CN108537885B - 山体创面三维地形数据的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山体创面三维地形数据的获取方法,包括：获取山体创面数据，确定飞行范围及飞行高度，确定拍摄距离，确定相邻拍摄点之间的最大距离,确定相邻悬停点的高度差,确定所述拍摄点的起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差；采集图像；根据近景摄影测量原理对所述采集图像进行处理，生成山体创面三维地形数据。能够有效保证图像的重叠率，并且能够有效避免出现山体创面被遮挡的情况。通过设定在每个悬停点的旋转角度，能够拍摄到矿山创面存在凹陷的图像。有效提升了获取山体创面三维地形数据的完整性和准确性。

Description

山体创面三维地形数据的获取方法

技术领域

本发明涉及地形测量技术领域，尤其涉及一种山体创面三维地形数据的获取方法。

背景技术

山体创面通常具有临空面陡峭特点，特别是经人工开采的矿区，容易发生崩塌地质灾害隐患点，由于其创面规模较小，但通常坡度达70-90度，高程变化30米以上，呈星罗棋布，临空面险石林立状。目前，为获取矿山创面三维地形数据，可采用无人机五镜头倾斜摄影方法和激光探测与测量技术(Light Detection And Ranging，Lidar)。

在使用无人机五镜头倾斜摄影方法时，由于山区地势陡峭，为保证飞行安全性，通常需要飞行300-400米的相对高度，以保证高于测区最高点高度。在此高度飞行，获取的影像地面分辨率最高只能达到4-5厘米，难以达到要求的测量精度。并且在创面出现凹陷的情况下，采用无人机五镜头倾斜摄影方法容易发生遮挡，影像无法完全覆盖，从而导致创面地形数据出现丢失现象，局部区域将无法量测。以及在矿山创面距离无人机的相对距离不一致时，会导致产生获取影像的地面分辨率大小不一和影像变形明显的问题。

采用Lidar技术,则存在如下问题:第一，Lidar设备整合了IMU、GPS、成像装置和激光扫描仪等设备，实施项目需要昂贵的硬件设备。第二，由于矿山创面存在遮挡，凹陷等情况，数据集中就会出现没有数据的部分，这部分称为数据缝隙，导致部分裂缝数据采集不全现象。同时，位于数据缝隙的高程数据可能与实际情况存在较大的差异。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种山体创面三维地形数据的获取方法，以解决现有技术中获取山体创面三维地形数据完整性和准确性较低的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种山体创面三维地形数据的获取方法，包括：

获取山体创面的周边环境影像数据，根据所述周边环境影像数据确定飞行范围及飞行高度；

根据预设分辨率和图像采集设备参数，确定与创面之间的拍摄距离；

根据拍摄距离和预设旁向重叠度确定相邻拍摄点之间的最大距离,并根据最大高度、最小高度和所述最大距离确定拍摄点的数量和所述拍摄点的高度；

根据所述山体创面的高度、所述拍摄点与创面之间的拍摄距离、图像采集设备参数和预设影像重叠度确定所述拍摄点的相邻悬停点的高度差；

根据预设的影像重叠度确定所述拍摄点的起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差；

根据所述拍摄点、拍摄点的相邻悬停点的高度差起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差采集图像；

根据近景摄影测量原理对所述采集图像进行处理，生成山体创面三维地形数据。

进一步的，所述方法还包括：

设置图像全站仪测站点，利用所述图像全站仪测量像控点的三维坐标信息，并记录所述像控点的数字影像；

相应的，在所述根据所述拍摄站点和起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差采集图像之后，根据近景摄影测量原理对所述采集图像进行处理，生成山体创面三维地形数据之前，还包括：

根据所述像控点的数字影像和三维坐标信息对采集到的图像进行坐标配准，以将所述采集到的图像坐标由自由坐标系转换为标准坐标系。

进一步的，所述根据预设分辨率和图像采集设备参数，确定与创面之间的拍摄距离，包括：

采用如下方式计算与创面之间的拍摄距离：

其中：S为拍摄距离，f为摄影镜头焦距，；GSD为预设分辨率，a为像元尺寸，L为矿山创面高度，θ为矿山创面坡度。

进一步的，所述根据拍摄距离和预设旁向重叠度确定相邻拍摄点之间的最大距离，包括：

采用如下方式计算相邻拍摄点之间的最大距离：

其中，D为相邻拍摄点之间的最远距离，Hmid为山体创面的平均高度，S为拍摄点与矿山创面底部的距离，f为摄影镜头焦距，SensorSize为相机成像尺寸，Py为影像的旁向重叠度。

