CN106949880A - 海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，属于遥感影像处理技术领域。该方法在POS数据的辅助下，裁剪获取地形参考数据，计算影像间的重叠度，并通过智能分析，完成海拔起伏较大测区局部影像重叠度过大的自动处理。本发明提出的针对海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，只需要简单的参数指定，就能够在保证所有影像重叠度均高于最小限值的情况下剔除最多的冗余影像。通过对原始数据的精简，加快后续DOM的制作效率。该方法具有参数设定简单、不降低DOM制作精度的条件下提升其制作效率等特点。

Description

海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法

技术领域

本发明属于遥感影像处理技术领域，具体涉及一种海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法。

背景技术

无人机航摄技术是继传统的航空摄影之后出现的一种新的数字测绘航空摄影技术，相对于传统航空摄影测量，无人机航摄具有起降灵活、受天气影响小、成本低的特点。目前，运用低空数码遥感影像技术生产的正射影像图(DOM)、数字线划图(DLG)，可满足1∶5000、1∶2000和1∶1000等比例尺的精度要求。

POS系统，又称为IMU/DGPS系统，可以在传感器成像过程中实时测量其位置和姿态，获取影像的外方位元素。无人机航摄多采取等距曝光模式，影像间的重叠度会随着相对航高的变化而不同。在《低空数字航空摄影规范》CH/Z3005-2010规定，无人机航摄像片航向重叠度应为60％～80％，最小不小于53％。在海拔起伏较大地区，为满足高海拔区域影像重叠度满足最小要求，则需要设置较近的曝光间距，这可能导致在低海拔地区的影像重叠度过高。当前解决此种问题的方法主要方法为：①增加测区无人机航摄架次，在单架次的的航飞范围内保持较小的地面海拔差异，以减小重叠度的差异；②不增加测区无人机航摄架次，并保证地面海拔最高点的影像重叠度大于最小值，允许出现局部影像重叠度现象存在。

但方法①增大了无人机航摄的风险(测量海拔较低区域时，无人机航飞高度较低，在山区飞行风险增大)，且增加了无人机航摄的成本；方法②会导致原始影像数据存在大量重叠度过高的冗余，降低后续的DOM制作效率。故亟待找到一种针对对海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，该方法采取免费的全球DEM数据作为辅助的地形数据，只需要简单的参数指定，就能够在保证所有影像重叠度均高于最小限值的情况下剔除最多的冗余影像，实现了针对海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高的自动处理。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，下载免费DEM数据；

步骤(2)，根据无人机航摄所获所有像片对应的POS点坐标其中每一张像片有且仅有一个POS点与之对应，由第一个POS点开始，依次计算每个POS点指向其相邻POS点的向量坐标，并计算相邻POS点向量之间的夹角；根据设定的航线弯曲度限值将同属一条航带的POS点归组后，由n个POS点共生成m条航带；之后，以每条航带的首尾端点作为外接多边形的角点，生成完全包含所有POS点的最小外接多边形；

其中生成航带的具体方法为：以第一个POS点作为第一条航带的首端点，并从第一个夹角开始，依次比较每个夹角θ_i和航线弯曲度限值Δθ，其中i＝2，3，4，…，n-1，如θ_i＜Δθ，则认为第i个POS点属于该条航带，反之，则断开此航带，生成新航带，并将第i-1个POS点作为该条航带的末端点，第i个POS点作为新航带的起始点；比较完所有夹角后，将最后一个POS点作为最后一条航带的末端点；

步骤(3)，以步骤(2)中所获最小外接多边形为掩膜，裁剪步骤(1)中所获DEM数据，得到无人机航飞区DEM数据；

步骤(4)，读取步骤(3)中所获得的无人机航飞区DEM数据，计算每个POS点的相对航高，其方法为：

(4.1)读取DEM数据左上角的起始坐标及像元大小，以横纵像素个数为单位，建立起DEM像素坐标与大地坐标之间的转换关系；

(4.2)将POS点大地坐标(B_i，L_i)转化为像素坐标(R_i，C_i)；

(4.3)以最邻近像元法，取最接近(R_i，C_i)坐标的DEM像素坐标(R_i’,C_i’)，则该DEM像素坐标对应的高程坐标Z_i’为该POS点对应地面海拔；

