CN105698742A - 一种基于无人机的快速土地面积测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的快速土地面积测量装置及测量方法，其中测量装置包括无人机，该无人机上设置有用于定位自身三维位置信息的定位模块和用于采集图像的摄像头，用于测量其相对地面高度的高度传感器，以及可见光发射模块，可见光发射模块用于发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束；应用终端，包括用于控制无人机飞行的控制系统以及用于显示测量土地图像和无人机三维位置信息的图像显示模块。该测量装置结构简单，操作方便，降低了成本，提高了测量效率；其测量方法简化了测量流程，大大降低了复杂地域及大面积土地测量的人员工作量，提高了测量精度和测量效率，大大方便了实际工程人员的使用。

Description

一种基于无人机的快速土地面积测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种无人机航测技术领域，特别涉及一种基于无人机的快速土地面积测量装置及测量方法。

背景技术

当前在土地面积测量过程中广泛采用航拍器进行测量，但当前应用过程中，航拍器需要卫星导航进行引导定位，对实际复杂形状的土地面积测量，其测量方式主要是根据航拍器所飞行轨迹来丈量待测面积区域的边界线，进而得到待测面积区域边界线的坐标，但是航拍器在飞行的时候，由于卫星导航轨迹控制或空气阻力等因素，其飞行的轨迹所构成的区域往往与实际待测面积边界线误差较大，其测量的待测面积精度也有限。如果要提高精度，得使用更为精准的传感器或测量仪，使航拍器的结构更加麻烦，提高的了测量成本。同时对于小面积区域的测量，使用航拍器进行测量成本过高，使用人工测量又费时费力。因此需要开发使用成本低，测量效率高的面积测量装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的航拍器测量土地面积时，根据所飞行的轨迹来对应待测面积的边界线，精度较低，使用成本高等不足，提供一种基于无人机的快速土地面积测量装置及测量方法，该测量装置结构简单，操作方便，测量流程简单，测量成本低；该测量方法使用便捷，测量过程不依赖卫星导航，大大方便了实际工程人员的使用。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于无人机的快速土地面积测量装置，包括：

无人机，所述无人机上设置有用于定位自身三维位置信息的定位模块和用于采集图像的摄像头，用于测量其相对地面高度的高度传感器，以及可见光发射模块，所述可见光发射模块用于发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束；

应用终端，包括用于控制无人机飞行的控制系统，以及用于显示测量土地图像和无人机三维位置信息的图像显示模块。

本发明所述一种基于无人机的快速土地面积测量装置，采用了控制模块控制无人机沿待测土地面积边界线飞行时，定位模块可获得无人机三维位置信息，可见光发射模块分别发射垂直光束和倾斜光束得到对应的测量点及修正参考点位置，图像显示模块显示无人机在待测土地面积边界线飞行轨迹的三维位置信息、根据摄像头记录的包含测量点和修正参考点的图像信息，再根据高度传感器获得的无人机相对测量点的实际高度，可以得到待测土地面积边界线相对测量点和修正参考点的实际边界点三维坐标信息，根据待测土地各个实际边界点三维坐标信息，计算得到待测土地面积；该基于无人机的土地面积测量方式，避免了传统航拍器依赖于卫星导航，并根据航拍器路径或拍摄图片来计算其面积带来成本高昂、测量精度较低的弊端，利用简易无人机飞行轨迹，结合垂直光束、倾斜光束的测量点和修正参考点的图像处理方法，来修正得到待测土地实际边界线的位置信息，实现了土地面积测量简易化，并且提高了测量精度，该测量装置结构简单，操作方便，降低了成本，提高了测量效率。

优选地，所述定位模块为GPS卫星导航模块、北斗卫星导航模块或伽利略卫星导航模块。

优选地，所述可见光发射模块发射的垂直光束和倾斜光束的波长并不相同，即所述垂直光束和倾斜光束的可视颜色不同。

优选地，所述可见光发射模块发射的垂直光束和倾斜光束的颜色包括绿色、红色和黄色中任意两种颜色。

优选地，所述垂直光束和倾斜光束的夹角为α≤30°。

本发明还提供了一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，包括使用上述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、启动无人机，利用控制装置控制无人机沿待测土地上方飞行，并将无人机控制飞行至待测土地实际边界位置附近；

