CN106767706A - 一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法及系统，方法包括根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案，所述交通事故现场无人机低空拍摄方案包括但不限于全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案以及组合拍摄方案，所述组合拍摄方案由全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案叠加而成；根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算；根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列。本发明具有机动性好、效率高、全面和精度高的优点，可广泛应用于无人机应用领域。

Description

一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法及系统
技术领域
本发明涉及无人机应用领域，尤其是一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法及系统。
背景技术
传统的道路交通事故现场勘查方法主要是由交警通过量具测距、观察判断、人工绘图等简易方法对事故现场几何信息进行记录，实现勘测目的。这些传统方法存在效率低、精度差、无法对事故现场进行二次验证等缺陷，满足不了人们日益增长的高要求。而基于实景对交通事故现场的重现方法可以对责任判定、原因分析、保险理赔、司法鉴定提供有力的判断依据，产生更多的社会价值。因此，采用各种辅助勘查技术以形成可以重现的事故现场景象，成为道路交通事故现场勘查的发展趋势。
按照获取信息的层次不同，可以将道路交通事故现场勘查分为二维勘查和三维勘查。实际应用中事故现场的交通要素不会处于同一平面上，往往无法满足二维勘查法的要求，导致二维勘查法产生较大误差；而三维勘查法能够有效减小并基本消除这种误差，减少不同交通要素因高度原因对测量结果的影响。三维勘查按照技术手段和呈现方式可以分为交通事故现场测绘技术和交通事故三维重建技术。
交通事故现场测绘技术是指，基于现场实际情况，对现场交通要素的信息和状况进行勘查记录，以事故现场图方式呈现，只关注现实结果，而不推断事故原因和过程。交通事故现场测绘技术根据现场测绘相机的数量，又可分为单目相机勘测法和多目相机勘测法，但由于交通事故现场的不确定性和对相机进行实时多次标定的难度较大，交通事故现场测绘技术在测量精度上仍需要进一步改进。
而交通事故现场的三维重建技术包括场景三维重构和过程动画模拟过程。传统交通事故现场的三维重建方法包括人工测量方法、三维激光扫描法和摄影测量等，还可以利用航拍飞行器从高空拍摄路面情况。传统的人工测量方法的绘图建模耗时久且效果与实际情况偏差较大，仅能用于场景的概况重现，很多细节无法展现。三维激光扫描法和摄影测量法均要求设备能够围绕事故现场环绕测量，移动效率偏低，且相应的设备比较笨重，一般要装载在测量车上，在多数现场无法实施环绕测量。现有的航空拍摄多采用直升机拍摄，存在拍摄高度高、物体特征不明显、建模效果较差等不适用于道路交通事故现场重建的缺陷。此外，目前也有采用无人机来拍摄现场的研究，但其只是进行一定高度的简单现场扫描式拍摄，只能获取现场的俯拍概貌(即现场图)，尚无法三维显示现场实景。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种机动性好、效率高、全面和精度高的无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法。
本发明的另一目的在于：提供一种机动性好、效率高、全面和精度高的无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集系统。
本发明所采取的技术方案是：
一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法，包括以下步骤：
根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案，所述交通事故现场无人机低空拍摄方案包括但不限于全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案以及组合拍摄方案，所述组合拍摄方案由全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案叠加而成；
根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算；
根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列。
进一步，所述根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案这一步骤，其包括：
S11、判断是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故，若是，则执行步骤S13，反之，则执行步骤S12；
S12、选择全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案作为交通事故现场无人机低空拍摄方案；
S13、选择组合拍摄方案作为交通事故现场无人机低空拍摄方案。
进一步，所述根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算这一步骤，其包括：
S21、对全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案无人机的拍摄参数进行选择和计算；
S22、判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则执行步骤S23，反之，则执行交通事故现场拍摄操作；
S23、对局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案无人机的拍摄参数进行选择和计算。
