CN107514993B - 基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法及系统，其中所述数据采集方法包括以下步骤：S₁、获取所述单体建筑的建筑高度h₁和旁向重叠度P₁；S₂、根据所述建筑高度h₁生成若干环绕所述侧面的侧面航线；S₃、控制所述无人机依次沿所述侧面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述侧面的底端至顶端的数据采集，相邻两个所述侧面航线间的所述像片满足所述旁向重叠度P₁。本发明提供的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法及系统采用测量型无人机对单体建筑进行三维航线环绕数据采集，通过对侧面航线的规划实现了全方位快速便捷地获取建筑物的精确信息，解决了传统航空摄影测量后建筑物侧面信息丢失的问题。

Description

基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法及系统

技术领域

本发明涉及测量型无人机的航线规划及数据采集技术领域，特别涉及一种基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法及系统。

背景技术

三维GIS(Geographic Information System，地理信息系统)是当今乃至未来GIS技术的主要标志性内容之一，它突破了空间信息在二维地图平面中单调表现的束缚，为各行各业以及人们的日常生活提供了更有效的辅助决策支持。对于建筑业和测绘领域，可量测的三维模型至关重要。

无人机遥感技术是目前通过近低空获取地表信息的手段之一，它采用无线电遥控设备及地面控制系统进行操控，具有体积小、重量轻、飞行速度缓慢以及拍摄范围广等优势。由于这种技术具有快速、安全、经济等特点，已经成为世界各国研究的热点，逐步从开发实验向实际应用方向过渡。测量型无人机是利用先进的无人驾驶技术、传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、全球卫星导航技术、定位定姿技术和遥感等技术，快速获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并可进行实时处理、建模和分析。

目前，测量型无人机的航线规划大多局限于二维环境，而实际应用中需要对复杂目标进行三维建模，所以航线规划需要扩展到三维，即解决三维建模的覆盖问题。计算机视觉及控制领域的研究主要集中于在未知环境下的SLAM(simultaneous localization andmapping，并行定位与地图构建)，以及SfM(Struct from Motion，运动恢复结构)，但SLAM技术构建的地图仅为无人机避障导航所用，精度不高且存在一定的信息缺失；而SfM多为研究如何从多张异质高重叠像片构建三维模型，并不关心怎样的航线规划才能满足“高重叠”的要求。也有一些需要对三维建模的覆盖问题进行规划的研究，如历史建筑保护、林业建模等，文献《Time-optimal UAV trajectory planning for3D urban structure coverage》针对三维城市进行覆盖规划研究，但其将三维建筑抽象成包围盒，其结果可能存在遮挡等不完整的情形。目前测绘行业所应用的三维建模方式多为航空倾斜摄影测量，因飞行高度不会低于建筑物的高度且摄影角度固定，所以会造成建筑物下半部或者被遮挡的部分拍不到。即存在不可避免的遮挡，致使获取的建筑物的侧面纹理信息不完整。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中面对单体建筑建模时通过测量型无人机拍摄采集的单体建筑的侧面纹理信息不完整最终导致建模结果精细化程度低的缺陷，提供一种能够全方位快速、便捷地获取单体建筑的精确信息以完成单体建筑精细化建模的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法及系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供了一种基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，所述单体建筑包括侧面，其特点在于，所述数据采集方法包括以下步骤：

S₁、获取所述单体建筑的建筑高度h₁和旁向重叠度P₁；

S₂、根据所述建筑高度h₁生成若干环绕所述侧面的侧面航线；

S₃、控制所述无人机依次沿所述侧面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述侧面的底端至顶端的数据采集，相邻两个所述侧面航线间的所述像片满足所述旁向重叠度P₁。

本方案中，单体建筑的侧面数量不限，可以是圆弧形围成的一个侧面，也可以是若干个侧面拼接成的建筑物的侧面。

本方案中，采集的数据为了满足单体建筑精细化建模的要求，两相邻航带像片之间需要有一定的影像重叠，这种重叠影像部分称为旁向重叠度。本方案中，采用若干环绕单体建筑侧面的侧面航线，并控制无人机沿这些侧面航线飞行并拍摄像片，能够有针对性的对侧面中的每个拍摄面都完成从底端至顶端的数据采集，由此能够保证单体建筑的侧面的信息均被拍摄到且满足了高重叠的要求，避免了现有技术中采用的航线及拍摄方式拍摄不到侧面存在遮挡的地方，导致获取的侧面纹理信息不完整的问题。

本方案中，通过对侧面航线的规划使得无人机能够环绕单体建筑的侧面专门针对侧面进行数据采集，由此采集的建筑物侧面信息纹理完整，解决了传统航空摄影测量后建筑物侧面信息丢失的问题，进而保证了根据采集的数据进行建模后的结果精细且准确，提高了建模的质量。另外，本方案航线规划完成后只要无人机沿着规划的航线飞行并拍摄像片即可，所以操作方式简单方便，另外本方案采集单体建筑的侧面信息完整且满足重叠度的要求，所以后续针对拍摄的像片通过三维建模软件对单体建筑进行三维重建时处理效率高，有效降低了建模成本；本方案操作简单方便，非专业人员也可以借助它快速获得单体建筑的三维模型。