步骤二、保持无人机水平状态，启动所述无人机上的可见光发射模块发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束，所述摄像头记录包含垂直光束和倾斜光束在待测土地表面的反射点位置的图像信息，其中垂直光束所在待测土地上反射点为测量点，倾斜光束所在待测土地反射点为修正参考点，修正参考点位置根据无人机飞行状态进行计算，并通过所述应用终端的图像显示模块进行显示，同时根据所述定位模块和高度传感器所测量的所述无人机此时三维位置信息即x₀、y₀、z₀，在图像显示模块上进行显示，将所述高度传感器所测量的所述无人机相对待测地面的高度h进行显示；

步骤三、通过所述应用终端的控制系统控制无人机沿待测土地实际边界继续飞行，选择若干个测量点位置，重复所述步骤二，标定待测土地边界每个所选位置上方无人机的三维坐标信息，直至所述无人机绕待测土地边界飞行一圈，完成对待测土地边界若干个测量点位置的三维坐标信息数据搜集；

步骤四、在图像显示模块中，根据所述步骤三中待测土地边界所在的若干个垂直光束对应测量点和倾斜光束对应修正参考点的位置信息，在测量点和修正参考点连线上标记边界实际点的位置信息，根据边界实际点相对测量点、修正参考点的相对位置，得到待测土地每个实际边界点的三维位置信息x、y、z，根据若干个实际边界点的数据计算得到待测土地面积的大小。

本发明所述一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，采用了上述的测量装置，通过无人机与图像处理相结合的方式实现土地面积测量，在无人机上安装定位模块、摄像头，在电脑或者智能手机等应用终端上安装图像显示模块，操作人员控制无人机起飞，使其飞行至待测土地边界上方，无人机将当前三维坐标信息、相对地面高度值以及通过摄像头采集到的测量点、修正参考点的信息，并传输至控制电脑或智能手机等应用终端；操作人员控制无人机以一定高度飞行，采集到若干个测量点、修正参考点的位置信息，控制无人机沿着待测土地边界飞行一圈，根据高度传感器获得的无人机相对测量点的实际高度和待测土地实际边界线，可以得到待测土地面积边界线相对于测量点和修正参考点的若干个实际边界点的三维坐标信息，根据待测土地各个实际边界点三维坐标信息，计算得到待测土地面积；使用该测量方法实现了土地面积测量简易化，简化测量流程，大大降低了复杂地域及大面积土地测量的人员工作量，降低了成本，提高了测量精度和测量效率，大大方便了实际工程人员的使用。

优选地，所述步骤四中垂直光束和倾斜光束的夹角为α，根据所述无人机相对地面的高度为h，垂直光束相对地面的测量点三维坐标为x′、y′、z′，则垂直光束对应测量点和倾斜光束对应地面修正参考点的实际间距为l′＝h·tan(α)；根据图像显示模块中实际边界点和测量点的间距L，以及测量点和修正参考点间距L′的比值L/L′，得到待测土地每个实际边界点相对测量点的间距l＝(L/L′)h·tan(α)，进而获得该实际边界点的三维坐标信息即x、y、z，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{ref}=x^{\′}+l\×\cos \left(\mathrm{\β}\right)\\ y_{ref}=y^{\′}+l\×\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ z_{ref}=z^{\′}\end{array}\right.$

其中β为测量点与修正参考点连线与X轴夹角。

优选地，所述步骤二和所述步骤三中无人机飞行高度保持一致。

优选地，所述步骤二中可见光发射模块发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束为同时发射。

优选地，多次重复所述步骤一至步骤四，得到待测土地的多组实际边界点三维坐标信息后，面积求平均值得到待测土地面积实际测量值。

优选地，定位模块获得的三维坐标信息采用动态相对定位方法进行修改，提高三维坐标精度,该动态相对定位方法的原理详见文献:王世进，秘金钟，李得海,基于GPS动态相对定位的数据处理方法的研究,导航定位学报,2013。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明所述一种基于无人机的快速土地面积测量装置，采用了控制模块控制无人机沿待测土地面积边界线飞行时，定位模块可获得无人机三维位置信息，可见光发射模块分别发射垂直光束和倾斜光束得到对应的测量点及修正参考点位置，图像显示模块显示无人机在待测土地面积边界线飞行轨迹三维位置信息以及根据摄像头记录的包含测量点和修正参考点的图像信息，再根据高度传感器获得的无人机相对测量点的实际高度，可以得到待测土地面积边界线相对测量点和修正参考点的实际边界点三维坐标信息，根据待测土地各个实际边界点三维坐标信息，计算得到待测土地面积；该基于无人机的土地面积测量方式，避免了传统航拍器依赖于卫星导航，并根据航拍器路径或拍摄图片来计算其面积带来成本高昂、测量精度较低的弊端，利用简易无人机飞行轨迹，结合垂直光束、倾斜光束的测量点和修正参考点的图像处理方法，来修正得到待测土地实际边界线的位置信息，实现了土地面积测量简易化，并且提高了测量精度，该测量装置结构简单，操作方便，降低了成本，提高了测量效率；