进一步，所述步骤S21包括：
设定无人机的高度H0和拍摄间隔T0；
根据无人机的高度H0、相机的视角以及航拍图像的长短边比例分别计算航拍图像的长边在地面上的投影长度和航拍图像的短边在地面上的投影长度；
根据高度H0、拍摄间隔T0和航向方向上前后两幅图像重合度要求计算无人机的飞行速度V0；
根据高度H0和水平间隔航线上图像重合度要求计算水平航线间隔D0；
根据拍摄间隔T0、飞行速度V0和水平航线间隔D0计算待拍摄区域的拍摄时间T以及拍摄图像数量S，所述拍摄时间T的计算公式为：所述拍摄图像数量S的计算公式为：其中，a和b分别为待拍摄区域的航线边长度和水平边长度，为向上取整符号。
进一步，所述步骤S23包括：
设定无人机航轨迹的四个高度H1、H2、H3和H4，相应的四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的四种飞行速度V1、V2、V3和V4；
根据高度H1、H2、H3和H4以及相应的环绕半径R1、R2、R3和R4计算无人机的相机的四种拍摄角度θ1、θ2、θ3和θ4；
根据高度H1、H2、H3和H4，相应的环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的飞行速度V1、V2、V3和V4计算无人机的四种拍摄间隔D1、D2、D3和D4。
进一步，所述根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列这一步骤，其包括：
S31、根据全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到俯视视角的水平间隔拍摄照片组，所述全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案中无人机的航拍轨迹呈固定高度“弓”字形水平间隔巡回进行拍摄，无人机中相机的角度垂直向下，无人机的行进速度保持匀速；
S32、判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则执行步骤S33，反之，则结束采集流程并以俯视视角的水平间隔拍摄照片组作为交通事故现场的航拍图像序列；
S33、根据局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到不同高度不同半径的照片组，并将俯视视角的水平间隔拍摄照片组和不同高度不同半径的照片组叠加为交通事故现场的航拍图像序列，所述局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案先操作无人机飞到目标物上方，然后以目标物在取景中心为拍摄原则，按照四个高度H1、H2、H3和H4以及四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以从高到低和从里向外的顺序环绕目标物倾斜拍摄，得到4个高度4个半径的4组照片。
本发明所采取的另一技术方案是：
一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集系统，包括：
拍摄方案选择模块，用于根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案，所述交通事故现场无人机低空拍摄方案包括但不限于全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案以及组合拍摄方案，所述组合拍摄方案由全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案叠加而成；
参数标定模块，用于根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算；
现场拍摄模块，用于根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列。
进一步，所述参数标定模块包括：
第一标定单元，用于对全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案无人机的拍摄参数进行选择和计算；
第一判断单元，用于判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则转至第二标定单元，反之，则跳至现场拍摄模块；
第二标定单元，用于对局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案无人机的拍摄参数进行选择和计算。
进一步，所述第二标定单元包括：
设定子单元，用于设定无人机航轨迹的四个高度H1、H2、H3和H4，相应的四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的四种飞行速度V1、V2、V3和V4；
第一计算子单元，用于根据高度H1、H2、H3和H4以及相应的环绕半径R1、R2、R3和R4计算无人机的相机的四种拍摄角度θ1、θ2、θ3和θ4；
第二计算子单元，用于根据高度H1、H2、H3和H4，相应的环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的飞行速度V1、V2、V3和V4计算无人机的四种拍摄间隔D1、D2、D3和D4。
进一步，所述现场拍摄模块包括：
第一拍摄单元，用于根据全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到俯视视角的水平间隔拍摄照片组，所述全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案中无人机的航拍轨迹呈固定高度“弓”字形水平间隔巡回进行拍摄，无人机中相机的角度垂直向下，无人机的行进速度保持匀速；
第二判断单元，用于判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则转至第二拍摄单元，反之，则结束采集流程并以俯视视角的水平间隔拍摄照片组作为交通事故现场的航拍图像序列；
