CN106767720A - 基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法、装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法和系统。该无人机的单镜头倾斜摄影测量系统包括无人机、服务器和搭载在无人机上的影像采集传感器，服务器可以用于实现基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法：通过服务器获取无人机搭载的单镜头影像采集传感器拍摄的地物影像，根据需拍摄的地物区域范围确定无人机的拍摄路径，可以得到与多镜头设备同样的拍摄效果，并且可以降低设备成本、减轻无人机的负重并增加电池的续航时间。对于基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，可以通过建立功能模块，组合成功能模块构架，由存储在计算机可读存储介质中的计算机程序来实施。

Description

基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别涉及基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法和系统。对于基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，可以通过建立功能模块，组合成功能模块构架，由存储在计算机可读存储介质中的计算机程序来实施。

背景技术

随着影像采集传感器技术的发展，由各类无人机、航空飞机、卫星、太空站等太空探测器构成的遥感平台为人们提供了大量的影像资料。遥感影像被广泛应用在农林资源调查、地质灾害预警、矿产资源勘探、水文水资源勘查、城镇规划及环境监测等多个方面发。

由于地物结构的复杂性，单一角度观测无法获得地物真实目标特征参数，利用多角度倾斜摄影来获取多角度地物影像，从而建立地物的三维模型是获取多角度遥感信息的重要手段。由于卫星平台以及航空平台难以实现多角度遥感影像之间的精确配准，并且目前难以实现对多角度遥感影像进行精确的大气校正，利用搭载了多镜头(一般为正摄影镜头)相机的无人机进行倾斜摄影测量来实现快速三维建模的方法被广泛应用。这种搭载多镜头的倾斜摄影测量方法单次拍摄可获取多张不同角度的照片，但是需要同时携带多个摄像镜头，成本较高，而且增加了无人机的负重。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处而提供一种基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法及系统，降低设备成本且可以得到与多镜头设备同样的拍摄效果。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，无人机搭载单镜头的影像采集传感器拍摄地物影像，根据需拍摄的地物区域范围确定无人机的拍摄路径，所述无人机的拍摄路径超出需拍摄的地物区域范围至少一个拍摄路径间距的距离；所述影像采集传感器在每一条拍摄路径进行多个不同角度的影像拍摄，所述拍摄的不同角度至少包括该地物的上方、左右两侧和前后两侧；根据在同一地物的不同拍摄角度拍摄的影像信息构建该地物的三维模型。

其中，所述影像采集传感器在每一条拍摄路径的拍摄角度包括：镜头垂直向下方向、镜头分别与无人机前进方向的前、后、左、右四个方位呈向下的45°倾角的方向。

其中，获取影像采集传感器拍摄的每一个地物影像的三维地理坐标O(x,y,z)，则该地物前、后、左、右四个方位的影像分别取影像采集传感器在坐标A(x,y+z,z)、坐标B(x,y-z,z)、坐标C(x-z,y,z)、坐标D(x+z,y,z)拍摄的朝向坐标O(x,y,z)方向的地物影像。

其中，所述拍摄路径包括多条平行的横向拍摄路径和多条平行的纵向拍摄路径，无人机在相邻两条拍摄路径拍摄的地物影像的重叠度不低于预设值。

本发明的基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，使用无人机搭载单镜头的影像采集传感器拍摄地物影像，根据需拍摄的地物区域范围确定无人机的拍摄路径，可以得到与多镜头设备同样的拍摄效果，并且可以降低设备成本、减轻无人机的负重并增加电池的续航时间。

对于基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，可以通过建立功能模块，组合成功能模块构架，由存储在计算机可读存储介质中的计算机程序来实施。