进一步的，所述根据所述山体创面的高度、所述拍摄点与创面之间的拍摄距离、图像采集设备参数和预设影像重叠度确定所述拍摄点的相邻悬停点的高度差，包括：

采用如下方式计算所述拍摄点的相邻悬停点的高度差

其中，△H为相邻悬停点的高度差，H为当前悬停点的飞行高度，S为拍摄点与矿山创面底部的距离，f为摄影镜头焦距，SensorSize为相机成像尺寸，Py为影像的旁向重叠度。

更进一步的，所述根据预设的影像重叠度确定所述拍摄点的起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差，包括：

根据拍摄的山体创面的弧度确定起始拍摄角度和终止拍摄角度；

根据图像采集设备参数计算每次拍摄旋转角度的范围，根据所述范围选取每次拍摄的角度差；

所述根据图像采集设备参数计算每次拍摄旋转角度的范围，包括：

采用如下方式计算所述每次拍摄旋转角度的范围：

其中，α为旋转角度，f为摄影镜头焦距，SensorSize为相机成像尺寸，Px为影像的航向重叠度。

本发明实施例提供的山体创面三维地形数据的获取方法，通过确定山体创面三维地形数据的采集范围和高度以及要求的分辨率，计算与山体创面的拍摄距离；并根据预设旁向重叠度确定相邻拍摄点的最大距离。并根据高度范围确定拍摄点的高度。在确定拍摄点的高度后，进而确定每个拍摄点内的悬停点高度差，以及在每个悬停点的起始、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差，根据上述参数采集图像，并根据近景摄影测量原理对采集的图像进行处理，最终生成山体创面三维数据。与传统方式相比，设定了合理的拍摄点，并设定了拍摄点的悬停点，能够有效保证图像的重叠率，并且能够有效避免出现山体创面被遮挡的情况。通过设定在每个悬停点的旋转角度，能够拍摄到矿山创面存在凹陷的图像。有效提升了获取山体创面三维地形数据的完整性和准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例一提供的山体创面三维地形数据的获取方法的流程示意图；

图2是本发明实施例一提供的山体创面三维地形数据的获取方法中在拍摄点悬停拍摄的示意图；

图3是本发明实施例二提供的山体创面三维地形数据的获取方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一提供的山体创面三维地形数据的获取方法的流程图，本实施例可适用于获取山体创面三维地形数据的情况，尤其适用于获取陡峭山体创面三维地形数据的情况。

参见图1，所述山体创面三维地形数据的获取方法，包括：

S110,获取山体创面的周边环境影像数据，根据所述周边环境影像数据确定飞行范围及飞行高度。

采用无人机垂直摄影的方式获取周边环境影像数据。根据矿山创面在周边环境影像中的位置及范围确定测区范围。同时需要考虑测区的最低高度和最高高度及图像采集设备性能。所述测区的最低高度和最高高度可以根据环境影像或者实际测量结果得到。示例性的，可以通过如下方式计算飞行高度。

其中，H为飞行高度，f为摄影镜头焦距，GSD为地面分辨率，Zmax为测区最高高度，a为像元尺寸。

例如：相机的CCD尺寸23.4×15.6mm，6000×4000像素，焦距f＝18mm，像元大小＝3.9um。需要获取矿山创面三维地形数据的矿山高度约60米，宽约50米，坡度约80-90度，要求所获取影像的地面分辨率优于2厘米。根据预设影像的地面分辨率和图像采集设备性能，可以确定飞行范围为以矿区底部中心点为中心，向东西南北方向各外扩100米作为航摄范围。以确保采集到图像信息完整且符合要求。其高度为

S120，根据预设分辨率和图像采集设备参数，确定与创面底部之间的拍摄距离。

山体创面的倾斜角度不同，为了保证无人机的安全，需要控制无人机与山体创面保持一定的距离。并且在该距离采集到的山体创面图像应该满足采集图像的最小预设分辨率并保持一致。通常，山体底部外延突出最大。因此，需要根据预设分辨率和图像采集设备参数，计算与创面底部之间的拍摄距离。

示例性的，可以通过如下方式计算与创面底部之间的拍摄距离：

其中，S为与矿山创面底部的距离，即摄影距离，f为摄影镜头焦距，GSD为预设地面分辨率，a为像元尺寸，L为矿山创面高度，θ为山体创面坡度。

S130，根据拍摄距离和预设旁向重叠度确定相邻拍摄点之间的最大距离,并根据最大高度、最小高度和所述最大距离确定拍摄点的数量和所述拍摄点的高度。

由于山体创面经常出现凹陷的情况,在一个固定位置采集山体创面图像时会产生遮挡,导致创面地形数据出现丢失的情况。因此，在本发明实施例中，需要设定不同的拍摄点以满足获取图像数据无丢失遗漏的要求。