较佳地，所述侧面航线间相互平行。

本方案中，侧面航线间相互平行，可以是水平方向平行，也可以是垂直方向平行。

较佳地，步骤S₂中采用航空摄影测量的航线规划方法生成所述侧面航线。

本方案中，将每一个拍摄面都作为航空摄影测量的物方对象来看，利用航空摄影测量的航线规划，该航线满足重叠度的要求。

较佳地，所述无人机携带有相机；

步骤S₂之前还包括以下步骤：获取所述无人机的安全高度h₂，预设所述相机距拍摄面的初始距离d，预设拍摄角度θ的值，fov₁/2<θ≤45°，其中，fov₁表示所述相机的垂直视场角；

步骤S₂包括以下步骤：

S₂₁、判断h₂是否小于h₁+d*tanθ，若是则执行步骤S₂₂，若否则执行步骤S₂₃；

S₂₂、针对所述侧面的高度大于或等于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第一侧面航线，所述第一侧面航线距离所述侧面的距离等于d，所述第一侧面航线沿垂直方向间隔分布；针对所述侧面的高度小于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第二侧面航线，所有第二侧面航线的高度相同，所述第二侧面航线沿水平方向间隔分布，执行步骤S₃；

S₂₃、生成若干环绕所述侧面的第三侧面航线，所述第三侧面航线的高度为h₂，所述第三侧面航线沿水平方向间隔分布，执行步骤S₃。

本方案中，针对无人机飞行时存在安全高度的情况进行技术改进，在安全高度位置拍摄的正射影像可能会无法拍摄到单体建筑物靠近地面的部分，会导致建筑物表面信息的丢失。

本方案中，根据单体建筑物的高度与无人机的安全高度的关系进行了不同的航线规划。当安全高度小于h₁+d*tanθ时，生成两组侧面航线，对于高于安全高度的部分，生成第一侧面航线，对于安全高度以下的部分，生成第二侧面航线，如此航线规划保证能够获取到单体建筑的侧面靠近地面的部分的纹理信息，进而保证了根据采集的数据进行建模后的结果达到精细化建模的要求。当安全高度大于或等于h₁+d*tanθ时，生成第三侧面航线，所有第三侧面航线的高度均为h₂，也就是此时单体建筑侧面的信息采集均由无人机在高于单体建筑的高度的第三侧面航线上拍摄获取。

较佳地，当h₂小于h₁+d*tanθ时，步骤S₃中控制所述无人机依次沿所述侧面航线飞行并拍摄像片包括以下步骤：控制所述无人机依次沿所述第一侧面航线飞行并采用垂直摄影的方式拍摄像片，控制所述无人机依次沿所述第二侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ；

当h₂大于或等于h₁+d*tanθ时，步骤S₃中控制所述无人机依次沿所述侧面航线飞行并拍摄像片包括以下步骤：控制所述无人机依次沿所述第三侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ。

本方案中，对于采用倾斜摄影的方式进行拍摄像片的情况，倾斜角度可以依靠无人机与相机之间的云台实现，依靠云台的俯视拍摄，以满足像片旁向重叠度的要求。

本方案中，对于第一侧面航线，其针对的是高于或等于安全高度的建筑物的侧面的部分，此时无人机采用垂直摄影的方式拍摄像片，此时云台的角度为0°，每条第一侧面航线距离拍摄面的距离均为d，第一侧面航线间存在高度差，该高度差需要满足旁向重叠度的要求。对于第二侧面航线，其针对的是低于安全高度的建筑物的侧面的部分，此时无人机采用倾斜摄影的方式拍摄像片，此时云台的角度为θ，每条第二侧面航线的高度都是相同的。航线间水平距离同样需要满足旁向重叠度的要求。

较佳地，所述第一侧面航线的航线间隔B1的计算公式为：

本方案中，第一侧面航线的航线间隔B1需要满足旁向重叠度的要求，这样才能保证后续通过三维建模软件处理获取的像片进行建模时达到建模精细化的要求。航线间隔由旁向重叠度、距拍摄面距离以及相机检校后已知的数据经过计算得到。

较佳地，所有第三侧面航线中离所述侧面距离第i近的第三侧面航线为第i条第三侧面航线，所述第i条第三侧面航线距离所述侧面的水平距离为D3_i，其中i为大于0的自然数，D3₁的计算公式为：

D3_i+1的计算公式为：

本方案中，第三侧面航线的高度为h₂，沿水平方向间隔分布，每条第三侧面航线距离拍摄面的距离必须满足一定的要求才能保证沿第三侧面航线飞行对单体建筑的侧面进行信息采集时达到重叠度的要求。

本方案提供的第三侧面航线距离所述侧面的水平距离公式能够使得无人机沿第三侧面航线飞行拍摄的像片满足重叠度的要求，从而保证获取单体建筑物的侧面信息的完整性。

较佳地，所述第二侧面航线的高度为，

所有第二侧面航线中离所述侧面距离第j近的第二侧面航线为第j条第二侧面航线，所述第j条第二侧面航线距离所述侧面的水平距离为D2_j，其中j为大于0的自然数，D2₁的计算公式为：

D2₁＝d；

D2_j+1的计算公式为：

本方案中，第二侧面航线的高度的设定使得相机拍摄建筑物安全高度以下部分时的初始角度仍然能够采用θ，如此设定获取的像片方便后续通过三维建模软件处理，进而加快建模速度。

较佳地，所述单体建筑还包括顶面，所述数据采集方法还包括以下步骤：

对所述顶面采用航空摄影测量的航线规划方法生成顶面航线；

步骤S₃中还包括控制所述无人机沿所述顶面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述顶面的数据采集。