2、本发明所述一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，采用了上述的测量装置，通过无人机与图像处理相结合的方式实现土地面积测量，在无人机上安装定位模块、摄像头，在电脑或者智能手机等应用终端上安装图像显示模块，操作人员控制无人机起飞，使其飞行至待测土地边界上方，无人机将当前三维坐标信息、相对地面高度值以及通过摄像头采集的包含测量点与修正参考点的图像信息，传输至控制电脑或智能手机等应用终端；操作人员控制无人机以一定高度飞行，采集到包含若干个测量点、修正参考点的位置的图像信息，控制无人机沿着待测土地边界飞行一圈，根据高度传感器获得的无人机相对测量点的实际高度和待测土地实际边际线，可以得到待测土地面积边界线相对测量点和修正参考点的若干个实际边界点的三维坐标信息，根据待测土地各个实际边界点三维坐标信息，计算得到待测土地面积；使用该测量方法实现了土地面积测量简易化，简化测量流程，大大降低了复杂地域及大面积土地测量的人员工作量，降低了成本，提高了测量精度和测量效率，大大方便了实际工程人员的使用。

附图说明：

图1为本发明所述一种基于无人机的快速土地面积测量装置的面积测量原理图；

图2为本发明所述一种基于无人机的快速土地面积测量装置测量方法中对待测土地面积实际边界位置修正原理图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1、2所示，一种基于无人机的快速土地面积测量装置，包括：

无人机，所述无人机上设置有用于定位自身三维位置信息的定位模块和用于采集图像的摄像头，用于测量其相对地面高度的高度传感器，以及可见光发射模块，所述可见光发射模块用于发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束；

应用终端，包括用于控制无人机飞行的控制系统，以及用于显示测量土地图像和无人机三维位置信息的图像显示模块。

上述定位模块为GPS卫星导航模块、北斗卫星导航模块或伽利略卫星导航模块。

另外，上述可见光发射模块发射的垂直光束和倾斜光束的波长并不相同，即所述垂直光束和倾斜光束的可视颜色不同。具体的，可见光发射模块发射的垂直光束和倾斜光束的颜色包括绿色、红色和黄色中任意两种颜色。为了保证测量精度，将垂直光束和倾斜光束的夹角为α≤30°，优选5-20°。

该一种基于无人机的快速土地面积测量装置，采用了控制模块控制无人机沿待测土地面积边界线飞行时，定位模块可获得无人机三维位置信息，可见光发射模块分别发射垂直光束和倾斜光束得到对应的测量点及修正参考点位置，图像显示模块显示无人机在待测土地面积边界线飞行轨迹的三维位置信息、根据摄像头记录的包含测量点和修正参考点的图像信息，再根据高度传感器获得的无人机相对测量点的实际高度，可以得到待测土地面积边界线相对测量点和修正参考点的实际边界点的三维坐标信息，根据待测土地各个实际边界点三维坐标信息，计算得到待测土地面积；该基于无人机的土地面积测量方式，避免了传统航拍器依赖于卫星导航，并仅根据拍摄图片来计算其面积带来成本高昂、测量精度较低的弊端，利用简易无人机飞行轨迹测量点，结合垂直光束、倾斜光束的测量点和修正参考点的图像处理方法，来修正得到待测土地实际边界线的位置信息，实现了土地面积测量简易化，并且提高了测量精度，该测量装置结构简单，操作方便，降低了成本，提高了测量效率。

实施例2

如图1、2所示，本发明还提供了一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，包括使用如实施例1中的一种基于无人机的快速土地面积测量装置，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、启动无人机，利用控制装置控制无人机沿待测土地上方飞行，并将无人机控制飞行至待测土地实际边界位置；

