CN107504957A - 利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，包括以下步骤：收集需要进行测绘的区域地形信息；根据区域地形信息，选择无人机的类型进行空中拍摄；利用控制软件将飞行任务上传到无人机，使其按照预定的飞行高度、飞行轨迹飞行，同时对地面进行多视角拍摄；将收集到的图片利用3D模型生成软件进行处理，重建拍摄地区的三维立体模型。本发明以图像三维重建相关理论为基础，利用多旋翼无人机飞行的稳定性，灵活性进行低空遥感测量，通过无人机航迹规划和多视角摄像实现地理测绘过程的自动化和智能化，提高地理测绘精度和效率，大大减少了地理测绘中的工作量，具有自动化程度高，测量范围大，成本低廉，操作便捷等优点。
Description
技术领域
本发明涉及三维数字地形重建领域，尤其涉及利用无人机进行地面影像采集、并进行三维地形模型构建的方法。
背景技术
基于图像的三维重建是根据若干幅二维图片来恢复物体和场景的三维模型的方法。该方法涉及计算机图像处理、计算机图形学、计算机视觉以及模式识别等诸多学科。与传统的利用建模软件或者三维扫描仪得到立体模型的方法相比，基于图像三维重建的方法成本低廉，真实感强，自动化程度高，因而具有广泛的应用前景。目前，该技术已经成为三维重建的一个研究热点。
基于图像的三维地形重建方法的基本过程是，先利用相机对地面拍摄一系列照片，之后分析拍摄照片中同一目标物体的特征点并进行匹配，相邻照片的重合度越高，特征点的匹配越容易，不同照片的拍摄方位和拍摄角度有一定的差别，通过分析不同照片中的相似特征点计算所拍摄对象的三维特征，从而进行三维重建。照片分辨率越高，照片重合度越高，拍摄角度越多，合成的三维模型的质量越好。
近年来随着无人机技术的发展，相继出现了多种样式和功能的无人机，同时也催生了无人机摄影测量技术。通过无人机可以快速获取大量的地面二维图像，经过三维重建还原拍摄地区的三维地形图，相对于传统的地形测量方式具有操作便捷、测量范围大、成本低、效率高等优点。但是一般的单角度测量无法满足构建高质量三维模型的要求，传统的解决手段是一个无人机上搭载多个角度摄像头，这无疑提高了对无人机负载能力的要求。本方案提出了一种利用软件实现无人机单摄像头多角度自动控制拍摄的方式，能够在不增加无人机负载情况下提高无人机拍摄效率。
发明内容
本发明提供了一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，本发明基于二维图像进行三维重建的原理，结合地形测绘的实际需要，利用无人机搭载高清云台作为新工具，开发相应的Android APP自动控制飞机，并获取地面二维影像，利用三维建模软件进行地形模型构建，详见下文描述：
一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，所述方法包括以下步骤：
收集需要进行测绘的区域地形信息；根据区域地形信息，选择无人机的类型进行空中拍摄；
利用控制软件将飞行任务上传到无人机，使其按照预定的飞行高度、飞行轨迹飞行，同时对地面进行多视角拍摄；
将收集到的图片利用3D模型生成软件进行处理，重建拍摄地区的三维立体模型；
其中，所述飞行轨迹为“几”字形，飞行轨迹参数满足如下要求：
设摄像头FOV角度为θ；相机分辨率为m*n；分辨率要求为x；航线方向照片重合度为η；航线间隔照片重合度为ζ；
则飞行高度H和单张照片拍摄区域的边长的计算公式如下：
a＝m*x；
b＝n*x
航线方向拍照间距满足：
ηx＝m*x*(1-η)
航线间拍照间距满足：
ζx＝n*x*(1-ζ)
其中，a和b为边长；
所述飞行任务包括：飞机的飞行航点规划和云台拍照自动控制，云台分别在前后左右和正朝下共五个方位随着飞机飞行自动进行拍照。
其中，所述无人机为能够进行二次软件开发的多旋翼无人机系列。
其中，所述控制软件具体为：基于开源的移动端开发工具和地图开发工具开发而成，用于显示当前飞行区域的飞行地图，用户点击屏幕选项确定飞行区域和飞行路径，并且选择相应的飞行高度和返航高度。