通常，为了方便多张地形图像拼接，每张图像之间都会存在重叠部分。旁向重叠像片重叠是指相邻像片相同影像的重叠。因此，可以根据上述方法得到的拍摄距离和预设旁向重叠度确定相邻拍摄点之间的最大距离。示例性的，可以通过上述方式得到相邻拍摄点之间的最大距离：

其中：D为相邻拍摄点之间的最远距离，Hmid代表山体创面的平均高度，S为拍摄点与矿山创面底部的距离，f为摄影镜头焦距，SensorSize代表相机成像尺寸，Py为影像的旁向重叠度，θ为山体创面坡度。

根据上述公式可以计算得到相邻拍摄点之间的最远距离，根据测量时飞行的最高高度和最低高度可以确定拍摄点的数量，在最后一段距离不满足最远距离的情况下，可以增加一个拍摄点。相应的，即可以确定每个拍摄点的高度。并结合上述方法中确定的与创面之间的拍摄距离，即可确定每个拍摄点具体的相对位置坐标。

S140，根据所述山体创面的高度、所述拍摄点与创面之间的拍摄距离、图像采集设备参数和预设影像重叠度确定所述拍摄点的相邻悬停点的高度差。

通过上述多个拍摄点进行山体创面图像采集时，虽然能够减少由于地形产生遮挡导致的图像信息不完整的问题，但仍然可能会产生少量信息不完整的问题，或者产生分辨率较低的问题。因此，在本实施例中，在每个拍摄点内部设定多个悬停点，无人机可在每个悬停点悬停，并在悬停点拍摄山体创面图像。每个拍摄点可以包括至少一个悬停点。悬停点的数量和高度差可以根据预设影像重叠度确定。

示例性的，可以通过如下方式计算相邻悬停点的高度差：

其中，△H为相邻悬停点的高度差，H为当前悬停点的飞行高度，S为拍摄点与矿山创面底部的距离，f为摄影镜头焦距，SensorSize代表相机成像尺寸，Py为影像的旁向重叠度。

例如：在每个摄站位置上，为保证相邻悬停高度的影像重叠度不低于70％，根据创面高度、摄影距离、相机参数，确定无人机悬停的最高高度为70米，最低高度为20米，可以依据上述公式按照如下计算方式确定每相邻悬停点的高度差为10米。

高度H＝70m时，ΔH≤11.9取ΔH＝10

高度H＝60m时，ΔH≤11.7取ΔH＝10

高度H＝50m时，ΔH≤11.5取ΔH＝10

高度H＝40m时，ΔH≤11.3取ΔH＝10

高度H＝30m时，ΔH≤11取ΔH＝10。

S150，根据预设的影像重叠度确定所述拍摄点的起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差。

在山体创面中经常会出现凹陷的情况，如果单纯只在某一点采集山体创面图像，难以体现山体创面凹陷。因此，在本实施例中，可以设定在具体的某一拍摄位置的拍摄角度范围和每次拍摄之间的旋转角度差。示例性的，所述拍摄点的起始拍摄角度和终止拍摄角度可以根据凹陷情况确定。通常起始拍摄角度和终止拍摄角度可以为0°和180°。对于一些凹陷比较严重的山体创面，则其实拍摄角度和终止拍摄角度可以分别为0°和360°，以更好的体现山体创面的凹陷情况。图2是本发明实施例一提供的山体创面三维地形数据的获取方法中在拍摄点悬停拍摄的示意图，参见图2，可以看出无人机在一个测量点中有多个悬停点，并在每个悬停点按照旋转角度在进行旋转拍摄。

示例性的，所述每次拍摄的角度差，可以通过如下方式计算：

其中，α为旋转角度，即每次拍摄的角度差，f为摄影镜头焦距，SensorSize为相机丞相尺寸，Px为影像的航向重叠度。所述航向重叠度可以是指相邻像片相同影像的重叠。

例如：根据创面的边界，拍摄点的位置和相机参数确定相机的起始拍摄角度为0度、最终的拍摄角度为180度、依据上述方式计算确定连续拍摄的角度差为15度。

取Px＝70％

α≤18.4可以取α＝15度。

S160,根据所述拍摄点、拍摄点的相邻悬停点的高度差起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差采集图像。

