CN106331684A - 一种工程地质调查中基于小型无人机录像的三维影像获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于小型无人机录像快速获取三维影像的方法，该方法主要使用小型无人机自带的高清相机在飞行过程中对目标区域进行录像，然后在获得的录像数据中设定固定时间间隔提取图片，保证图片之间的重合度，使用Smart3D软件对提取后的图片文件进行合成获取目标区的三维影像。本发明较通过拍摄照片合成三维影像的传统方法成功率更高，避免传统方法由于三维影像合成失败而需重新航拍的问题。

Description

一种工程地质调查中基于小型无人机录像的三维影像获取 方法

技术领域

本发明涉及工程地质勘察技术领域，尤其涉及一种工程地质调查中基于小型无人机录像的三维影像获取方法。

背景技术

随着小型无人机技术的迅猛发展，在民用领域的使用越来越广泛。无人机具有成本低、无伤亡风险、超视距飞行、操控简单、工作效能高等特点，目前大量应用于工程建设中，特别在工程地质勘察中提供了重要的技术支持。

随着我国西南地区开发建设进入高峰时期，在西南地区广袤的高山峡谷地区，工程建设中面临着大量地质条件复杂的高边坡问题，高边坡问题不仅使得工程建设面临巨大的安全风险，甚至可能成为工程建设的制约性因素，从而影响社会经济发展。

近年来，无人机技术被大量应用于地质灾害调查预警、工程地质勘察等领域，有效提高了工作效率，降低了人员在野外调查工作中面临的安全风险，也显著提高了收集资料的全面性及准确性。

随着相应的计算机软件技术的配套发展，通过无人机获取三维影像技术正在被工程建设领域广泛运用。在西南地区超高自然边坡以及工程边坡工程地质勘察中发挥着巨大的作用。无人机获取三维影像的传统方法是控制无人机携带的相机对目标区拍摄照片，相邻两张照片需要70％以上重合度的前提下才能合成三维影像。传统方法在现场操作中面临相邻照片70％重合度不易保证、照片画幅不均一等问题(如图1)，从而降低了三维影像合成的成功率，致使现场航拍难度大、获取三维影像的效率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种工程地质调查中基于小型无人机录像的三维影像获取方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种工程地质调查中基于小型无人机录像的三维影像获取方法，包括以下步骤：

1)按照设计图纸开挖工程边坡完成之后，清理壁面并进行施工放样桩号标记点；

2)控制无人机相机获取单级边坡全幅实时画面，使用全站仪测得无人机相机镜头至坡面距离；将无人机转入航点飞行模式，在单级边坡全幅实时画面状态下无人机记录当前初始飞行航点，控制无人机平行边坡，镜头垂直坡面飞行，每10m～20m设置一个航点，如遇边坡形态转折，在边坡形态转折处增加航点，依次操作至边坡终点，输入无人机航点飞行速度参数后，启动无人机航点飞行功能并打开无人机相机摄像模式，此时无人机返回第一航点按照记录航点飞行并对边坡进行录像；

3)对坡面施工桩号标记点使用测量仪器测量其坐标；

4)完成边坡录像后使用计算机导出无人机录像数据，使用软件对录像数据进行提取处理，其中提取单帧画面的间隔时间根据飞行速度与相机镜头距离坡面距离计算得到，

单帧画面间隔时间t可按下式计算：

$t\≤\frac{\mathrm{\δ}d}{v}---\left(1\right)$

$\mathrm{\δ}=0.6tan\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)---\left(2\right)$

式中：t为单帧画面提取间隔时间(s)；

δ为三维影像保证系数；

d为无人机相机镜头至坡面距离(m)；

v为无人机飞行速度(m/s)，根据经验，当d≤15m时，v不宜大于3m/s；

α为无人机相机视角(°)；

5)使用Smart3D软件导入提取的录像单帧照片，并导入施工桩号标记点坐标进行合成获得边坡三维影像；

6)在三维影像中获取检查点坐标对比其实际测量坐标对三维影像精度进行校核，检查三维影像坐标是否存在错误或精度是否满足要求。

按上述方案，所述步骤1)中边坡按照5m～10m间隔设置标记点。

按上述方案，所述步骤2)中获取单级边坡全幅实时画面时控制无人机相机画幅范围10m×5m至10m至15m，每个画幅范围包含4至6个标记点。

按上述方案，所述相机为视角94°，单张影像数据分辨率4000×3000、有效像素1276万的数码相机。

本发明产生的有益效果是：

1.本发明提取目标区单帧照片有效画幅一致，大幅降低了三维影像拼接难度；

2.使用无人机智能飞行模式减小了人为操作与外部环境因素对影像成果的影响，并显著降低了现场外业操作难度；

3.合成三维影像的成功率大幅提高，理论成功率高达100％。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是传统方法操作中照片重合度不足示意图；

图2是本发明实施例的方法流程图；

图3是本发明实施例中获取单级边坡高程全幅实时画面示意图；

图4是无人机智能飞行航点设置示意图；

图5是全站仪测量施工桩号标记点示意图；

图6是本发明实施例合成的三维影像俯视图；

图7是本发明实施例合成的三维影像正视图；

图8是本发明实施例合成的三维影像侧视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。

西南某水利水电枢纽工程大坝工程边坡高差达270m，工程边坡单次预裂开挖高度5m，工程地质编录采用三维影像可视化编录。以该坝肩工程边坡桩号0-40～0-95、高程878m～872m段为实例说明如下。