其中，所述前后左右的水平姿态分别为相对于机身方向的前后左右，同时竖直方向姿态为摄像头与水平方向夹角30度朝下，所述正朝下为摄像头方向与水平方向夹角为90度正朝下。
其中，所述无人机对云台进行五个方向的拍照自动控制是在一次飞行任务中同时完成的，有别于单一方向拍照多次任务和多组摄像头单次任务的控制方式。
所述3D模型生成软件具体为：利用二维平面影像来构建3D模型的软件，通过提取二维图像中的匹配特征点进行三维地形构建，并能输出高程信息。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、针对大面积、高精度，高效率进行地面测绘的需求，在测绘方法上，突破了传统的地面测绘手段，有效地解决了传统人工测绘仪器笨重，操作复杂，测绘时间长，效率低等问题；
2、利用近几年不断发展成熟的无人机作为测绘新工具，其搭载的高清云台能够获取地面高分辨率图像，从而建立高质量的三维地形模型；
3、利用Mobile APP控制无人机，实现其自动飞行和拍照，极大地降低了人工操作的复杂度，使得无人机飞行和拍摄更加精确，提高了获取地面影像的效率；
4、无人机自动控制云台相机进行多角度拍摄，使得获取地面影像能够一次完成，极大地降低了单角度拍摄多次带来的时间成本。
附图说明
图1为无人机云台自动旋转示意图；
图2为航迹规划示意图；
图3为飞机飞行中拍摄节点示意图；
图4为三维地形模型构建图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
近年来随着无人机技术的发展，相继出现了各种各样的无人机，同时也催生了无人机摄影测量技术。相比于有人驾驶飞机的传统航空摄影测量和航天遥感，无人机摄影测量弥补了两者在时间、空间上对地理信息数据获取的不足。其独特的优势在于：
(1)起降灵活、使用方便。相比于有人驾驶飞机，多旋翼无人机重量轻、体积小、结构简单，对起降环境要求低。
(2)低空飞行、分辨率高且能多角度成像。用于低空摄影测量的无人机飞行高度多在几十米到数百米之间，云层对无人机工作影响甚小。由于飞行高度低，搭载的影像传感器能获的2～3cm的高分辨率影像。对于多旋翼无人机摄影测量，在加挂云台的情况下同时具备垂直摄影与倾斜摄影能力，能够在低空环境下从多个角度进行摄影得到高分辨率的建筑物侧面纹理信息。
(3)成本低、易维护。无人机的运行维护费用要远低于有人大飞机航空摄影测量。它不需要专业的运行、保养人员，培养操作手的费用低，甚至现在的一些自主型无人机已经不需要操作手，大大节省了人力资源。
(4)获取影像快捷、时效性强。在业内航线规划等工作充分的情况下，仅需不到一个小时的时间即可完成对小范围区域的影像获取。由于对工作环境的要求低，其工作范围得到扩展，可工作的时间得到延长。
基于以上无人机摄影测量的优势所在，其在各个领域迅速得到推广和使用。其中利用无人机摄影测量获得的高分辨率影像能实现对地理测量、环境定期监测、大比例尺地形图测绘等功能。
此外一些无人机厂商提供了该公司生产的无人机的控制程序硬件层函数库，这些程序都是开源的，使得无人机开发者能够方便地调用这些函数，控制无人机的飞行实现无人机飞行任务的自主定制，飞行控制技术的提高也使得无人机飞行的安全性大大提高，这也是本发明得以实现的技术基础。
实施例1
本发明实施例提供了一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，该方法利用无人机的空间灵活性，能够实现高空多角度摄影测量，具有自动化程度高、测量范围大、成本低廉，以及操作便捷等优点。以某一区域地形测绘为例，上述方法包括以下步骤：
101：收集需要进行测绘的区域地形信息；根据区域地形信息，选择无人机的类型进行空中拍摄；
102：利用控制软件将飞行任务上传到无人机，使其按照预定的飞行高度、飞行轨迹飞行，同时对地面进行多视角拍摄；
103：将收集到的图片利用3D模型生成软件进行处理，重建拍摄地区的三维立体模型。