按照上述计算确定的拍摄点、拍摄点的相邻悬停点的高度差起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差控制无人机飞行并采集图像。

S170，根据近景摄影测量原理对所述采集图像进行处理，生成山体创面三维地形数据。

近景摄影测量是利用立体坐标通常把近景摄影仪安置在两个不同位置的固定测点，仪量测象片上各观测点三维坐标的一种方法。利用现有的解析方法可以对上述采集的图像进行处理，可以采用惯用的航空摄影各坐标系。对采集到的图像进行预处理，例如滤波和增强等，并将预处理后的图像进行特征提取和影响匹配，最后经过计算将采集图像转换为山体创面的三维空间信息。

本实施例提供的山体创面三维地形数据的获取方法，通过确定山体创面三维地形数据的采集范围和高度以及要求的分辨率，计算与山体创面的拍摄距离；并根据预设旁向重叠度确定相邻拍摄点的最大距离。并根据高度范围确定拍摄点的高度。在确定拍摄点的高度后，进而确定每个拍摄点内的悬停点高度差，以及在每个悬停点的起始、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差，根据上述参数采集图像，并根据近景摄影测量原理对采集的图像进行处理，最终生成山体创面三维数据。通过利用无人机对矿山创面进行近距离悬停拍摄，可使获得高地面分辨率的影像。并可根据矿山创面的形状，调整无人机与矿山创面的距离，确保所获取影像的地面分辨率保持一致，且通过人工调整无人机的姿态使影像能全面覆盖整个矿山创面，确保矿山创面细节不丢失。可对矿山创面进行正面垂直拍摄，所获取的影像变形较小，获取的矿山创面的三维地形数据量测精度更高。通过无人机获取的影像制作的三维地形数据能对整个矿山创面实现全覆盖，不丢失细节。可能根据需要量测任意两点之间的距离和局部区域的面积等。

实施例二

图2为本发明实施例二提供的山体创面三维地形数据的获取方法的流程示意图。本实施例以上述实施例为基础进行优化，在本实施例中，所述方法还包括：设置图像全站仪测站点，利用所述图像全站仪测量像控点的三维坐标信息，并记录所述像控点的数字影像；相应的，在所述根据所述拍摄站点和起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差采集图像之后，根据近景摄影测量原理对所述采集图像进行处理，生成山体创面三维地形数据之前，还包括：根据所述像控点的数字影像和三维坐标信息对采集到的图像进行坐标配准，以将所述采集到的图像坐标由自由坐标系转换为标准坐标系。

相应的，本实施例所提供的山体创面三维地形数据的获取方法，具体包括：

S210,获取山体创面的周边环境影像数据，根据所述周边环境影像数据确定飞行范围及飞行高度。

S220,根据预设分辨率和图像采集设备参数，确定与创面之间的拍摄距离。

S230,根据拍摄距离和预设旁向重叠度确定相邻拍摄点之间的最大距离,并根据最大高度、最小高度和所述最大距离确定拍摄点的数量和所述拍摄点的高度。

S240,根据所述山体创面的高度、所述拍摄点与创面之间的拍摄距离、图像采集设备参数和预设影像重叠度确定所述拍摄点的相邻悬停点的高度差。

S250,根据预设的影像重叠度确定所述拍摄点的起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差。

S260,根据所述拍摄点、拍摄点的相邻悬停点的高度差起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差采集图像。

S270,设置图像全站仪测站点，利用所述图像全站仪测量像控点的三维坐标信息，并记录所述像控点的数字影像。

根据所拍摄相片的空间分布情况和近景摄影测量对像控点的要求，布设矿山创面的像控点。根据成图精度，选择合适的位置设置图像全站仪观测点，以使得图像全站仪获取的像控点精度达到成图精度的1/5-1/10以上。采用图像全站仪获取矿山创面的像控点三维坐标信息数据和像控点附近的数字影像，保证矿山创面的周边环境影像数据和侧面细节影像数据的可量测性。图像全站仪是将数字近景摄影测量和全站仪相结合的测绘产品。图像全站仪拓展了全站仪的功能,具有影像记录的功能,提高了作业效率。根据所拍摄相片的空间分布情况和近景摄影测量对像控点的要求，共布设像控点20个。根据成果精度的要求，选择距离创面20米的地方设置图像全站仪测站点，图像全站仪在测量像控点三维坐标信息的同时记录目标的数字影像,通过近景摄影测量技术实现矿山创面地形可量测性，无棱镜测距功能使摄影测量真正实现了无接触测量。