本方案中，单体建筑的顶面采用航空摄影测量的航线规划方法生成顶面航线，该航线可以选用S型，此时仍然需要满足旁向重叠度的要求，从而实现顶面数据的完整采集。

较佳地，步骤S₃之前还包括以下步骤：预设航向重叠度P₂；

步骤S₃中拍摄像片时的拍照间隔B2的计算公式为：

其中fov₂表示所述相机的水平视场角。

本方案中，针对沿侧面航线拍摄像片时拍照间隔计算公式中fov₂使用的是相机的水平视场角，如果是针对沿顶面航线拍摄相片时的拍照间隔，此时所使用的相机的视场角需要根据相机设置的实际情况进行调整。拍照间隔的设置能够使得按照规划航线飞行获取的照片达到精细化建模的要求。

较佳地，所述单体建筑还包括面与面衔接处，所述数据采集方法还包括以下步骤：

步骤S₃中还包括在所述面与面衔接处增拍像片以满足四度或四度以上的重叠。

对于单体建筑，存在面与面衔接处像片重叠的问题。无人机在拍摄单个面的过程中像片采用近似正射拍摄，如若每个面都正射，面的边缘处的点可能会只出现在单张或两张像片上，导致边缘处无法进行准确的立体前方交会，出现边缘空洞或面与面无法正确拼接。本方案在面与面衔接处加拍若干像片，如加拍两张相片，从而使得夹角处的像片与同航道上转弯前后的两张像片以及相邻上下两条航道的像片满足四度及四度以上的重叠。

本方案中，所述面与面衔接处包括侧面与侧面衔接处以及侧面与顶面衔接处。

本发明还提供一种基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，所述单体建筑包括侧面，其特点在于，所述数据采集系统包括参数获取模块、航线生成模块和数据采集模块；

所述参数获取模块用于获取所述单体建筑的建筑高度h₁和旁向重叠度P₁；

所述航线生成模块用于根据所述建筑高度h₁生成若干环绕所述侧面的侧面航线；

所述数据采集模块用于控制所述无人机依次沿所述侧面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述侧面的底端至顶端的数据采集，相邻两个所述侧面航线间的所述像片满足所述旁向重叠度P₁。

较佳地，所述侧面航线间相互平行。

较佳地，所述航线生成模块中采用航空摄影测量的航线规划方法生成所述侧面航线。

较佳地，所述无人机携带有相机；

所述参数获取模块还用于获取所述无人机的安全高度h₂，预设所述相机距拍摄面的初始距离d，预设所述相机斜向下拍摄角度θ的值，fov₁/2<θ≤45°，其中，fov₁表示所述相机的垂直视场角；

所述航线生成模块包括判断模块、第一侧面航线生成模块、第二侧面航线生成模块和第三侧面航线生成模块；

所述判断模块用于判断h₂是否小于h₁+d*tanθ，若是则调用所述第一侧面航线生成模块和所述第二侧面航线生成模块，若否则调用所述第三侧面航线生成模块；

所述第一侧面航线生成模块用于针对所述侧面的高度大于或等于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第一侧面航线，所述第一侧面航线距离所述侧面的距离等于d，所述第一侧面航线沿垂直方向间隔分布；所述第二侧面航线生成模块用于针对所述侧面的高度小于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第二侧面航线，所有第二侧面航线的高度相同，所述第二侧面航线沿水平方向间隔分布，调用所述数据采集模块；

所述第三侧面航线生成模块用于生成若干环绕所述侧面的第三侧面航线，所述第三侧面航线的高度为h₂，所述第三侧面航线沿水平方向间隔分布，调用所述数据采集模块。

较佳地，所述数据采集模块包括第一数据采集模块和第二数据采集模块；

所述第一数据采集模块用于在h₂小于h₁+d*tanθ时控制所述无人机依次沿所述第一侧面航线飞行并采用垂直摄影的方式拍摄像片，所述第一数据采集模块还用于控制所述无人机依次沿所述第二侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ；

所述第二数据采集模块用于在h₂大于或等于h₁+d*tanθ时控制所述无人机依次沿所述第三侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ。

较佳地，所述第一侧面航线的航线间隔B1的计算公式为：

较佳地，所有第三侧面航线中离所述侧面距离第i近的第三侧面航线为第i条第三侧面航线，所述第i条第三侧面航线距离所述侧面的水平距离为D3_i，其中i为大于0的自然数，D3₁的计算公式为：

D3_i+1的计算公式为：

较佳地，所述第二侧面航线的高度为，

所有第二侧面航线中离所述侧面距离第j近的第二侧面航线为第j条第二侧面航线，所述第j条第二侧面航线距离所述侧面的水平距离为D2_j，其中j为大于0的自然数，D2₁的计算公式为：

D2₁＝d；

D2_j+1的计算公式为：

较佳地，所述单体建筑还包括顶面；所述航线生成模块还包括顶面航线生成模块，所述顶面航线生成模块用于对所述顶面采用航空摄影测量的航线规划方法生成顶面航线；所述数据采集模块还包括顶面数据采集模块，所述顶面数据采集模块用于控制所述无人机沿所述顶面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述顶面的数据采集。

较佳地，所述参数获取模块还用于预设航向重叠度P₂；所述数据采集模块中拍摄像片时的拍照间隔B2的计算公式为：

其中fov₂表示所述相机的水平视场角。

较佳地，所述单体建筑还包括面与面衔接处，所述数据采集模块还用于在所述面与面衔接处增拍像片以满足四度或四度以上的重叠。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法及系统采用测量型无人机对单体建筑进行三维航线环绕数据采集，通过对侧面航线的规划实现了全方位快速便捷地获取建筑物的精确信息，解决了传统航空摄影测量后建筑物侧面信息丢失的问题。本发明提高了单体建筑三维重建的效率，降低了成本，且操作简单方便，非专业人员也可以借助它快速获得单体建筑的三维模型。