其中，步骤102中的飞行任务包括：飞机的飞行航点规划和云台拍照自动控制，云台分别在前后左右和正朝下共五个方位随着飞机飞行自动进行拍照。
其中，本发明实施例中的无人机为能够进行二次软件开发的多旋翼无人机系列。
其中，步骤102中的控制软件具体为：
基于开源的移动端开发工具和地图开发工具开发而成，用于显示当前飞行区域的飞行地图，用户点击屏幕选项确定飞行区域和飞行路径，并且选择相应的飞行高度和返航高度。
其中，步骤103中的3D模型生成软件具体为：利用二维平面影像来构建3D模型的软件，通过提取二维图像中的匹配特征点进行三维地形构建，并能输出高程信息。
综上所述，本发明实施例基于二维图像进行三维重建的原理，结合地形测绘的实际需要，利用无人机搭载高清云台作为新工具，开发相应的Android APP自动控制飞机，并获取地面二维影像，利用三维建模软件进行地形模型构建。
实施例2
下面结合图1-图4、以及实例对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：
201：收集需要进行测绘的区域地形信息；
上述区域地形信息包括：测绘区域面积大小、是否存在高楼，为了保证安全，还需要了解附近人流量，是否有开阔区域适合飞机起飞降落等。
具体实现时，本发明实施例对上述具体的信息种类、数量不做限制，根据实际应用中的需要进行选择。
202：根据区域地形信息，选择无人机的类型进行空中拍摄；
其中，根据测绘区域面积大小和风力大小选择合适的无人机和电池数量，多旋翼无人机单次飞行时间有限，所以合理规划飞行路径和拍摄任务显得尤为重要。
例如：设计的飞行轨迹为“几”字形(见附图3)，飞行轨迹参数满足如下要求：
设摄像头FOV角度为θ；相机分辨率为m*n；分辨率要求x(m)；航线方向照片重合度为η；航线间隔照片重合度为ζ。
则飞行高度H(m)和单张照片拍摄区域的边长的计算公式如下：
a＝m*x；
b＝n*x
航线方向拍照间距满足：
ηx＝m*x*(1-η)
航线间拍照间距满足：
ζx＝n*x*(1-ζ)
其中，a和b为边长。
由于在实地拍摄中受太阳阴影的影响，相邻区域的拍摄时间间隔不宜过长，所以拍摄区域一般为方形区域为宜。此外，根据拍摄精度的要求，拍摄区域高地海拔计算拍摄高度、相机焦距和返航高度。确定上述参数之后，为保证生成的三维模型质量，需保证相邻照片具有较高的重合度,可选地重合度值为60％-90％，然后再根据重合度计算确定空中拍照间距。
203：将飞行任务上传到无人机，使其按照预定的飞行高度、飞行轨迹飞行，同时对地面进行多视角拍摄；
其中，上述对无人机的控制是需要通过软件实现，该软件是基于开源的移动端开发工具Mobile SDK和地图开发工具Mobile SDK自主开发而成，能够显示当前飞行区域的飞行地图，用户可以点击屏幕确定飞行区域和飞行路径，并且选择相应的飞行高度和返航高度，所选飞机为能够进行二次软件开发的多旋翼无人机系列，例如可以为：DJI公司的Matrice100。
设置好飞行参数之后，点击上传按钮即可将飞行任务上传至飞机。飞机起飞区域应选择开阔无高大建筑物遮挡的区域，以获得良好的GPS信号。飞行任务中包括飞机的飞行航点规划和云台自动控制，云台能分别在前后左右(此时摄像头的竖直姿态为与水平方向呈特定角度朝下，例如：摄像头与水平方向夹角为30度朝下)和正朝下(此时摄像头与水平方向夹角为正朝下90°)共五个方位在单次任务中随着飞机飞行自动进行拍照。通过多方位拍照可以进一步提高处理后的三维模型质量。
204：将收集到的图片利用3D模型生成软件进行处理，重建拍摄地区的三维立体模型。
其中，3D模型生成软件为利用二维平面影像来构建3D模型的软件，通过提取二维图像中的匹配特征点进行三维地形构建，并且能够输出高程信息。该软件可以为：Smart3D、Pix4D、或PhotoScan等。
以PhotoScan为例，首先导入航拍的地形照片，照片中记录了拍摄地点的经纬度信息和云台俯仰信息；之后依次进行对齐照片，选取成像范围，生成密集点云，生成网格，生成纹理等操作，即可以形成拍摄区域的三维地形模型，当然该区域模型还较为粗糙，需要辅助其他软件进一步优化。