第二拍摄单元，用于根据局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到不同高度不同半径的照片组，并将俯视视角的水平间隔拍摄照片组和不同高度不同半径的照片组叠加为交通事故现场的航拍图像序列，所述局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案先操作无人机飞到目标物上方，然后以目标物在取景中心为拍摄原则，按照四个高度H1、H2、H3和H4以及四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以从高到低和从里向外的顺序环绕目标物倾斜拍摄，得到4个高度4个半径的4组照片。
本发明的方法的有益效果是：包括根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案，根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算以及根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄的步骤，采用了无人机来进行航拍图像序列采集，兼顾了交通事故现场取证的便利性和机动性；交通事故现场无人机低空拍摄方案包括全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案以及组合拍摄方案，不仅能通过全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案进行全局拍摄来获得俯视视角的现场图，而且能通过组合拍摄方案中的局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案获取不同角度不同层次的环绕拍摄图像序列，实现了交通事故现场多视角的综合勘查，为三维重建或动画模拟事故现场实景提供了充分的数据，更加全面，也大大提升了对事故现场的取证效率和机动性；采用了无人机低空拍摄方案来进行航拍图像采集，拍摄高度低，克服了直升机航空拍摄物体特征不明显和建模效果不好的缺陷，精度更高。
本发明的系统的有益效果是：包括拍摄方案选择模块、参数标定模块和现场拍摄模块，采用了无人机来进行航拍图像序列采集，兼顾了交通事故现场取证的便利性和机动性；交通事故现场无人机低空拍摄方案包括全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案以及组合拍摄方案，不仅能通过全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案进行全局拍摄来获得俯视视角的现场图，而且能通过组合拍摄方案中的局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案获取不同角度不同层次的多组环绕拍摄图像，实现了交通事故现场多视角的综合勘查，为三维重建或动画模拟事故现场实景提供了充分的数据，更加全面，也大大提升了对事故现场的取证效率和机动性；采用了无人机低空拍摄方案来进行航拍图像采集，拍摄高度低，克服了直升机航空拍摄物体特征不明显和建模效果不好的缺陷，精度更高。
附图说明
图1为本发明一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法的整体流程图；
图2为本发明无人机组合拍摄方案的航拍轨迹与相机角度示意图；
图3为本发明无人机组合拍摄方案的航拍轨迹俯视图；
图4为本发明无人机进行全局“弓”字形水平间隔垂直俯拍的轨迹示意图；
图5为本发明无人机进行全局“弓”字形水平间隔垂直俯拍的轨迹俯视图；
图6为本发明无人机进行局部多角度环绕倾斜拍摄的轨迹示意图；
图7为本发明无人机进行局部多角度环绕倾斜拍摄的轨迹俯视图。
具体实施方式
参照图1，一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法，包括以下步骤：
根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案，所述交通事故现场无人机低空拍摄方案包括但不限于全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案以及组合拍摄方案，所述组合拍摄方案由全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案叠加而成；
根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算；
根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列。
其中，不需要进行三维现场重建或现场动画模拟，表示只需要俯视视角的现场图，此时只需要选择全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案拍摄的照片组进行低精度快速建模，这样生成的模型可以确保鸟瞰视角的建模效果，轮廓和线条信息基本可以满足现场图绘制要求。需要进行三维现场重建或现场动画模拟，表示同时需要俯视视角的现场图和不同角度不同层次的环绕拍摄图像序列，此时需要采用组合拍摄方案：既需要全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案拍摄的照片组进行低精度快速建模，又需要局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案的环绕拍摄图像序列进行高精度三维现场重建或高精度现场动画模拟。
本发明的无人机优选现有的四旋翼无人航拍飞行器，该飞行器携带有相机。
进一步作为优选的实施方式，所述根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案这一步骤，其包括：
S11、判断是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故，若是，则执行步骤S13，反之，则执行步骤S12；
S12、选择全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案作为交通事故现场无人机低空拍摄方案；
S13、选择组合拍摄方案作为交通事故现场无人机低空拍摄方案。
进一步作为优选的实施方式，所述根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算这一步骤，其包括：