还提供了基于无人机的单镜头倾斜摄影测量系统，包括无人机、服务器和搭载在无人机上的影像采集传感器，该系统的服务器具有功能模块构架，能够录入实施该功能模块构架的计算机程序，从而实现该基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法。具体地，通过服务器获取无人机搭载的单镜头影像采集传感器拍摄的地物影像，根据需拍摄的地物区域范围确定无人机的拍摄路径，可以得到与多镜头设备同样的拍摄效果，并且可以降低设备成本、减轻无人机的负重并增加电池的续航时间。

具体实施方式

结合以下实施例对基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法及系统作进一步描述。

因为无人机具有操作简便、灵活性好和空间分辨率高等优势，无人机遥感技术迅速发展，无人机可以根据实际需要选择四旋翼无人机或者固定翼无人机，影像采集人员把搭载有影像采集传感器的无人机作为影像采集平台，控制无人机按照预先设定的航线和拍摄角度对地物进行拍摄作业，影像采集传感器把拍摄的影像发送给服务器，地物影像经由服务器分析处理后输出为地物的三维模型。

与每次拍摄都可以获取五个不同角度影像的机载多镜头专用相机不同，本实施例的无人机上搭载的影像采集传感器都是单镜头相机，单镜头相机在进行二维倾斜影像的拍摄时，一次获取一个角度的影像。通过预先设定无人机的行进路线和拍摄角度，采用单镜头倾斜摄影测量方法也可以实现对地物的全方位影像的拍摄，获得与多镜头设备同样的效果。

在对一个区域的地物进行拍摄时，设定无人机的横向拍摄路径和纵向拍摄路径，无人机在相邻两条横向拍摄路径或者纵向拍摄路径拍摄的地物影像的重叠度满足图像处理要求，即沿无人机拍摄路径的行进方向的影像重叠度不低于60％，无人机拍摄路径的行进方向的左右两侧的影像重叠度不低于30％，并且实际拍摄区域超出需要拍摄的地物区域一个拍摄路径间距的距离，这样在对相邻两部分影像进行拼合处理时就可以获得足够多的相同地物特征信息，从而得到需拍摄地物区域的完整影像。对每一条横向拍摄路径和纵向拍摄路径，影像采集人员控制影像采集传感器进行五个不同角度影像的拍摄，这五个不同角度是指镜头垂直向下和镜头与无人机前、后、左、右四个方位分别呈45°角。服务器获取影像采集传感器拍摄的每一个地物影像的三维地理坐标O(x,y,z)，则分别取影像采集传感器在如下坐标拍摄的地物影像作为该地物前、后、左、右四个方位的影像：前、后、左、右方位的影像分别取在坐标A(x,y+z,z)、坐标B(x,y-z,z)、坐标C(x-z,y,z)、坐标D(x+z,y,z)拍摄的朝向坐标O(x,y,z)方向且呈45°角的地物影像。

确定无人机的拍摄路径后，获取影像采集传感器拍摄的地物影像，在对图像要求不高的情况下，可以使用仅搭载一种影像采集传感器的微型无人机来拍摄地物影像，这样可以降低设备成本、减轻无人机的负重并增加电池的续航时间；如果无人机搭载有多种影像采集传感器，则通过下述多传感遥感影像匹配方法获取多种影像采集传感器拍摄的地物影像的配准影像。

影像采集步骤，分别通过无人机搭载的可见光数码相机、多光谱相机和热红外相机三种不同类型的影像采集传感器拍摄地物影像，记录所拍摄的每张地物影像的数据信息，该数据信息包括拍摄时影像采集传感器的拍摄角度θ、拍摄时间t和地物影像空间分辨率R。服务器内记录有影像采集传感器的参数，根据该参数和无人机拍摄的高度可以得到影像采集传感器获取的影像的空间分辨率R：f/z＝P/R，其中：f为影像采集传感器的焦距，z为拍摄地物影像时的高度，P为电荷耦合元件像素大小。三个影像采集传感器实时拍摄得到的地物影像和相关数据信息发送给基于无人机的单镜头倾斜摄影测量系统的服务器，通过三个影像采集传感器同步拍摄地物影像并实时发送给服务器，可以获取更高品质的地物影像。