综上所述，本发明实施例基于二维图像进行三维重建的原理，结合地形测绘的实际需要，利用无人机搭载高清云台作为新工具，开发相应的Android APP自动控制飞机，并获取地面二维影像，利用三维建模软件进行地形模型构建。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
收集需要进行测绘的区域地形信息；根据区域地形信息，选择无人机的类型进行空中拍摄；
利用控制软件将飞行任务上传到无人机，使其按照预定的飞行高度、飞行轨迹飞行，同时对地面进行多视角拍摄；
将收集到的图片利用3D模型生成软件进行处理，重建拍摄地区的三维立体模型；
其中，所述飞行轨迹为“几”字形，飞行轨迹参数满足如下要求：
设摄像头FOV角度为θ；相机分辨率为m*n；分辨率要求为x；航线方向照片重合度为η；航线间隔照片重合度为ζ；
则飞行高度H、单张照片拍摄区域的边长的计算公式如下：
<mrow>
<mi>H</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>x</mi>
<msqrt>
<mrow>
<msup>
<mi>m</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>n</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
<mrow>
<mi>tan</mi>
<mfrac>
<mi>&theta;</mi>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
a＝m*x；
b＝n*x
航线方向拍照间距满足：
ηx＝m*x*(1-η)
航线间拍照间距满足：
ζx＝n*x*(1-ζ)
其中，a和b为边长；
所述飞行任务包括：飞机的飞行航点规划和云台拍照自动控制，云台分别在前后左右和正朝下共五个方位随着飞机飞行自动进行拍照。
2.根据权利要求1所述的一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，其特征在于，所述无人机为能够进行二次软件开发的多旋翼无人机系列。
3.根据权利要求1所述的一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，其特征在于，所述控制软件具体为：
基于开源的移动端开发工具和地图开发工具开发而成，用于显示当前飞行区域的飞行地图，用户点击屏幕选项确定飞行区域和飞行路径，并且选择相应的飞行高度和返航高度。
4.根据权利要求1所述的一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，其特征在于，所述前后左右的水平姿态分别为相对于机身方向的前后左右，同时竖直方向姿态为摄像头与水平方向夹角30度朝下。
5.根据权利要求1所述的一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，其特征在于，所述正朝下为摄像头方向与水平方向夹角为90度正朝下。
6.根据权利要求1所述的一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，其特征在于，所述无人机对云台进行五个方向的拍照自动控制是在一次飞行任务中同时完成的，有别于单一方向拍照多次任务和多组摄像头单次任务的控制方式。
7.根据权利要求1所述的一种利用无人机多视角摄像快速进行三维地形模型构建的方法，其特征在于，所述3D模型生成软件具体为：
利用二维平面影像来构建3D模型的软件，通过提取二维图像中的匹配特征点进行三维地形构建，并能输出高程信息。
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