S21、对全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案无人机的拍摄参数进行选择和计算；
S22、判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则执行步骤S23，反之，则执行交通事故现场拍摄操作；
S23、对局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案无人机的拍摄参数进行选择和计算。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤S21包括：
设定无人机的高度H0和拍摄间隔T0；
根据无人机的高度H0、相机的视角以及航拍图像的长短边比例分别计算航拍图像的长边在地面上的投影长度和航拍图像的短边在地面上的投影长度；
根据高度H0、拍摄间隔T0和航向方向上前后两幅图像重合度要求计算无人机的飞行速度V0；
根据高度H0和水平间隔航线上图像重合度要求计算水平航线间隔D0；
根据拍摄间隔T0、飞行速度V0和水平航线间隔D0计算待拍摄区域的拍摄时间T以及拍摄图像数量S，所述拍摄时间T的计算公式为：所述拍摄图像数量S的计算公式为：其中，a和b分别为待拍摄区域的航线边长度和水平边长度，为向上取整符号。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤S23包括：
设定无人机航轨迹的四个高度H1、H2、H3和H4，相应的四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的四种飞行速度V1、V2、V3和V4；
根据高度H1、H2、H3和H4以及相应的环绕半径R1、R2、R3和R4计算无人机的相机的四种拍摄角度θ1、θ2、θ3和θ4；
根据高度H1、H2、H3和H4，相应的环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的飞行速度V1、V2、V3和V4计算无人机的四种拍摄间隔D1、D2、D3和D4。
进一步作为优选的实施方式，所述根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列这一步骤，其包括：
S31、根据全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到俯视视角的水平间隔拍摄照片组，所述全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案中无人机的航拍轨迹呈固定高度“弓”字形水平间隔巡回进行拍摄，无人机中相机的角度垂直向下，无人机的行进速度保持匀速；
S32、判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则执行步骤S33，反之，则结束采集流程并以俯视视角的水平间隔拍摄照片组作为交通事故现场的航拍图像序列；
S33、根据局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到不同高度不同半径的照片组，并将俯视视角的水平间隔拍摄照片组和不同高度不同半径的照片组叠加为交通事故现场的航拍图像序列，所述局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案先操作无人机飞到目标物上方，然后以目标物在取景中心为拍摄原则，按照四个高度H1、H2、H3和H4以及四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以从高到低和从里向外的顺序环绕目标物倾斜拍摄，得到4个高度4个半径的4组照片。
其中，呈固定高度“弓”字形水平间隔巡回进行拍摄，是指无人机的拍摄高度固定，轨迹为“弓”字形，且水平间隔固定(目的是保证满足水平间隔航线上的图像重合度要求)，巡回进行拍摄。
参照图1，一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集系统，包括：
拍摄方案选择模块，用于根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案，所述交通事故现场无人机低空拍摄方案包括但不限于全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案以及组合拍摄方案，所述组合拍摄方案由全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案叠加而成；
参数标定模块，用于根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算；
现场拍摄模块，用于根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列。
进一步作为优选的实施方式，所述参数标定模块包括：
第一标定单元，用于对全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案无人机的拍摄参数进行选择和计算；
第一判断单元，用于判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则转至第二标定单元，反之，则跳至现场拍摄模块；
第二标定单元，用于对局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案无人机的拍摄参数进行选择和计算。
进一步作为优选的实施方式，所述第二标定单元包括：
设定子单元，用于设定无人机航轨迹的四个高度H1、H2、H3和H4，相应的四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的四种飞行速度V1、V2、V3和V4；
第一计算子单元，用于根据高度H1、H2、H3和H4以及相应的环绕半径R1、R2、R3和R4计算无人机的相机的四种拍摄角度θ1、θ2、θ3和θ4；
第二计算子单元，用于根据高度H1、H2、H3和H4，相应的环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的飞行速度V1、V2、V3和V4计算无人机的四种拍摄间隔D1、D2、D3和D4。