(4.4)用该POS点的绝对行高Z_i减去对应地面海拔高Z_i’即可获得相对航高H_i，H_i＝Z_i-Z_i’；

其中，i＝1，2，3，…，n；

步骤(5)，将POS点的大地坐标投影到平面，获得以米为单位的投影坐标(X_i,Y_i)；根据步骤(4)中计算的相对行高，可获得改正后的POS点坐标其中，i＝1，2，3，…，n；

步骤(6)，根据步骤(5)得到的每个改正后的POS点坐标计算同一条航带的第p张像片和第k张像片的像片重叠度，第p张像片对应的POS点坐标为第k张像片对应的POS点坐标为重叠度的计算方法为：

(6.1)计算两POS点间距

(6.2)计算平均航摄比例尺分母：设相机焦距为f，则平均航摄比例尺分母

(6.3)计算像片的旋偏角σ：根据步骤(2.3)所获取的航带，以每条航带的首尾端点的连线为该航带所在的线段，计算各航带所在线段的方向角；设该张像片的航带的方向角为α，则该像片的旋偏角σ为该张像片POS点坐标中κ值与该张像片的航带的方向角α的差值，即σ＝κ-α；；

(6.4)计算像片重叠度：设第p张像片在航向方向像幅大小为w，像元大小为u，则第p张像片和第k张像片的像片重叠度为：

步骤(7)，冗余影像的剔除：根据步骤(6)的计算方法，首先计算第a张像片和第a张相邻的前一张像片的像片重叠度O_a，若O_a＞O_max，则计算第a张相邻的后一张像片和第a张相邻的前一张像片的像片重叠度O_i’，并做如下处理：

①若O_a’<O_min，则保留第a张像片，即保留第a个POS点对应的像片；

②若O_a’>O_min，则剔除第a张像片，即剔除第a个POS点对应的像片；

其中，第a张像片所对应的POS点不为航带的起始点和末端点；O_min为自定义的重叠度最小限值；O_max为自定义的重叠度最大限值；

步骤(8)，设步骤(7)累计剔除像片总数m，则根据步骤(7)累计剔除像片总数作以下处理：

①若m>0，则重复步骤(7)，进行冗余影像的剔除；

②若m＝0，则结束冗余影像的剔除，循环终止，剩余的像片是已经剔除掉重叠度超限的冗余像片后的原始像片集，将其作为输出成果。

进一步，优选的是，步骤(2)具体为：POS数据记录了像片的6个外方位元素，分别为位置坐标(B,L,Z)及旋转角其中平面位置坐标(B,L)为经纬度形式的大地坐标；具体步骤如下：

(2.1)由第一个POS点开始，依次计算每个POS点指向其相邻POS点的向量坐标；设第i个点的平面位置为(B_i,L_i),其中，i＝1，2，3，…，n，该点形成的向量坐标为(B_i+1-B_i,L_i+1-L_i)；总数为n的POS点共生成n-1条POS点向量；

(2.2)计算相邻POS点向量之间的夹角，第i个POS点相邻向量的夹角为n-1条POS点向量形成n-2个夹角；其中i＝2，3，4，…，n-1；

(2.3)根据设定的航线弯曲度限值将同属一条航带的POS点归组，恢复航带；以第一个POS点作为第一条航带的首端点，并从第一个夹角开始，依次比较θ_i和航线弯曲度限值Δθ，如θ_i＜Δθ则认为第i个POS点属于该条航带，反之则断开此航带，生成新航带，并将第i-1个POS点作为该条航带的末端点，第i个POS点作为新航带的起始点；比较完n-2个夹角后，将第n个POS点作为最后一条航带的末端点；