如图2所示，步骤一：作业准备

(1)专用器材准备：①无人机及高清云台相机1台套(影响传感器1/2.3英寸CMOS、有效像素1240万如DJI Phantom 3Professional)，②免棱镜全站仪(如拓普康(GPT-3005LN)1台套、测量精度±(10mm+10ppm)，③50m皮尺一个。

(2)工程边坡开挖完成后冲洗岩面，按照上下两排分别距坡顶及坡脚50cm统一高程施工放样桩号标记点。

步骤二：获取数字录像数据

安装无人机组件并完成调试，垂直坡面放置皮尺调整无人机与坡面距离，以DJIPhantom 3Professional无人机相机参数为例计算无人机与坡面距离d≈坡高h，垂直起飞无人机获取坡面实时画面，控制无人机高度位于坡面垂直高度中点，调整云台相机角度与坡面垂直，获取坡面有效画幅。单级边坡高程全幅实时画面示意图如图3。图中：1-工程边坡，2-无人机，4-桩号标记点，5-无人机镜头视角α，6-无人机相机镜头至坡面距离。

如图4所示，图中：3-飞行航线，7-初始航点，8-2^#航点，9-转折航点，10-为3^#航点，11-终点航点；

无人机智能飞行航点设置如下：开启无人机智能飞行模式进入航点飞行并记录0-40桩号初始航点C1，控制无人机平行边坡走向飞行至0-50桩号航点并记录该航点C2，鉴于该级边坡走向转折，控制无人机平行边坡走向飞行至转折处调整相机镜头将边坡0-62.5桩号转折棱线置于画幅中点位置并记录该转折航点C3，控制无人机平行边坡走向飞行至0-80桩号航点并记录该航点C4，控制无人机平行边坡走向飞行至0-95终点桩号航点并记录终点航点C5。完成航点设置后开始航点智能飞行按钮，无人机飞行智能飞行至C1初始航点并开启云台相机摄像按钮，无人机按照设置航点航线完成飞行并获取边坡录像，到达C5终点航点后无人机自动返航，关闭无人机。

步骤三：仪测成像

(1)架设全站仪测量施工桩号标记点坐标并导入计算机。如图5所示，图中：4-桩号标记点，12-全站仪；

(2)取出无人机机载记忆卡将数字录像数据导入计算机，按照公式计算提取数字图像间隔时间提取所需单帧数字图像。

步骤四：Smart3D合成三维影像

(1)使用Photoshop软件对单帧数字图像进行图像色差、亮度处理。

(2)将调整处理后的单帧数字图像及桩号标记点坐标导入Smart3D软件，按照桩号标记点的测量数据点号，在单帧数字图像指示对应点号，其中预留2～3标记点作为检查点不导入坐标数据，合成三维影像。

图6～图8分别是三维影像俯视图、三维影像正视图、三维影像侧视图。

步骤五：精度校核

在三维影像中获取检查点坐标对比其实际测量坐标对三维影像精度进行校核。

Claims (4)

1.一种工程地质调查中基于小型无人机录像的三维影像获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按照设计图纸开挖工程边坡完成之后，清理壁面并进行施工放样桩号标记点；

2)控制无人机相机获取单级边坡全幅实时画面，使用全站仪测得无人机相机镜头至坡面距离；将无人机转入航点飞行模式，在单级边坡全幅实时画面状态下无人机记录当前初始飞行航点，控制无人机平行边坡，镜头垂直坡面飞行，每10m至20m设置一个航点，如遇边坡形态转折，在边坡形态转折处增加航点，依次操作至边坡终点，输入无人机航点飞行速度参数后，启动无人机航点飞行功能并打开无人机相机摄像模式，此时无人机返回第一航点按照记录航点飞行并对边坡进行录像；

3)对坡面施工桩号标记点使用测量仪器测量其坐标；

4)完成边坡录像后使用计算机导出无人机录像数据，使用软件对录像数据进行提取处理，其中提取单帧画面的间隔时间根据飞行速度与相机镜头距离坡面距离计算得到，

单帧画面间隔时间t可按下式计算：

$t\≤\frac{\mathrm{\δ}d}{v}---\left(1\right)$

$\mathrm{\δ}=0.6tan\left(\frac{\mathrm{\α}}{2}\right)---\left(2\right)$

式中：t为单帧画面提取间隔时间；δ为三维影像保证系数；d为无人机相机镜头至坡面距离；v为无人机飞行速度；α为无人机相机视角；

5)使用Smart3D软件导入提取的录像单帧照片，并导入施工桩号标记点坐标进行合成获得边坡三维影像；

6)在三维影像中获取检查点坐标对比其实际测量坐标对三维影像精度进行校核，检查三维影像坐标是否存在错误或精度是否满足要求。

2.根据权利要求1所述的工程地质调查中基于小型无人机录像的三维影像获取方法，其特征在于，所述步骤1)中边坡按照5m～10m间隔设置标记点。

3.根据权利要求1所述的工程地质调查中基于小型无人机录像的三维影像获取方法，其特征在于，所述步骤2)中获取单级边坡全幅实时画面时控制无人机相机画幅范围为10m×5m至10m至15m，每个画幅范围包含4至6个标记点。

4.根据权利要求1所述的工程地质调查中基于小型无人机录像的三维影像获取方法，其特征在于，所述相机为视角94°，单张影像数据分辨率4000×3000、有效像素1276万的数码相机。