进一步作为优选的实施方式，所述现场拍摄模块包括：
第一拍摄单元，用于根据全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到俯视视角的水平间隔拍摄照片组，所述全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案中无人机的航拍轨迹呈固定高度“弓”字形水平间隔巡回进行拍摄，无人机中相机的角度垂直向下，无人机的行进速度保持匀速；
第二判断单元，用于判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则转至第二拍摄单元，反之，则结束采集流程并以俯视视角的水平间隔拍摄照片组作为交通事故现场的航拍图像序列；
第二拍摄单元，用于根据局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到不同高度不同半径的照片组，并将俯视视角的水平间隔拍摄照片组和不同高度不同半径的照片组叠加为交通事故现场的航拍图像序列，所述局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案先操作无人机飞到目标物上方，然后以目标物在取景中心为拍摄原则，按照四个高度H1、H2、H3和H4以及四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以从高到低和从里向外的顺序环绕目标物倾斜拍摄，得到4个高度4个半径的4组照片。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。
实施例一
现有成熟的现场勘查方法主要包括对俯视垂直航拍照片进行拼接的方法以及搭载多镜头倾斜摄影对大区域进行航拍建模的方法，这两种方法需要在较高的高度和同一平面进行航拍，机动性差、效率低、不够全面和精度低。为此，本实施例结合四旋翼航拍飞行器(无人机的一种)的基本特点和以事故现场三维场景重建为目的的取证方式，提出了一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法，该方法在超低空针对全局和局部制定了不同的航拍轨迹和拍摄方案，利用无人机实现了空中摄影勘查方法，大大提升了对事故现场的取证效率和机动性，将地面近景摄影方法的优点扩展到空中，实现了多视角的综合勘查，并能结合计算机软件系统实现快速生成事故现场图、进行三维现场重建或现场动画模拟的应用目标。此外，该方法还可以利用场景中的立体标定物等约束来提高三维重建测量值的精度，具体做法为：结合立体标定物或/和现场地面人员的传统方法测量结果，对建模结果中的空间关系进行准确的约束，而在设定合理约束并确认误差达到可接受的范围内后，即可根据建模场景的空间测量结果绘制事故现场图，而不需要继续封锁现场持续测量。本实施例交通事故现场的航拍图像序列采集结束后，可根据采集的航拍图像序列进行后续的三维现场建模或现场动画模拟等事故分析操作。
整体的拍摄方案设计目标应当是全局俯视图满足事故现场平面勘查上的完整性，重要的立体目标(如事故车辆或主要交通元素)需要在三维重建之后满足多角度观察需要，标定物必须在建模场景中具有实际的参照意义(即对标定物进行合理比例约束之后对重建场景的测量值与地面勘查结果相比，需具有实际参考价值)。因此，本实施例的拍摄方案设计为两种基本拍摄方案：一是全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案，二是局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案。这两种基本拍摄方案叠加在一起就构成了本发明的组合拍摄方案，其拍摄方式和相机拍摄角度分别如图2和3所示。下面对这两种基本拍摄方案进行详细说明。
(一)全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案。
对于全局范围拍摄来说，其拍摄方式如图4和5所示，四旋翼无人机的航拍轨迹呈固定高度“弓”字形水平间隔巡回进行拍摄，相机角度垂直向下，四旋翼无人机的行进速度保持匀速。直线前进时，航向上前后两张照片的重叠度(即overlap ratio)Ofa应当保持50％以上(即Ofa>＝50％)，相邻两条航带即旁向照片重叠度Olr应当保持60％以上(即Olr>＝60％)。由于飞行高度较低，这种方式获得的图像序列主要与飞行高度、水平航线间隔、航向飞行速度和拍摄间隔相关。为了满足航向上前后图像50％以上重合和水平方向60％以上重合，需要对飞行高度H0、飞行速度V0、拍摄间隔T0和水平航线间隔D0进行设置。从四旋翼无人机的实际操作可行性来说，飞行高度H0和拍摄间隔T0是重要的设置参数。而对于四旋翼无人机的相机来说，宜选用视角约为94°的20mm定焦广角镜头，考虑到GPS误差、四旋翼无人机抖动和航线飘移等实际情况，可将视角简化为90°来估算，而相应的拍摄参数选择和计算过程具体包括：
(1)设定飞行高度H0＝10m，拍摄间隔T0＝2s。
(2)若航拍相片长短边比例4:3，视角90°按照计算，则航拍相片长边对应的地面投影长度为2H0即20m，航拍相片短边对应的地面投影长度为1.5H0即15m。
(3)为了保证航向方向上前后图像重合度＞50％，假设航向未有明显飘移，四旋翼无人机沿直线向前飞行，则前后两幅图像在航向上需要有0.75H0以上的重合，由于拍摄间隔T0＝2s，则可限制四旋翼无人机的飞行速度V0为：
(4)为了保证水平间隔航线上图像重合度＞60％，假设四旋翼无人机都在同一水平线上拍摄，则其水平航线间隔D0应满足：0＜D0≤1.2H0＝12m。
(5)对于一块航线边长度为a，水平边长度为b，范围为a*b的待拍摄区域来说，其拍摄时间而拍摄间隔T0＝2s，故其拍摄图像数量假设a＝96m，b＝48m，则有:S＝58。
(二)局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案
