点设定为区域断点。

重构模块405，用于根据两区域的有效连接段，在连接点处将两区域的有效连接段连接起来，形成一个新的闭合区域作为区域实时重构的结果。

以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理，划分为有效顶点和无效顶点两类，所述有效顶点为用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点，所述无效顶点为无法用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点；所述二值化处理的过程为每个顶点对应生成一个二值标志，二值标志为0的顶点是无效顶点，二值标志为1的顶点是有效顶点，顶点二值标志均为1的连接段称为有效连接段；

步骤2：将顶点二值标志发生改变时的有效顶点设定为区域断点，根据有效顶点和无效顶点提取出区域的断点，根据断点分割出两区域的有效连接段，根据断点得出两区域的相交线，根据相交线求解相交线的交点，并将距离断点最近的交点作为区域合并的连接点；

步骤3：根据两区域的有效连接段，在连接点处将两区域的有效连接段连接起来，形成一个新的闭合区域作为区域实时重构的结果。

2.根据权利要求1所述的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法，其特征在于，在所述步骤1之前还包括：

通过无人机作业参数得到当前时刻的作业覆盖子区域和前一时刻的已作业覆盖区域的边界信息，所述边界信息包括边界顶点。

3.根据权利要求1所述的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法，其特征在于，所述将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理具体为：采用回转数法判定区域的边界顶点与另一区域边界构成的多边形之间的关系，对区域的边界顶点数组进行二值化处理；在求解两区域的并集时，如果区域的边界顶点在另一区域边界构成的多边形的内部，则区域的边界顶点对应二值标志为0，如果区域的边界顶点在另一区域边界构成的多边形的外部或边界线上，则区域的边界顶点对应二值标志为1。

4.根据权利要求3所述的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法，其特征在于，所述回转数法中规定逆时针旋转方向为正，顺时针旋转方向为负。

5.根据权利要求1所述的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法，其特征在于，所述步骤3包括：

在进行区域合并时，设置有效连接段数目较多的区域作为主动区域，另外一个区域作为被动区域；

根据主动区域和被动区域的断点数划分为常规区域合并和特殊区域合并两种情形；当主动区域和被动区域均无断点时，进行特殊区域合并；当主动区域的断点数为2个以上时，进行常规区域合并；所述常规区域合并包括：根据主动区域和被动区域的边界顶点、断点、交点及无效顶点，进行区域合并；

所述特殊区域合并包括：根据主动区域和被动区域的边界顶点和无效顶点，进行区域合并。

6.基于权利要求1-5任一所述的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构方法的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构***，其特征在于，包括：

处理模块，用于将需要进行合并的两区域的边界顶点进行二值化处理，划分为有效顶点和无效顶点两类，所述有效顶点为用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点，所述无效顶点为无法用于构成区域合并之后的新区域边界的顶点；

提取模块，用于根据有效顶点和无效顶点提取出区域的断点，根据断点分割出两区域的有效连接段，根据断点得出两区域的相交线，根据相交线求解相交线的交点，并将距离断点最近的交点作为区域合并的连接点；

重构模块，用于根据两区域的有效连接段，在连接点处将两区域的有效连接段连接起来，形成一个新的闭合区域作为区域实时重构的结果。

7.根据权利要求6所述的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构***，其特征在于，还包括：

区域边界信息获得模块，用于通过无人机作业参数得到当前时刻的作业当前时刻的作业覆盖子区域和前一时刻的作业覆盖区域的边界信息，所述边界信息包括边界顶点。

8.根据权利要求6所述的基于断点分割的作业覆盖区域实时重构***，其特征在于，还包括：

设定模块，用于将顶点二值标志发生改变时的有效顶点设定为区域断点。

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