步骤二、保持无人机水平状态，启动所述无人机上的可见光发射模块发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束，所述摄像头记录的包含垂直光束和倾斜光束在待测土地表面的反射点位置的图像信息，其中垂直光束所在待测土地上反射点为测量点B，倾斜光束所在待测土地反射点为修正参考点C，修正参考点C的位置根据无人机飞行状态进行计算，并通过所述应用终端的图像显示模块进行显示，同时根据所述定位模块和高度传感器所测量的所述无人机此时D点三维位置信息即x₀、y₀、z₀，在图像显示模块上进行显示，将所述高度传感器所测量的所述无人机相对待测地面的高度h进行显示；

步骤三、通过所述应用终端的控制系统控制无人机沿待测土地实际边界继续飞行，选择若干个测量点B的位置，重复所述步骤二，标定待测土地边界每个所选位置上方无人机的三维坐标点D的信息，直至所述无人机绕待测土地边界飞行一圈，完成对待测土地边界若干个测量点位置的三维坐标信息B点数据搜集；

步骤四、在图像显示模块中，根据所述步骤三中待测土地边界所在的若干个垂直光束对应测量点和倾斜光束对应修正参考点的位置信息，在测量点和修正参考点连线上标记边界实际点的位置信息，根据边界实际点相对测量点B、修正参考点C的相对位置，得到待测土地每个实际边界点A的三维位置信息x、y、z，根据若干个实际边界点的数据计算得到待测土地面积的大小。

上述步骤四中垂直光束和倾斜光束的夹角为α，根据所述无人机相对地面的高度为h，垂直光束相对地面的测量点B的三维坐标为x′、y′、z′，即：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^{\′}=x_0\\ y^{\′}=y_0\\ z^{\′}=z_0-h\end{array}\right.$

则垂直光束对应测量点B和倾斜光束对应地面修正参考点C的实际间距为l′＝h·tan(α)；根据图像显示模块中实际边界点A和测量点B的间距L，以及测量点B和修正参考点C间距L′的比值L/L′，得到待测土地每个实际边界点A相对测量点B的间距l＝(L/L′)h·tan(α)，进而获得该实际边界点A的三维坐标信息即x、y、z，即：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{ref}=x^{\′}+l\×\cos \left(\mathrm{\β}\right)\\ y_{ref}=y^{\′}+l\×\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ z_{ref}=z^{\′}\end{array}\right.$

上述公式中，β为测量点与修正参考点连线与X轴夹角，可根据无人机飞行姿态角获得，且考虑实际边界点A与测量点B位于同一高度的情况，即待测量土地表面是处于比较水平的状态。

另外，为了保证测量结果的准确性，在上述步骤二和步骤三中无人机飞行高度保持一致。同时，步骤二中可见光发射模块发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束为同时发射。而且，还可以通过多次重复步骤一至步骤四，得到待测土地的多组实际边界点三维坐标信息后，面积求平均值得到待测土地面积实际测量值。

该定位模块获得的无人机三维坐标信息D点，即(x₀，y₀，z₀)采用动态相对定位方法进行修改，提高三维坐标精度，详细原理见文献:王世进，秘金钟，李得海,基于GPS动态相对定位的数据处理方法的研究,导航定位学报,2013。

该基于无人机的土地面积测量装置的测量方法，采用了上述的测量装置，通过无人机与图像处理相结合的方式实现土地面积测量，在无人机上安装定位模块、摄像头，在电脑或者智能手机等应用终端上安装图像显示模块，操作人员控制无人机起飞，使其飞行至待测土地边界上方，无人机将当前三维坐标信息、相对地面高度值以及包含测量点、修正参考点的图像信息通过摄像头采集，并传输至控制电脑或智能手机等应用终端；操作人员控制无人机以一定高度飞行，采集到包含若干个测量点、修正参考点位置的图像信息，控制无人机沿着待测土地边界飞行一圈，根据高度传感器获得的无人机相对测量点的实际高度和待测土地实际边际线，可以得到待测土地面积边界线相对测量点和修正参考点的若干个实际边界点的三维坐标信息，根据待测土地各个实际边界点三维坐标信息，计算得到待测土地面积；使用该测量方法实现了土地面积测量简易化，简化测量流程，大大降低了复杂地域及大面积土地测量的人员工作量，降低了成本，提高了测量精度和测量效率，大大方便了实际工程人员的使用。