对于以三维场景重现(即三维建模或动画模拟)为目标的局部立体场景拍摄方案，其航拍轨迹如图6和7所示，其拍摄方式为：操作四旋翼无人机飞到目标物(包括车辆和车前棋盘格标定物等)上方，确定中心点；然后以目标物在取景中心为拍摄原则，按照四个高度H1、H2、H3和H4，以及四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以从高到低、从里向外的顺序环绕倾斜拍摄。根据航拍轨迹高度和环绕半径的不同，相机的角度(即相机光轴与地面垂直线之间所夹的角度：θ1、θ2、θ3和θ4)也有区别。拍摄间隔D1、D2、D3和D4也需要根据现场作业时的设计飞行高度H1、H2、H3和H4，环绕半径R1、R2、R3和R4和设计飞行速度V1、V2、V3和V4来确定。为了达到现场重建的视觉要求，可设定每个高度至少需要采集32张图像，以满足三维重建的要求。
局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案的一般拍摄流程为：使用四旋翼无人机围绕标定物进行环绕拍摄，按照四个高度四种半径，得到四组照片。而为了提升目标区域的建模效果，本实施例在使用四旋翼无人机对目标区域(即车辆和车前棋盘格标定物区域)环绕拍摄到4组照片后，还可以对这四个高度中最低的一个高度按照一种更大的半径多拍摄一组照片，也就是说，局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案可以按照四个高度五种半径，得到五组照片。
设定H1＝11m，R1＝5m；H2＝9m，R2＝7m；H3＝7m，R3＝9m；H4＝5m，R4＝5m；H4＝5m，R5＝11m；则经过筛选的图片数量如表1所示：
表1目标物体与目标区域的拍摄照片数量
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)采用无人机进行图像序列采集，兼顾了便利性和机动性，可以实现多视角的综合勘查，为三维重建事故现场景象提供了充分的数据，大大提升了对事故现场的取证效率和机动性。
2)组合拍摄方案给出了全局服务和局部拍摄时的航迹方案，即俯拍采用“弓”字形航迹扫描方式，局部拍摄采用多高度多半径的圆周环绕航迹扫描方案，更加全面。
3)本发明提出的图像序列采集方法可以进行灵活应用：如果只需要俯视视角的现场图，那么只需要选择全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案拍摄的照片组进行低精度快速建模，这样生成的模型可以确保鸟瞰视角的建模效果，轮廓和线条信息基本可以满足现场图绘制要求；如果需要进行高精度三维现场重建或高精度现场动画模拟，则采用组合拍摄方案。
4)可结合立体标定物或/和现场地面人员的传统方法测量结果，对建模结果中的空间关系进行准确的约束，而在设定合理约束并确认误差达到可接受的范围内后，即可根据建模场景的空间测量结果绘制事故现场图，而不需要继续封锁现场持续测量，更加便捷。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案，所述交通事故现场无人机低空拍摄方案包括但不限于全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案以及组合拍摄方案，所述组合拍摄方案由全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案叠加而成；
根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算；
根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列。
2.根据权利要求1所述的一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法，其特征在于：所述根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案这一步骤，其包括：
S11、判断是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故，若是，则执行步骤S13，反之，则执行步骤S12；
S12、选择全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案作为交通事故现场无人机低空拍摄方案；
S13、选择组合拍摄方案作为交通事故现场无人机低空拍摄方案。
3.根据权利要求1所述的一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法，其特征在于：所述根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算这一步骤，其包括：
S21、对全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案无人机的拍摄参数进行选择和计算；
S22、判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则执行步骤S23，反之，则执行交通事故现场拍摄操作；
S23、对局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案无人机的拍摄参数进行选择和计算。
4.根据权利要求3所述的一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法，其特征在于：所述步骤S21包括：
设定无人机的高度H0和拍摄间隔T0；
根据无人机的高度H0、相机的视角以及航拍图像的长短边比例分别计算航拍图像的长边在地面上的投影长度和航拍图像的短边在地面上的投影长度；
根据高度H0、拍摄间隔T0和航向方向上前后两幅图像重合度要求计算无人机的飞行速度V0；
根据高度H0和水平间隔航线上图像重合度要求计算水平航线间隔D0；
根据拍摄间隔T0、飞行速度V0和水平航线间隔D0计算待拍摄区域的拍摄时间T以及拍摄图像数量S，所述拍摄时间T的计算公式为：所述拍摄图像数量S的计算公式为：其中，a和b分别为待拍摄区域的航线边长度和水平边长度，为向上取整符号。
5.根据权利要求3或4所述的一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法，其特征在于：所述步骤S23包括：
设定无人机航轨迹的四个高度H1、H2、H3和H4，相应的四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的四种飞行速度V1、V2、V3和V4；