(2.4)以每条航带的首尾端点作为外接多边形的角点，生成完全包含所有POS点的最小外接多边形。

进一步，优选的是，生成完全包含所有POS点的最小外接多边形的具体方法为：

(2.4.1)从第1条航带的首端点开始，依次连接下一条航带的首端点，形成连接了m条航带首端点的折线；

(2.4.2)由第m条航带的首端点，连接第m条航带的末端点；

(2.4.3)从第m条航带的末端点开始，依次连接上一条航带的末端点；

(2.4.4)由第1条航带末端点，连接第1条航带的首端点，形成的闭合多边形即为完全包含所有POS点的最小外接多边形。

进一步，优选的是，航线弯曲度限值Δθ为15°。

进一步，优选的是，O_min为60％。

进一步，优选的是，O_max为80％。

本发明的基本思路是：

(1)在POS数据辅助下，获取测区航飞范围，并从免费DEM数据中裁剪出对应数据，以作为计算影像重叠度所必须的地形参考数据。

(2)在POS数据辅助下，结合地形参考数据，获得相邻像片间的重叠度，并智能判断是否应剔除重叠度过高的冗余影像，以保证在所有影像重叠度均高于最小限值的情况下剔除最多的冗余影像。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明能够在较少参数设置的情况下，完成海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过大的自动处理。相比传统的增加航飞架次以降低重叠度差异或允许存在影像冗余以保证重叠度最小限值等方法，本发明不需要增加额外的航飞架次，就能够在保证所有影像重叠度均高于最小限值的情况下剔除最多的冗余影像，通过对原始数据的精简，可以加快后续DOM的制作效率。

本发明方法具有参数设定简单、不降低DOM制作精度的条件下提升其制作效率等特点。经公司对大部分区域为山地类型的云南省华宁县测区无人机航飞项目的测试，在航飞的45个架次中，重叠度超限的冗余像片剔除的比例平均为18％，将DOM的制作效率提升了20％以上。

附图说明

图1为本发明实施例的总流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本发明技术方案可采用计算机软件技术实现自动运行。如图1所示，实施例的技术方案流程包括以下步骤：

海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，包括如下步骤：

步骤(1)，根据常见项目区域，下载全球免费DEM数据；

步骤(2)，根据无人机航摄所获所有像片对应的POS点坐标其中每一张像片有且仅有一个POS点与之对应；

POS数据记录了像片的6个外方位元素，分别为位置坐标(B,L,Z)及旋转角其中平面位置坐标(B,L)为经纬度形式的大地坐标；具体步骤如下：

(2.1)由第一个POS点开始，依次计算每个POS点指向其相邻POS点的向量坐标；设第i个点的平面位置为(B_i,L_i)，该点形成的向量坐标为(B_i+1-B_i,L_i+1-L_i)；总数为n的POS点共生成n-1条POS点向量；

(2.2)计算相邻POS点向量之间的夹角，第i个POS点相邻向量的夹角为n-1条POS点向量形成n-2个夹角；

(2.3)根据设定的航线弯曲度限值将同属一条航带的POS点归组，恢复航带；以第一个POS点作为第一条航带的首端点，并从第一个夹角开始，依次比较θ_i和航线弯曲度限值Δθ，如θ_i＜Δθ则认为第i个POS点属于该条航带，反之则断开此航带，生成新航带，并将第i-1个POS点作为该条航带的末端点，第i个POS点作为新航带的起始点；比较完n-2个夹角后，将第n个POS点作为最后一条航带的末端点；

(2.4)以每条航带的首尾端点作为外接多边形的角点，生成完全包含所有POS点的最小外接多边形：

(2.4.1)从第1条航带的首端点开始，依次连接下一条航带的首端点，形成连接了m条航带首端点的折线；

(2.4.2)由第m条航带的首端点，连接第m条航带的末端点；

(2.4.3)从第m条航带的末端点开始，依次连接上一条航带的末端点；

(2.4.4)由第1条航带末端点，连接第1条航带的首端点，形成的闭合多边形即为完全包含所有POS点的最小外接多边形。

步骤(3)，以步骤(2)中所获最小外接多边形为掩膜，裁剪步骤(1)中所获DEM数据，得到无人机航飞区DEM数据；

步骤(4)，读取步骤(3)中所获得的无人机航飞区DEM数据，计算每个POS点的相对航高，其方法为：

(4.1)读取DEM数据左上角的起始坐标及像元大小，以横纵像素个数为单位，建立起DEM像素坐标与大地坐标之间的转换关系；

(4.2)将POS点大地坐标(B_i，L_i)转化为像素坐标(R_i，C_i)；

(4.3)以最邻近像元法，取最接近(R_i，C_i)坐标的DEM像素坐标(R_i’,C_i’)，则该DEM像素坐标对应的高程坐标Z_i’为该POS点对应地面海拔；

(4.4)用该POS点的绝对行高Z_i减去对应地面海拔高Z_i’即可获得相对航高H_i，H_i＝Z_i-Z_i’；

其中，i＝1，2，3，…，n；

步骤(5)，将POS点的大地坐标投影到平面，获得以米为单位的投影坐标(X_i,Y_i)；根据步骤(4)中计算的相对行高，可获得改正后的POS点坐标其中，i＝1，2，3，…，n；