附图说明

图1为本发明实施例1的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法的流程图。

图2为本发明实施例2的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法的流程图。

图3为本发明实施例3的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统的结构示意图。

图4为本发明实施例3中航线生成模块的结构示意图。

图5为本发明实施例3中数据采集模块的结构示意图。

图6为本发明基于无人机的面向单体建筑建模的三维航线规划出的一航线示意图。

图7为本发明基于无人机的面向单体建筑建模的三维航线规划出的另一航线示意图。

图8为本发明中航向重叠度和旁向重叠度的示意图。

图9为本发明中拍照间隔和航道间隔计算示意图。

图10为本发明中面与面衔接处加拍两张像片的示意图。

图11为本发明中为满足相机斜向下θ条件的第一条航线的第一张像片拍摄范围示意图。

图12为本发明中倾斜摄影时斜向下θ角度循环向下拍摄下一航线像片拍摄范围示意图。

图13为本发明中安全高度小于建筑物高度与距拍摄面初始距离之和条件下的示意图。

图14为基于本发明进行单体建筑建模的工作流程图。

图15为基于本发明进行某变电站实验测试建模结果图。

图16为图15中某变电站实地测量距离与模型量测距离差值示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，一种基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，所述单体建筑包括顶面、若干侧面和面与面衔接处，所述无人机携带有相机，所述数据采集方法包括以下步骤：

步骤101、获取所述单体建筑的建筑高度h₁、无人机的安全高度h₂，预设旁向重叠度P₁和航向重叠度P₂、预设相机距拍摄面的初始距离d、预设拍摄角度θ的值，fov₁/2<θ≤45°，其中，fov₁表示相机的垂直视场角；

步骤102、判断h₂是否小于h₁+d*tanθ，若是则执行步骤103；

步骤103、针对侧面的高度大于或等于安全高度h₂的部分生成若干环绕侧面的第一侧面航线，第一侧面航线距离待拍摄的侧面的距离等于d，第一侧面航线沿垂直方向间隔分布，第一侧面航线间相互平行，第一侧面航线的航线间隔B1的计算公式为：

针对侧面的高度小于安全高度h₂的部分生成若干环绕待拍摄的侧面的第二侧面航线，第二侧面航线沿水平方向间隔分布，第二侧面航线间相互平行，所有第二侧面航线的高度相同，所述第二侧面航线的高度为，

所有第二侧面航线中离所述侧面距离第j近的第二侧面航线为第j条第二侧面航线，所述第j条第二侧面航线距离所述侧面的水平距离为D2_j，其中j为大于0的自然数，D2₁的计算公式为：

D2₁＝d；

D2_j+1的计算公式为：

步骤104、对所述顶面采用航空摄影测量的航线规划方法生成顶面航线；

步骤105、将所有航线进行排序形成最终的三维航线规划，控制所述无人机依次沿航线飞行并拍摄像片，具体包括以下步骤：

控制所述无人机依次沿所述第二侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ，拍摄像片时的拍照间隔B2的计算公式为：

相邻两个所述第二侧面航线间的所述像片满足所述旁向重叠度P₁，在面与面衔接处增拍像片以满足四度或四度以上的重叠；

控制所述无人机依次沿所述第一侧面航线飞行并采用垂直摄影的方式拍摄像片，在面与面衔接处增拍像片以满足四度或四度以上的重叠；

控制所述无人机沿所述顶面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述顶面的数据采集，相邻两个顶面航线间的所述像片满足所述旁向重叠度P₁。

本实施例中，控制所述无人机沿航线飞行并拍摄像片在具体实施时实现方式不限，可以是通过程序控制使得无人机自动沿航线飞行并拍照。

本实施例提供的数据采集方法针对安全高度小于建筑物高度和d*tanθ的和的情况，生成两组侧面航线，对于高于安全高度的部分，生成第一侧面航线，对于安全高度以下的部分，生成第二侧面航线，如此航线规划保证能够获取到单体建筑的侧面靠近地面的部分的纹理信息。同时针对单体建筑的顶面进行航线规划，采用测量型无人机对单体建筑进行三维航线环绕数据采集，能够有针对性的对侧面中的每个拍摄面都完成从底端至顶端的数据采集，由此能够保证单体建筑的侧面的信息均被拍摄到且满足了高重叠的要求，避免了现有技术中采用的航线及拍摄方式拍摄不到侧面存在遮挡的地方，导致获取的侧面纹理信息不完整的问题。本实施例通过对侧面航线的规划实现了全方位快速便捷地获取建筑物的精确信息，解决了传统航空摄影测量后建筑物侧面信息丢失的问题。

实施例2

如图2所示，与实施例1不同的是本实施例中h₂大于h₁+d*tanθ，所述数据采集方法包括以下步骤：

步骤201、获取所述单体建筑的建筑高度h₁、无人机的安全高度h₂，预设旁向重叠度P₁、预设航向重叠度P₂、预设相机距拍摄面的初始距离d、预设拍摄角度θ的值，fov₁/2<θ≤45°，其中，fov₁表示相机的垂直视场角；