实施例3

本发明还提供了一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，该测量方法与实施例2中相同。不同点在于当待测土地表面明显不处于同一水平状态，即具有较大起伏，为了准确测量其表面面积，在实施例2中对待测土地边界进行三维坐标信息测量之后，对边界内部具有较大起伏的点分别进行三维坐标信息标定，以得到一个接近于待测土地的曲面形状，最后计算该曲面面积，即为待测土地面积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无人机的快速土地面积测量装置，其特征在于，包括：

无人机，所述无人机上设置有用于定位自身三维位置信息的定位模块，用于采集地面图像的摄像头，用于测量其相对地面高度的高度传感器，以及可见光发射模块，所述可见光发射模块用于发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束；

应用终端，包括用于控制无人机飞行的控制系统，以及用于显示测量土地图像和无人机三维位置信息的图像显示模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置，其特征在于，所述定位模块为GPS卫星导航模块、北斗卫星导航模块或伽利略卫星导航模块。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置，其特征在于，所述可见光发射模块发射的垂直光束和倾斜光束的波长并不相同，即所述垂直光束和倾斜光束的可视颜色不同。

4.根据权利要求3所述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置，其特征在于，所述可见光发射模块发射的垂直光束和倾斜光束的颜色包括绿色、红色和黄色中任意两种颜色。

5.根据权利要求1-4任意所述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置，其特征在于，所述垂直光束和倾斜光束的夹角为α≤30°。

6.一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，其特征在于，包括使用上述权利要求1-5任一所述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、启动无人机，利用控制装置控制无人机沿待测土地上方飞行，并将无人机控制飞行至待测土地实际边界位置附近；

步骤二、保持无人机水平状态，启动所述无人机上的可见光发射模块发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束，所述摄像头记录包含垂直光束和倾斜光束在待测土地表面的反射点位置的图像信息，其中垂直光束所在待测土地上反射点为测量点，倾斜光束所在待测土地反射点为修正参考点，修正参考点位置根据无人机飞行状态进行计算，并通过所述应用终端的图像显示模块进行显示，同时根据所述定位模块和高度传感器所测量的所述无人机此时三维位置信息即x₀、y₀、z₀，在图像显示模块上进行显示，将所述高度传感器所测量的所述无人机相对待测地面的高度h进行显示；

步骤三、通过所述应用终端的控制系统控制无人机沿待测土地实际边界继续飞行，选择若干个测量点位置，重复所述步骤二，标定待测土地边界每个所选位置上方无人机的三维坐标信息，直至所述无人机绕待测土地边界飞行一圈，完成对待测土地边界若干个测量点位置的三维坐标信息数据搜集；

步骤四、在图像显示模块中，根据所述步骤三中待测土地边界所在的若干个垂直光束对应测量点和倾斜光束对应修正参考点的位置信息，在测量点和修正参考点连线上标记边界实际点的位置信息，根据边界实际点相对测量点、修正参考点的相对位置，得到待测土地每个实际边界点的三维位置信息x、y、z，根据若干个实际边界点的数据计算得到待测土地面积的大小。

7.根据权利要求6所述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤四中垂直光束和倾斜光束的夹角为α，根据所述无人机相对地面的高度为h，垂直光束相对地面的测量点三维坐标为x′、y′、z′，则垂直光束对应测量点和倾斜光束对应地面修正参考点的实际间距为l′＝h·tan(α)；根据图像显示模块中实际边界点和测量点的间距L，以及测量点和修正参考点间距L′的比值L/L′，得到待测土地每个实际边界点相对测量点的间距l＝(L/L′)h·tan(α)，进而获得该实际边界点的三维坐标信息即x、y、z，具体为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{ref}=x^{\′}+l\×\cos \left(\mathrm{\β}\right)\\ y_{ref}=y^{\′}+l\×\sin \left(\mathrm{\β}\right)\\ z_{ref}=z^{\′}\end{array}\right.$

其中β为测量点与修正参考点连线与X轴夹角。

8.根据权利要求6所述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤二和所述步骤三中无人机飞行高度保持一致。

9.根据权利要求6所述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤二中可见光发射模块发射相对无人机的垂直光束和倾斜光束为同时发射。

10.根据权利要求6所述的一种基于无人机的快速土地面积测量装置的测量方法，其特征在于，多次重复所述步骤一至步骤四，得到待测土地的多组实际边界点三维坐标信息后，面积求平均值得到待测土地面积实际测量值。