步骤(6)，根据步骤(5)得到的每个改正后的POS点坐标计算同一条航带的第p张像片和第k张像片的像片重叠度，第p张像片对应的POS点坐标为第k张像片对应的POS点坐标为重叠度的计算方法为：

(6.1)计算两POS点间距

(6.2)计算平均航摄比例尺分母：设相机焦距为f，则平均航摄比例尺分母

(6.3)计算像片的旋偏角σ：根据步骤(2.3)所获取的航带，以每条航带的首尾端点的连线为该航带所在的线段，计算各航带所在线段的方向角；设该张像片的航带的方向角为α，则该像片的旋偏角σ为该张像片POS点坐标中κ值与该张像片的航带的方向角α的差值，即σ＝κ-α；；

(6.4)计算像片重叠度：设第p张像片在航向方向像幅大小为w，像元大小为u，则第p张像片和第k张像片的像片重叠度为：

步骤(7)，冗余影像的剔除：根据步骤(6)的计算方法，首先计算第a张像片和第a张相邻的前一张像片的像片重叠度O_a，若O_a＞O_max，则计算第a张相邻的后一张像片和第a张相邻的前一张像片的像片重叠度O_i’，并做如下处理：

①若O_a’<O_min，则保留第a张像片，即保留第a个POS点对应的像片；

②若O_a’>O_min，则剔除第a张像片，即剔除第a个POS点对应的像片；

其中，第a张像片所对应的POS点不为航带的起始点和末端点；O_min为自定义的重叠度最小限值；O_max为自定义的重叠度最大限值；

步骤(8)，设步骤(7)累计剔除像片总数m，则根据步骤(7)累计剔除像片总数作以下处理：

①若m>0，则重复步骤(7)，进行冗余影像的剔除；

②若m＝0，则结束冗余影像的剔除，循环终止，剩余的像片是已经剔除掉重叠度超限的冗余像片后的原始像片集，将其作为输出成果。

优选设置航线弯曲度限值Δθ为15°。

优选设置O_min为60％，Omax为80％，但不限于此，在CH/Z 3005-2010规定范围内均可。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤(1)，下载免费DEM数据；

步骤(2)，根据无人机航摄所获所有像片对应的POS点坐标其中每一张像片有且仅有一个POS点与之对应，由第一个POS点开始，依次计算每个POS点指向其相邻POS点的向量坐标，并计算相邻POS点向量之间的夹角；根据设定的航线弯曲度限值将同属一条航带的POS点归组后，由n个POS点共生成m条航带；之后，以每条航带的首尾端点作为外接多边形的角点，生成完全包含所有POS点的最小外接多边形；

其中生成航带的具体方法为：以第一个POS点作为第一条航带的首端点，并从第一个夹角开始，依次比较每个夹角θ_i和航线弯曲度限值Δθ，其中i＝2，3，4，…，n-1，如θ_i＜Δθ，则认为第i个POS点属于该条航带，反之，则断开此航带，生成新航带，并将第i-1个POS点作为该条航带的末端点，第i个POS点作为新航带的起始点；比较完所有夹角后，将最后一个POS点作为最后一条航带的末端点；

步骤(3)，以步骤(2)中所获最小外接多边形为掩膜，裁剪步骤(1)中所获DEM数据，得到无人机航飞区DEM数据；

步骤(4)，读取步骤(3)中所获得的无人机航飞区DEM数据，计算每个POS点的相对航高，其方法为：

(4.1)读取DEM数据左上角的起始坐标及像元大小，以横纵像素个数为单位，建立起DEM像素坐标与大地坐标之间的转换关系；

(4.2)将POS点大地坐标(B_i，L_i)转化为像素坐标(R_i，C_i)；

(4.3)以最邻近像元法，取最接近(R_i，C_i)坐标的DEM像素坐标(R_i’,C_i’)，则该DEM像素坐标对应的高程坐标Z_i’为该POS点对应地面海拔；

(4.4)用该POS点的绝对行高Z_i减去对应地面海拔高Z_i’即可获得相对航高H_i，H_i＝Z_i-Z_i’；

其中，i＝1，2，3，…，n；

步骤(5)，将POS点的大地坐标投影到平面，获得以米为单位的投影坐标(X_i,Y_i)；根据步骤(4)中计算的相对行高，可获得改正后的POS点坐标其中，i＝1，2，3，…，n；