步骤202、对所述顶面采用航空摄影测量的航线规划方法生成顶面航线；

步骤203、判断h₂是否小于h₁+d*tanθ，若否则执行步骤204；

步骤204、生成若干环绕侧面的第三侧面航线，第三侧面航线的高度为h₂，第三侧面航线沿水平方向间隔分布，第三侧面航线间相互平行，所有第三侧面航线中离所述侧面距离第i近的第三侧面航线为第i条第三侧面航线，所述第i条第三侧面航线距离所述侧面的水平距离为D3_i，其中i为大于0的自然数，D3₁的计算公式为：

D3_i+1的计算公式为：

执行步骤205；

步骤205、控制所述无人机沿所述顶面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述顶面的数据采集，相邻两个顶面航线间的所述像片满足所述旁向重叠度P₁；

控制所述无人机依次沿所述第三侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ，拍摄像片时的拍照间隔B2的计算公式为：

其中fov₂表示所述相机的水平视场角，在所述面与面衔接处增拍像片以满足四度或四度以上的重叠。

本实施例提供的数据采集方法针对安全高度大于或等于建筑物高度和d*tanθ的和的情况，生成第三侧面航线，所有第三侧面航线的高度均为h₂，也就是此时单体建筑侧面的信息采集均由无人机在高于单体建筑的高度的第三侧面航线上拍摄获取，如此航线规划保证能够获取到单体建筑的侧面靠近地面的部分的纹理信息。同时针对单体建筑的顶面进行航线规划，采用测量型无人机对单体建筑进行三维航线环绕数据采集，能够有针对性的对侧面中的每个拍摄面都完成从底端至顶端的数据采集，由此能够保证单体建筑的侧面的信息均被拍摄到且满足了高重叠的要求，避免了现有技术中采用的航线及拍摄方式拍摄不到侧面存在遮挡的地方，导致获取的侧面纹理信息不完整的问题。本实施例通过对侧面航线的规划实现了全方位快速便捷地获取建筑物的精确信息，解决了传统航空摄影测量后建筑物侧面信息丢失的问题。

实施例3

如图3至5所示，一种基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统1，所述单体建筑包括顶面、若干侧面和面与面衔接处，所述无人机携带有相机，所述数据采集系统1包括参数获取模块11、航线生成模块12和数据采集模块13；所述航线生成模块12包括判断模块1201、顶面航线生成模块1202、第一侧面航线生成模块1203、第二侧面航线生成模块1204和第三侧面航线生成模块1205；所述数据采集模块13包括顶面数据采集模块1301、第一数据采集模块1302和第二数据采集模块1303。

所述参数获取模块11用于获取所述单体建筑的建筑高度h₁和无人机的安全高度h₂，所述参数获取模块11还用于预设旁向重叠度P₁和航向重叠度P₂、预设所述相机距拍摄面的初始距离d、预设所述相机斜向下拍摄角度θ的值，fov₁/2<θ≤45°，其中，fov₁表示所述相机的垂直视场角；所述数据采集模块13中拍摄像片时的拍照间隔B2的计算公式为：

其中fov₂表示所述相机的水平视场角；

所述判断模块1201用于判断h₂是否小于h₁+d*tanθ，若是则调用所述第一侧面航线生成模块1203和所述第二侧面航线生成模块1204，若否则调用所述第三侧面航线生成模块1205；

所述顶面航线生成模块1202用于对所述顶面采用航空摄影测量的航线规划方法生成顶面航线；

所述第一侧面航线生成模块1203用于针对所述侧面的高度大于或等于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第一侧面航线，所述第一侧面航线距离所述侧面的距离等于d，所述第一侧面航线沿垂直方向间隔分布，所述第一侧面航线的航线间隔B1的计算公式为：

所述第二侧面航线生成模块1204用于针对所述侧面的高度小于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第二侧面航线，所述第二侧面航线沿水平方向间隔分布，所有第二侧面航线的高度相同，所述第二侧面航线的高度为，

所有第二侧面航线中离所述侧面距离第j近的第二侧面航线为第j条第二侧面航线，所述第j条第二侧面航线距离所述侧面的水平距离为D2_j，其中j为大于0的自然数，D2₁的计算公式为：

D2₁＝d；

D2_j+1的计算公式为：

调用所述第一数据采集模块1302；

所述第三侧面航线生成模块1205用于生成若干环绕所述侧面的第三侧面航线，所述第三侧面航线的高度为h₂，所述第三侧面航线沿水平方向间隔分布，所有第三侧面航线中离所述侧面距离第i近的第三侧面航线为第i条第三侧面航线，所述第i条第三侧面航线距离所述侧面的水平距离为D3_i，其中i为大于0的自然数，D3₁的计算公式为：

D3_i+1的计算公式为：

调用所述第二数据采集模块1303。

所述第一数据采集模块1302用于在h₂小于h₁+d*tanθ时控制所述无人机依次沿所述第一侧面航线飞行并采用垂直摄影的方式拍摄像片，所述第一数据采集模块1302还用于控制所述无人机依次沿所述第二侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ，所述第一数据采集模块1302还用于在所述面与面衔接处增拍像片以满足四度或四度以上的重叠；

所述第二数据采集模块1303用于在h₂大于或等于h₁+d*tanθ时控制所述无人机依次沿所述第三侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ，所述第一数据采集模块1302还用于在所述面与面衔接处增拍像片以满足四度或四度以上的重叠；

所述顶面数据采集模块1301用于控制所述无人机沿所述顶面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述顶面的数据采集，相邻两个顶面航线间的所述像片满足所述旁向重叠度P₁。