根据高度H1、H2、H3和H4以及相应的环绕半径R1、R2、R3和R4计算无人机的相机的四种拍摄角度θ1、θ2、θ3和θ4；
根据高度H1、H2、H3和H4，相应的环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的飞行速度V1、V2、V3和V4计算无人机的四种拍摄间隔D1、D2、D3和D4。
6.根据权利要求5所述的一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集方法，其特征在于：所述根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列这一步骤，其包括：
S31、根据全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到俯视视角的水平间隔拍摄照片组，所述全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案中无人机的航拍轨迹呈固定高度“弓”字形水平间隔巡回进行拍摄，无人机中相机的角度垂直向下，无人机的行进速度保持匀速；
S32、判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则执行步骤S33，反之，则结束采集流程并以俯视视角的水平间隔拍摄照片组作为交通事故现场的航拍图像序列；
S33、根据局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到不同高度不同半径的照片组，并将俯视视角的水平间隔拍摄照片组和不同高度不同半径的照片组叠加为交通事故现场的航拍图像序列，所述局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案先操作无人机飞到目标物上方，然后以目标物在取景中心为拍摄原则，按照四个高度H1、H2、H3和H4以及四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以从高到低和从里向外的顺序环绕目标物倾斜拍摄，得到4个高度4个半径的4组照片。
7.一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集系统，其特征在于：包括：
拍摄方案选择模块，用于根据是否需要进行三维现场重建或现场动画模拟选择相应的交通事故现场无人机低空拍摄方案，所述交通事故现场无人机低空拍摄方案包括但不限于全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案以及组合拍摄方案，所述组合拍摄方案由全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案叠加而成；
参数标定模块，用于根据选择的无人机低空拍摄方案对无人机的拍摄参数进行选择和计算；
现场拍摄模块，用于根据选择的无人机低空拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到交通事故现场的航拍图像序列。
8.根据权利要求7所述的一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集系统，其特征在于：所述参数标定模块包括：
第一标定单元，用于对全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案无人机的拍摄参数进行选择和计算；
第一判断单元，用于判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则转至第二标定单元，反之，则跳至现场拍摄模块；
第二标定单元，用于对局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案无人机的拍摄参数进行选择和计算。
9.根据权利要求8所述的一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集系统，其特征在于：所述第二标定单元包括：
设定子单元，用于设定无人机航轨迹的四个高度H1、H2、H3和H4，相应的四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的四种飞行速度V1、V2、V3和V4；
第一计算子单元，用于根据高度H1、H2、H3和H4以及相应的环绕半径R1、R2、R3和R4计算无人机的相机的四种拍摄角度θ1、θ2、θ3和θ4；
第二计算子单元，用于根据高度H1、H2、H3和H4，相应的环绕半径R1、R2、R3和R4，以及相应的飞行速度V1、V2、V3和V4计算无人机的四种拍摄间隔D1、D2、D3和D4。
10.根据权利要求9所述的一种无人机勘查交通事故现场的航拍图像采集系统，其特征在于：所述现场拍摄模块包括：
第一拍摄单元，用于根据全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到俯视视角的水平间隔拍摄照片组，所述全局范围“弓”字形巡回垂直俯拍方案中无人机的航拍轨迹呈固定高度“弓”字形水平间隔巡回进行拍摄，无人机中相机的角度垂直向下，无人机的行进速度保持匀速；
第二判断单元，用于判断选择的无人机低空拍摄方案是否为组合拍摄方案，若是，则转至第二拍摄单元，反之，则结束采集流程并以俯视视角的水平间隔拍摄照片组作为交通事故现场的航拍图像序列；
第二拍摄单元，用于根据局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案和无人机的拍摄参数进行交通事故现场拍摄，得到不同高度不同半径的照片组，并将俯视视角的水平间隔拍摄照片组和不同高度不同半径的照片组叠加为交通事故现场的航拍图像序列，所述局部立体场景多层次环绕倾斜拍摄方案先操作无人机飞到目标物上方，然后以目标物在取景中心为拍摄原则，按照四个高度H1、H2、H3和H4以及四种环绕半径R1、R2、R3和R4，以从高到低和从里向外的顺序环绕目标物倾斜拍摄，得到4个高度4个半径的4组照片。
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