影像平面调整步骤，定义三个影像采集传感器在同一拍摄时间t拍摄的地物影像为同步影像，正常拍摄时三个影像采集传感器的拍摄角度都为预设的角度，则三个同步影像的取像平面保持一致，但是由于拍摄时外部条件等因素影响，可能出现影像采集传感器移位的情况，导致三个同步影像的取像平面出现偏差，影响后续的同步影像配准。服务器分别获取收到的三个同步影像的拍摄角度θ，若三个影像采集传感器的拍摄角度θ都出现了相同角度的偏移，则说明无人机的行进方向发生改变，无需对影像平面进行调整；若有一个或两个影像采集传感器的拍摄角度θ出现偏移，或者三个影像采集传感器的拍摄角度θ都出现了偏移但偏移角度不一样，就判断拍摄同步影像时三个影像采集传感器的取像平面不一致，服务器对拍摄角度θ出现偏移的影像采集传感器拍摄的同步影像进行投影变形处理，把拍摄角度θ出现偏移的同步影像调整为在预设拍摄角度的取像平面上的投影影像。经过如上影像平面调整步骤，调整后的三个同步影像都反映所拍摄的地物同一平面的影像信息，便于对三个同步影像进行配准。

同步影像配准步骤，服务器分别获取经过影像平面调整步骤调整后的三个同步影像的空间分辨率R，空间分辨率R是指单位像素所代表的地面范围的大小，即能够从遥感影像上识别出两个相邻地物的最小距离，地面两个相邻物体的距离超过空间分辨率R的限度时，两者在影像上就会表现为一个单一的目标。服务器把三个同步影像中空间分辨率R最大的同步影像作为基准影像，把该基准影像的空间分辨率R与余下的同步影像的比值作为压缩比例，按照该压缩比例对同步影像进行压缩处理，从而使得单位尺寸的影像代表的地面范围大小一致。服务器对调整压缩后的三个同步影像进行图像聚类分割处理，得到拥有同种特性多种类别区域的灰值图，然后根据连续的灰度值近似的灰度区域的形状、面积提取同步影像中的地物特征标记，通过重叠三个同步影像中的地物特征标记把三种不同类型的影像采集传感器拍摄地物影像叠加在一起，从而得到由三种不同类型的影像信息叠加产生的配准影像。配准影像包括来自不同影像采集传感器的影像信息，可以增加影像信息细节、提高服务器输出的影像清晰度，从而改善单一影像采集传感器获取的影像品质,进而提高对影像进行特征提取和目标识别等操作的有效性，方便对影像进行下一步分析和处理。

服务器把收到的三个影像采集传感器在同一时刻分别拍摄的地物影像作为同步影像，然后对获取自不同影像采集传感器的三个同步影像分别进行投影变形处理，使三个同步影像都反映所拍摄的地物同一平面的影像信息，然后把这三个同步影像进行配准，从而得到由三种不同类型的影像信息叠加产生的配准影像。配准影像包括来自不同影像采集传感器的影像信息，可以增加影像信息细节、提高服务器输出的影像清晰度，从而改善单一影像采集传感器获取的影像品质,进而提高对影像进行特征提取和目标识别等操作的有效性，方便对影像进行下一步处理与分析。

服务器获取无人机在每个镜头方向得到的拍摄区域全部地物影像或者配准影像，根据常规的影像采集传感器构像方程和几何畸变校正理论对影像进行几何校正，并采用基于特征的图像配准算法对几何校正后的图像进行拼接处理，得到需拍摄地物区域的完整影像。控制器根据地理坐标关系获取地物垂直和前、后、左、右五个方向的二维倾斜摄影影像数据，通过倾斜摄影测量三维建模工具自动建模，得到地物全面的原始三维模型。

对于基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，可以通过建立功能模块，组合成功能模块构架，由存储在计算机可读存储介质中的计算机程序来实施。