下面继续通过具体的例子，进一步说明本发明的技术方案和技术效果。

对于一栋复杂异形单体建筑，为了全面获取其信息，对于携带单个相机的无人机来说，本发明采用从以下三方面进行航线规划：侧面与顶面航线规划、面与面衔接处的航线规划、底边优化的航线规划。

侧面与顶面航线规划：若将每一个面都作为航空摄影测量的物方对象来看，利用航空摄影测量的航线规划，该航线需要满足一定的重叠度要求。同一条航线内相邻像片之间的影像重叠称为航向重叠，重叠部分与整个像幅长的百分比称为重叠度，一般要求在60％以上。两相邻航带像片之间也需要有一定的影像重叠，这种重叠影像部分称为旁向重叠度，旁向重叠度要求30％左右。

面与面衔接处的航线规划：对于单体建筑，存在面与面衔接处像片重叠的问题。无人机在拍摄单个面的过程中所有像片都是近似正射的，如若每个面都正射，面的边缘处的点可能会只出现在单张或两张像片上，导致边缘处无法进行准确的立体前方交会，出现边缘空洞或面与面无法正确拼接。因此，需要对边缘处增拍像片。在面与面衔接处加拍两张像片，使夹角处的像片与同航道上转弯前后的两张像片以及相邻上下两条航道的像片满足四度以上的重叠。面与面衔接处包括侧面与侧面衔接处以及侧面与顶面衔接处。

底边优化的航线规划：由于无人机飞行时存在安全高度，所以在安全高度位置拍摄的正射影像可能会无法拍摄到建筑物靠近地面的部分，会导致信息丢失。对于这种情况，本发明提出如下解决方案，依靠云台的俯视拍摄，以满足像片旁向重叠度的要求，具体方案可分两种情况进行讨论：

第一种：安全高度h₂大于或等于建筑物高度h₁与距拍摄面初始距离d*tanθ之和(h₂≥h₁+d*tanθ)；

第二种：安全高度h₂小于建筑物高度h₁与距拍摄面初始距离d*tanθ之和(h₂<h₁+d*tanθ)。

如图6和图7所示，为基于无人机的面向单体建筑建模的三维航线规划出的两种航线的示意图。

对于侧面与顶面航线规划，如图8所示，航向重叠度和旁向重叠度为：

式(1)和式(2)中：l_x，l_y表示像幅的边长；p_x，p_y表示航向和旁向重叠影像部分的边长；P_x％，P_y％表示航向重叠度和旁向重叠度，以百分数表示。

对于侧面与顶面的航线规划，如图9所示，拍照间隔和航道间隔可以由重叠度P、距拍摄面距离d以及相机检校后已知的数据经过计算得到：

式(3)中：D表示拍照间隔或航道间隔，d表示距拍摄面距离，P％表示重叠度，fov表示相机视场角。对于顶面的航线，拍照间隔取的fov值为相机垂直视场角，航道间隔取的fov值为水平视场角；对于侧面的航线，拍照间隔取的fov值为相机水平视场角，航道间隔取的fov值为垂直视场角。

如图10所示，在面与面衔接处加拍两张像片，使夹角处的像片与同航道上转弯前后的两张像片以及相邻上下两条航道的像片满足四度以上的重叠。其中面与面衔接处包括侧面与侧面衔接处以及侧面与顶面衔接处。

对于底边优化的航线规划，首先定义距离拍摄面最近的航线为第1条航线，距离建筑物侧面的水平距离为d₁，距离拍摄面第i近的航线为第i条航线，距离建筑物侧面的水平距离为d_i，该位置由前一航线移动Δd_i得到。

拍摄角度定为θ，其中大于是为了保证为正，45°为倾斜摄影测量经验值。

定义安全高度为h₂，建筑物高度h₁，距拍摄面初始距离为d。

对于h₂≥h₁+d*tanθ这一情况，如图11所示，由于此时如果处于安全高度h₂与距拍摄面初始距离d的交点位置拍摄，第1条航线拍摄像片的云台角度将大于限定角度θ，所以选择向远离建筑物方向移动Δd₁，使指向建筑物角点的角度为θ，得到第1条航线距建筑物侧面距离为d₁的拍摄点。

d₁＝d+Δd₁ (5)

此时如果在建筑物面上以安全高度位置的点为原点，以竖直向下为正方向建立一维坐标系，即可得到此时相机所能拍摄到在此坐标系上的最上方点坐标y₁及最下方点坐标y₂

Δy＝y₂-y₁ (8)

式中：fov为相机垂直视场角，Δy为坐标差。

根据重叠度P_y％，下一航线相片必须与此相片保持一定的重叠，如图12所示，在此坐标系中要求长度满足重叠，因此下一航线像片的最上方点坐标y₁′计算出。为避免出现无基线摄影，将无人机向远离建筑物方向移动Δd_i+1米，此时最下方点坐标y₂′即可通过与y₁′之间的关系得到：

y₁′＝y₂-Δy*P_y％ (9)

d_i+1＝d_i+Δd_i+1 (11)

如果y₂′小于安全高度值h₂，将得到的y₁′与y₂′代入(8)式，进行(8)-(12)的循环至y₂′两次大于h₂，即可得到拍摄至地面所有拍摄航线所在位置距建筑物侧面的水平距离d_i。