步骤(6)，根据步骤(5)得到的每个改正后的POS点坐标计算同一条航带的第p张像片和第k张像片的像片重叠度，第p张像片对应的POS点坐标为第k张像片对应的POS点坐标为重叠度的计算方法为：

(6.1)计算两POS点间距

(6.2)计算平均航摄比例尺分母：设相机焦距为f，则平均航摄比例尺分母

(6.3)计算像片的旋偏角σ：根据步骤(2.3)所获取的航带，以每条航带的首尾端点的连线为该航带所在的线段，计算各航带所在线段的方向角；设该张像片的航带的方向角为α，则该像片的旋偏角σ为该张像片POS点坐标中κ值与该张像片的航带的方向角α的差值，即σ＝κ-α；；

(6.4)计算像片重叠度：设第p张像片在航向方向像幅大小为w，像元大小为u，则第p张像片和第k张像片的像片重叠度为：

$O_p=\frac{w\&times;u\&times;S_p-d_p}{w\&times;u\&times;S_p}cos\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_p+{\mathrm{\&sigma;}}_k}{2};$

步骤(7)，冗余影像的剔除：根据步骤(6)的计算方法，首先计算第a张像片和第a张相邻的前一张像片的像片重叠度O_a，若O_a＞O_max，则计算第a张相邻的后一张像片和第a张相邻的前一张像片的像片重叠度O_i’，并做如下处理：

①若O_a’<O_min，则保留第a张像片，即保留第a个POS点对应的像片；

②若O_a’>O_min，则剔除第a张像片，即剔除第a个POS点对应的像片；

其中，第a张像片所对应的POS点不为航带的起始点和末端点；O_min为自定义的重叠度最小限值；O_max为自定义的重叠度最大限值；

步骤(8)，设步骤(7)累计剔除像片总数m，则根据步骤(7)累计剔除像片总数作以下处理：

①若m>0，则重复步骤(7)，进行冗余影像的剔除；

②若m＝0，则结束冗余影像的剔除，循环终止，剩余的像片是已经剔除掉重叠度超限的冗余像片后的原始像片集，将其作为输出成果。

2.根据权利要求1所述的海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，其特征在于，步骤(2)具体为：POS数据记录了像片的6个外方位元素，分别为位置坐标(B,L,Z)及旋转角其中平面位置坐标(B,L)为经纬度形式的大地坐标；具体步骤如下：

(2.1)由第一个POS点开始，依次计算每个POS点指向其相邻POS点的向量坐标；设第i个点的平面位置为(B_i,L_i)，该点形成的向量坐标为(B_i+1-B_i,L_i+1-L_i)；总数为n的POS点共生成n-1条POS点向量；

(2.2)计算相邻POS点向量之间的夹角，第i个POS点相邻向量的夹角为n-1条POS点向量形成n-2个夹角；

(2.3)根据设定的航线弯曲度限值将同属一条航带的POS点归组，恢复航带；以第一个POS点作为第一条航带的首端点，并从第一个夹角开始，依次比较θ_i和航线弯曲度限值Δθ，如θ_i＜Δθ则认为第i个POS点属于该条航带，反之则断开此航带，生成新航带，并将第i-1个POS点作为该条航带的末端点，第i个POS点作为新航带的起始点；比较完n-2个夹角后，将第n个POS点作为最后一条航带的末端点；

(2.4)以每条航带的首尾端点作为外接多边形的角点，生成完全包含所有POS点的最小外接多边形。

3.根据权利要求1或2所述的海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，其特征在于，生成完全包含所有POS点的最小外接多边形的具体方法为：

(2.4.1)从第1条航带的首端点开始，依次连接下一条航带的首端点，形成连接了m条航带首端点的折线；

(2.4.2)由第m条航带的首端点，连接第m条航带的末端点；

(2.4.3)从第m条航带的末端点开始，依次连接上一条航带的末端点；

(2.4.4)由第1条航带末端点，连接第1条航带的首端点，形成的闭合多边形即为完全包含所有POS点的最小外接多边形。

4.根据权利要求1或2所述的无人机影像像控分布网构建与航片可选范围匹配方法，其特征在于，航线弯曲度限值Δθ为15°。

5.根据权利要求1所述的海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，其特征在于，O_min为60％。

6.根据权利要求1所述的海拔起伏较大测区无人机影像局部重叠度过高处理的方法，其特征在于，Omax为80％。