S280,根据所述像控点的数字影像和三维坐标信息对采集到的图像进行坐标配准，以将所述采集到的图像坐标由自由坐标系转换为标准坐标系。

利用全站仪测站点的已知坐标，可以计算得出每个像控点的坐标，并且可以根据采集到的图像与像控点进行匹配，确定图像中与所述像控点匹配的图像点进行坐标配准，以实现将图像坐标由原有自由坐标系例如航空坐标系转换为标准坐标系，例如北京-54坐标系等。

S290,根据近景摄影测量原理对所述采集图像进行处理，生成山体创面三维地形数据。

本实施例通过增加如下步骤：设置图像全站仪测站点，利用所述图像全站仪测量像控点的三维坐标信息，并记录所述像控点的数字影像；相应的，在所述根据所述拍摄站点和起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差采集图像之后，根据近景摄影测量原理对所述采集图像进行处理，生成山体创面三维地形数据之前，增加如下步骤：根据所述像控点的数字影像和三维坐标信息对采集到的图像进行坐标配准，以将所述采集到的图像坐标由自由坐标系转换为标准坐标系。可以利用全站仪测量的像控点，实现采集图像与已知坐标点的配准，实现采集图像的地形数据对应的原有自由坐标系与标准坐标系的转换。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (5)

1.一种山体创面三维地形数据的获取方法，其特征在于，所述方法包括：

获取山体创面的周边环境影像数据，根据所述周边环境影像数据确定飞行范围及飞行高度；

根据预设分辨率和图像采集设备参数，确定与创面之间的拍摄距离；

根据拍摄距离和预设旁向重叠度确定相邻拍摄点之间的最大距离,并根据最大高度、最小高度和所述最大距离确定拍摄点的数量和所述拍摄点的高度；

根据所述山体创面的高度、所述拍摄点与创面之间的拍摄距离、图像采集设备参数和预设纵向影像重叠度确定所述拍摄点的相邻悬停点的高度差；

根据预设的纵向影像重叠度确定所述拍摄点的起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差；

根据所述拍摄点、拍摄点的相邻悬停点的高度差起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差采集图像；

根据近景摄影测量原理对所述采集图像进行处理，生成山体创面三维地形数据；

所述根据拍摄距离和预设旁向重叠度确定相邻拍摄点之间的最大距离，包括：

采用如下方式计算相邻拍摄点之间的最大距离：

，

其中，D为相邻拍摄点之间的最远距离， Hmid为山体创面的平均高度， S为拍摄点与矿山创面底部的距离，f为摄影镜头焦距， SensorSize为相机成像尺寸，Py为影像的旁向重叠度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

设置图像全站仪测站点，利用所述图像全站仪测量像控点的三维坐标信息，并记录所述像控点的数字影像；

相应的，在所述根据所述拍摄站点和起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差采集图像之后，根据近景摄影测量原理对所述采集图像进行处理，生成山体创面三维地形数据之前，还包括：

根据所述像控点的数字影像和三维坐标信息对采集到的图像进行坐标配准，以将所述采集到的图像坐标由自由坐标系转换为标准坐标系。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设分辨率和图像采集设备参数，确定与创面之间的拍摄距离，包括：

采用如下方式计算与创面之间的拍摄距离：

，

其中：S为拍摄距离， f为摄影镜头焦距， GSD为预设分辨率，a为像元尺寸，L为矿山创面高度，θ为矿山创面坡度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述山体创面的高度、所述拍摄点与创面之间的拍摄距离、图像采集设备参数和预设影像重叠度确定所述拍摄点的相邻悬停点的高度差，包括：

采用如下方式计算所述拍摄点的相邻悬停点的高度差

，

其中，△H为相邻悬停点的高度差， H为当前悬停点的飞行高度， S为拍摄点与矿山创面底部的距离，f为摄影镜头焦距， SensorSize为相机成像尺寸， Py为影像的旁向重叠度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的影像重叠度确定所述拍摄点的起始拍摄角度、终止拍摄角度和每次拍摄的角度差，包括：

根据拍摄的山体创面的弧度确定起始拍摄角度和终止拍摄角度；

根据图像采集设备参数计算每次拍摄旋转角度的范围，根据所述范围选取每次拍摄的角度差；

所述根据图像采集设备参数计算每次拍摄旋转角度的范围，包括：

采用如下方式计算所述每次拍摄旋转角度的范围：

，

其中，

为旋转角度，f为摄影镜头焦距，SensorSize为相机成像尺寸， Px为影像的航向 重叠度。

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