对于h₂<h₁+d*tanθ这种情况，此时将建筑物看成两部分，安全高度以上部分采用垂直摄影方式得到侧面信息，安全高度以下部分采用倾斜摄影，如果同样采用θ摄影的方式，需要上升高度Δh使相机拍摄下半部分时的初始角度为θ。Δh的确定如图13所示，垂直摄影测量的第一张像片的云台角度定为0°，同样按照上述方法以安全高度位置的点为原点，以竖直向下为正方向建立一维坐标系，可以得到此时拍摄到建筑物侧面的最上方点及最下方点之间的长度y。

由于重叠度P_y％固定，所以以θ拍摄的靠近拍摄面的第一条航线的第一张相片的最下方点位置是固定的，即图13中y₁′位置，所以上升的高度可以分为两段，第一段Δh₁为安全高度与y₁′之间的高度差，第二段Δh₂为y₁′与拍摄高度之间的高度差。

Δh＝Δh₁+Δh₂ (16)

此时同样每次向左移动来避免出现无基线摄影，以此时的高度h₂′为原点向下为正方向重新建立一维坐标系，可以得到此时最上方点坐标y₁及最下方点坐标y₂以及坐标差Δy。

h₂′＝h₂+Δh (17)

此时拍摄可以等价于h₂≥h₁+d*tanθ，等价安全高度h₂′通过(17)式获得，初始距离d₁即为距拍摄面距离d，将y₁、y₂和d₁带入(8)-(12)式进行循环至y₂′两次大于h₂′，记录过程中所有水平距离d_i，即为所需的全部拍摄距离。

基于本发明提供的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法及系统进行实地测量实验，实验使用的无人机是自行组装的六旋翼无人机，采用开源飞控PIXHAWK(一种飞行控制系统)，GPS(全球定位系统)选用M8N(一种GPS芯片)，相机采用经检校的SonyILCE-6000(索尼的一款相机)，配备35mm(毫米)镜头，其水平视场角为36°，垂直视场角为27°。

根据本发明设计了自动三维航线规划程序，可以勾勒出建筑轮廓并输入相应参数，程序自动生成飞行计划，具体工作流程如图14所示。航线规划程序对于规则建筑可以进行较为精确的航线规划。

实验对象为某变电站，无人机安全飞行高度设为40m(米)，飞行速度5m/s(米/秒)，相机焦距设定为35mm，共拍摄167张像片。

利用三维建模软件，匹配各张像片的同名点，构建三维模型结果如图15所示。

为检验建模精度，对该建筑进行了实地测量，采用拓普康ES-100(一种仪器型号)全站仪，共测量了该建筑物上30个特征点，随机选取了20组数据计算点与点之间距离，与建模软件模型量测结果进行对比，对比结果如图13与表1所示。

从图16和下表1可以获知，建筑模型长度误差为19cm(厘米)左右，最大误差为51cm，最小误差为0cm，中误差为17cm，可满足单体建筑精细化建模的要求。

表1

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，所述单体建筑包括侧面，其特征在于，所述数据采集方法包括以下步骤：

S₁、获取所述单体建筑的建筑高度h₁和旁向重叠度P₁；

S₂、根据所述建筑高度h₁生成若干环绕所述侧面的侧面航线；

S₃、控制所述无人机依次沿所述侧面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述侧面的底端至顶端的数据采集，相邻两个所述侧面航线间的所述像片满足所述旁向重叠度P₁；

所述无人机携带有相机；

步骤S₂之前还包括以下步骤：获取所述无人机的安全高度h₂，预设所述相机距拍摄面的初始距离d，预设拍摄角度θ的值，fov₁/2<θ≤45°，其中，fov₁表示所述相机的垂直视场角；

步骤S₂包括以下步骤：

S₂₁、判断h₂是否小于h₁+d*tanθ，若是则执行步骤S₂₂，若否则执行步骤S₂₃；

S₂₂、针对所述侧面的高度大于或等于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第一侧面航线，所述第一侧面航线距离所述侧面的距离等于d，所述第一侧面航线沿垂直方向间隔分布；针对所述侧面的高度小于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第二侧面航线，所有第二侧面航线的高度相同，所述第二侧面航线沿水平方向间隔分布，执行步骤S₃；

S₂₃、生成若干环绕所述侧面的第三侧面航线，所述第三侧面航线的高度为h₂，所述第三侧面航线沿水平方向间隔分布，执行步骤S₃。

2.如权利要求1所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，其特征在于，所述侧面航线间相互平行。

3.如权利要求1所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，其特征在于，步骤S₂中采用航空摄影测量的航线规划方法生成所述侧面航线。

4.如权利要求1所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，其特征在于，

当h₂小于h₁+d*tanθ时，步骤S₃中控制所述无人机依次沿所述侧面航线飞行并拍摄像片包括以下步骤：控制所述无人机依次沿所述第一侧面航线飞行并采用垂直摄影的方式拍摄像片，控制所述无人机依次沿所述第二侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ；

当h₂大于或等于h₁+d*tanθ时，步骤S₃中控制所述无人机依次沿所述侧面航线飞行并拍摄像片包括以下步骤：控制所述无人机依次沿所述第三侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ。

5.如权利要求1所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，其特征在于，

所述第一侧面航线的航线间隔B1的计算公式为：

6.如权利要求1所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，其特征在于，

所有第三侧面航线中离所述侧面距离第i近的第三侧面航线为第i条第三侧面航线，所述第i条第三侧面航线距离所述侧面的水平距离为D3_i，其中i为大于0的自然数，D3₁的计算公式为：