为了实现该基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，可以建立基于无人机的单镜头倾斜摄影测量系统，该系统的服务器具有功能模块构架，能够录入实施该功能模块构架的计算机程序，从而实现该基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，其特征在于，无人机搭载单镜头的影像采集传感器拍摄地物影像，根据需拍摄的地物区域范围确定无人机的拍摄路径，所述无人机的拍摄路径超出需拍摄的地物区域范围至少一个拍摄路径间距的距离；所述影像采集传感器在每一条拍摄路径进行多个不同角度的影像拍摄，所述拍摄的不同角度至少包括该地物的上方、左右两侧和前后两侧；根据在同一地物的不同拍摄角度拍摄的影像信息构建该地物的三维模型。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，其特征在于，所述影像采集传感器在每一条拍摄路径的拍摄角度包括：镜头垂直向下方向、镜头分别与无人机前进方向的前、后、左、右四个方位呈向下的45°倾角的方向。

3.根据权利要求2所述的基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，其特征在于，获取影像采集传感器拍摄的每一个地物影像的三维地理坐标O(x,y,z)，则该地物前、后、左、右四个方位的影像分别取影像采集传感器在坐标A(x,y+z,z)、坐标B(x,y-z,z)、坐标C(x-z,y,z)、坐标D(x+z,y,z)拍摄的朝向坐标O(x,y,z)方向的地物影像。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，其特征在于，所述拍摄路径包括多条平行的横向拍摄路径和多条平行的纵向拍摄路径，无人机在相邻两条拍摄路径拍摄的地物影像的重叠度不低于预设值。

5.基于无人机的单镜头倾斜摄影测量装置，其特征在于，包括：

拍摄路径确认模块，无人机搭载单镜头的影像采集传感器拍摄地物影像，该拍摄路径确认模块根据需拍摄的地物区域范围确定无人机的拍摄路径，所述无人机的拍摄路径超出需拍摄的地物区域范围至少一个拍摄路径间距的距离；

地物影像拍摄模块，其控制所述影像采集传感器在每一条拍摄路径进行多个不同角度的影像拍摄，所述拍摄的不同角度至少包括该地物的上方、左右两侧和前后两侧；

三维模型构建模块，其根据在同一地物的不同拍摄角度拍摄的影像信息构建该地物的三维模型。

6.根据权利要求5所述的基于无人机的单镜头倾斜摄影测量装置，其特征在于，所述影像采集传感器在每一条拍摄路径的拍摄角度包括：镜头垂直向下方向、镜头分别与无人机前进方向的前、后、左、右四个方位呈向下的45°倾角的方向。

7.根据权利要求6所述的基于无人机的单镜头倾斜摄影测量装置，其特征在于，包括多方位影像获取模块，其获取影像采集传感器拍摄的每一个地物影像的三维地理坐标O(x,y,z)，则该地物前、后、左、右四个方位的影像分别取影像采集传感器在坐标A(x,y+z,z)、坐标B(x,y-z,z)、坐标C(x-z,y,z)、坐标D(x+z,y,z)拍摄的朝向坐标O(x,y,z)方向的地物影像。

8.根据权利要求5所述的基于无人机的单镜头倾斜摄影测量装置，其特征在于，所述拍摄路径包括多条平行的横向拍摄路径和多条平行的纵向拍摄路径，无人机在相邻两条拍摄路径拍摄的地物影像的重叠度不低于预设值。

9.基于无人机的单镜头倾斜摄影测量系统，包括无人机、服务器和搭载在无人机上的影像采集传感器，影像采集传感器把采集到的数据信息发送给服务器，其特征在于：所述服务器执行权利要求1～4当中任一项所述的基于无人机的单镜头倾斜摄影测量方法，或者所述服务器具有权利要求5～8当中任一项所述的基于无人机的单镜头倾斜摄影测量装置。