D3_i+1的计算公式为：

7.如权利要求1所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，其特征在于，

所述第二侧面航线的高度为，

所有第二侧面航线中离所述侧面距离第j近的第二侧面航线为第j条第二侧面航线，所述第j条第二侧面航线距离所述侧面的水平距离为D2_j，其中j为大于0的自然数，D2₁的计算公式为：

D2₁＝d；

D2_j+1的计算公式为：

8.如权利要求1至7任一项所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，其特征在于，所述单体建筑还包括顶面，所述数据采集方法还包括以下步骤：

对所述顶面采用航空摄影测量的航线规划方法生成顶面航线；

步骤S₃中还包括控制所述无人机沿所述顶面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述顶面的数据采集。

9.如权利要求1至7任一项所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，其特征在于，

步骤S₃之前还包括以下步骤：预设航向重叠度P₂；

步骤S₃中拍摄像片时的拍照间隔B2的计算公式为：

其中fov₂表示所述相机的水平视场角。

10.如权利要求9所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集方法，其特征在于，所述单体建筑还包括面与面衔接处，所述数据采集方法还包括以下步骤：

步骤S₃中还包括在所述面与面衔接处增拍像片以满足四度或四度以上的重叠。

11.一种基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，所述单体建筑包括侧面，其特征在于，所述数据采集系统包括参数获取模块、航线生成模块和数据采集模块；

所述参数获取模块用于获取所述单体建筑的建筑高度h₁和旁向重叠度P₁；

所述航线生成模块用于根据所述建筑高度h₁生成若干环绕所述侧面的侧面航线；

所述数据采集模块用于控制所述无人机依次沿所述侧面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述侧面的底端至顶端的数据采集，相邻两个所述侧面航线间的所述像片满足所述旁向重叠度P₁；

所述无人机携带有相机；

所述参数获取模块还用于获取所述无人机的安全高度h₂，预设所述相机距拍摄面的初始距离d，预设所述相机斜向下拍摄角度θ的值，fov₁/2<θ≤45°，其中，fov₁表示所述相机的垂直视场角；

所述航线生成模块包括判断模块、第一侧面航线生成模块、第二侧面航线生成模块和第三侧面航线生成模块；

所述判断模块用于判断h₂是否小于h₁+d*tanθ，若是则调用所述第一侧面航线生成模块和所述第二侧面航线生成模块，若否则调用所述第三侧面航线生成模块；

所述第一侧面航线生成模块用于针对所述侧面的高度大于或等于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第一侧面航线，所述第一侧面航线距离所述侧面的距离等于d，所述第一侧面航线沿垂直方向间隔分布；所述第二侧面航线生成模块用于针对所述侧面的高度小于所述安全高度h₂的部分生成若干环绕所述侧面的第二侧面航线，所有第二侧面航线的高度相同，所述第二侧面航线沿水平方向间隔分布，调用所述数据采集模块；

所述第三侧面航线生成模块用于生成若干环绕所述侧面的第三侧面航线，所述第三侧面航线的高度为h₂，所述第三侧面航线沿水平方向间隔分布，调用所述数据采集模块。

12.如权利要求11所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，其特征在于，所述侧面航线间相互平行。

13.如权利要求11所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，其特征在于，所述航线生成模块中采用航空摄影测量的航线规划方法生成所述侧面航线。

14.如权利要求11所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集模块包括第一数据采集模块和第二数据采集模块；

所述第一数据采集模块用于在h₂小于h₁+d*tanθ时控制所述无人机依次沿所述第一侧面航线飞行并采用垂直摄影的方式拍摄像片，所述第一数据采集模块还用于控制所述无人机依次沿所述第二侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ；

所述第二数据采集模块用于在h₂大于或等于h₁+d*tanθ时控制所述无人机依次沿所述第三侧面航线飞行并采用倾斜摄影的方式拍摄像片，倾斜角度等于θ。

15.如权利要求11所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，其特征在于，

所述第一侧面航线的航线间隔B1的计算公式为：

16.如权利要求11所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，其特征在于，

所有第三侧面航线中离所述侧面距离第i近的第三侧面航线为第i条第三侧面航线，所述第i条第三侧面航线距离所述侧面的水平距离为D3_i，其中i为大于0的自然数，D3₁的计算公式为：

D3_i+1的计算公式为：

17.如权利要求11所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，其特征在于，

所述第二侧面航线的高度为，

所有第二侧面航线中离所述侧面距离第j近的第二侧面航线为第j条第二侧面航线，所述第j条第二侧面航线距离所述侧面的水平距离为D2_j，其中j为大于0的自然数，D2₁的计算公式为：

D2₁＝d；

D2_j+1的计算公式为：

18.如权利要求11至17任一项所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，其特征在于，所述单体建筑还包括顶面；

所述航线生成模块还包括顶面航线生成模块，所述顶面航线生成模块用于对所述顶面采用航空摄影测量的航线规划方法生成顶面航线；

所述数据采集模块还包括顶面数据采集模块，所述顶面数据采集模块用于控制所述无人机沿所述顶面航线飞行并拍摄像片，以完成对所述顶面的数据采集。

19.如权利要求11至17任一项所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，其特征在于，

所述参数获取模块还用于预设航向重叠度P₂；

所述数据采集模块中拍摄像片时的拍照间隔B2的计算公式为：

其中fov₂表示所述相机的水平视场角。

20.如权利要求19所述的基于无人机的面向单体建筑建模的数据采集系统，其特征在于，所述单体建筑还包括面与面衔接处，所述数据采集模块还用于在所述面与面衔接处增拍像片以满足四度或四度以上的重叠。