CN109238240A - 一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法及其摄影系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于图像采集装置技术领域，具体涉及一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法及其摄影系统。该方法在航飞过程中通过实时获取地形信息、航高信息，并根据实时地形信息、航高信息、航向重叠率、镜头焦距和拍照间隔信息，动态计算出当前最优的飞行速度和曝光间距，并控制无人机按照此最优飞行速度进行航飞拍照作业。摄影系统包括设置在无人机主体上图像采集传感器模块，还包括设置在无人机主体上的且依次连接的地形探测模块、姿态路径规划模块和无人机自主飞行模块。该摄影方法及摄影系统可以在无人机航飞拍摄过程中，获取地形的实时距离信息，从而根据地形的起伏来动态计算无人机飞行的最佳速度，实现自适应地形复杂度，减少冗余照片的数量。
Description
技术领域
本发明属于图像采集装置技术领域，具体涉及一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法及其摄影系统。
背景技术
无人机倾斜摄影技术凭借快速高效、机动灵活、成本低等优势，正慢慢颠覆传统测绘的作业方式，已成为测绘行业“新宠”，将倾斜摄影技术应用到无人机上，实际就是在做一个三维模型，而建立起来的这个模型更加真实，更加直观，更加符合实际。
普通测绘多为正射影像以及二维采集，而无人机倾斜摄影技术则更加真实的反映地物的实际情况，能让用户从多个角度观察地物。与其同时，可直接基于成果影像进行包括高度、长度、面积、角度、坡度等的量测。同时，无人机倾斜摄影技术多角度全方位获取航空影像，其影像的数据格式可采用成熟的技术快速进行网络发布，实现共享应用。根据倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，有效降低城市三维建模成本，这类建筑物侧面纹理可广泛应用于各类三维数字城市应用。
目前，公知的无人机影像数据采集平台通常称为云台系统，云台系统通常包含了图像采集传感器模块和图像传感器控制模块。图像采集传感器模块(一般是相机)用于获取高分辨率的影像数据，图像采集传感器控制模块的主要部件有控制拍照的开关、GPS模块、姿态控制模块等。
云台系统的数据采集要求影像之间，有一定的航向重叠度与旁向重叠度，这样有利于三维重建与影像拼接。传统的云台的拍照方式是定时或者定距的方式，这样其拍照间隔、重叠度和速度都恒定。因此，这种工作方式必然导致了照片量有一定的冗余。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法及其摄影系统，该方法及系统可以在无人机航飞拍摄过程中，获取地形的距离信息，从而动态计算无人机飞行的最佳速度，实现自适应地形复杂度，减少冗余照片的数量。
为实现上述目的，本发明提供了一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法，该方法在航飞过程中通过实时获取地形信息、航高信息，并根据实时地形信息、航高信息、航向重叠率、镜头焦距和拍照间隔信息，动态计算出当前最优的飞行速度和曝光间距，并控制无人机按照此最优飞行速度进行航飞拍照作业。
进一步地，所述获取航高信息的方法为：由激光传感器高速扫描得到点云数据，再由该点云数据快速拟合成一个地形平面，从而获取航高信息。
进一步地，所述获取航高信息的方法为：由光流传感器、超声传感器探测图像采集传感器距离障碍物的高度。
进一步地，所述当前最优的飞行速度uv的计算方法如下：uv＝(hor*w* ht)/(f1*s)，其中hor为航向重叠率，w为CCD的短边长，ht为实时航高，f为镜头焦距，s为图像采集传感器的拍照间隔。
本发明的另一目的在于提出一种顾及地形的无人机倾斜摄影系统，包括无人机主体，还包括设置在无人机主体上的图像采集传感器模块、地形探测模块、姿态路径规划模块和无人机自主飞行模块，所述地形探测模块、姿态路径规划模块和无人机自主飞行模块依次连接；
所述无人机自主飞行模块包括无人机飞行控制单元、动力单元和导航单元，用于根据姿态路径规划模块的实时数据，控制无人机飞行航向，实时调整飞行速度；
所述地形探测模块用于实时探测地形信息和航高信息；
所述姿态路径规划模块，用于根据地形探测模块探测的地形信息和航高信息，结合无人机当前的航向重叠率、镜头焦距和拍照间隔信息，动态计算当前最优的飞行速度；并将当前最优的飞行速度传输至无人机自主飞行模块，控制无人机按照此最优飞行速度进行航飞拍照以提高无人机航飞作业效率。
进一步地，所述地形探测模块为激光传感器，所述激光传感器用于高速扫描得到点云数据，再由该点云数据快速拟合成一个地形平面，从而获取航高信息。
进一步地，所述地形探测模块包括光流传感器和超声传感器，所述光流传感器、超声传感器用于探测图像采集传感器模块距离障碍物的高度。
进一步地，所述当前最优的飞行速度uv的计算方法如下：uv＝(hor*w* ht)/(f*s)，其中hor为航向重叠率，w为CCD的短边长，ht为实时航高，f为图像传感器模块镜头焦距，s为拍照间隔。
进一步地，所述动力单元包括括电机和旋翼，所述电机带动所述旋翼旋转。
进一步地，所述导航单元与GIS地图结合，并且通过GPS连接定位。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的顾及地形的无人机倾斜摄影方法可以在无人机航飞拍摄过程中，获取地形的实时距离信息，从而根据地形的起伏来动态计算无人机飞行的最佳速度，实现自适应地形复杂度，减少冗余照片的数量。
(2)本发明提供顾及地形的无人机倾斜摄影方法及系统采用激光传感器用于高速扫描得到点云数据，再由该点云数据快速拟合成一个地形平面，从而获取航高信息，该方法拟合得到的高程整体性好、精度高，也保证了后续计算实时最佳飞行速度的准确度。
(3)本发明的顾及地形的无人机倾斜摄影系统结构简单，实现了利用简单的数学模型和解算原理，准确计算出实时航飞速度和曝光间距。
附图说明
图1为航向重叠率的原理示意图；
图2为本发明的顾及地形的无人机倾斜摄影系统的模块连接示意图。
具体实施方式
展示一下实例来具体说明本发明的某些实施例，且不应解释为限制本发明的范围。对本发明公开的内容可以同时从材料、方法和反应条件进行改进，所有这些改进，均应落入本发明的的精神和范围之内。
实施例
1.顾及地形的无人机倾斜摄影方法
云台系统的数据采集要求影像之间有一定的航向重叠度与旁向重叠度，这样有利于三维重建与影像拼接。传统的云台的拍照方式其拍照间隔、重叠度和速度都是恒定的，因此必然导致了照片量有一定的冗余。本实施例的一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法，该方法在航飞过程中通过实时获取地形信息、航高信息，并根据实时地形信息、航高信息、航向重叠率、镜头焦距和拍照间隔信息，动态计算出当前最优的飞行速度和曝光间距，并控制无人机按照此最优飞行速度进行航飞拍照作业，这样无人机可自适应地形复杂度，减少冗余照片的数量。具本是通过如下方法实现的：
(1)无人机飞行作业时，首先会根据《CH/Z_3005-2010低空数字航空摄影规范》设置航向重叠率hor和旁向重叠率ver。其中航向重叠度与两个变量相关：无人机的飞行速度uv和相机的拍照间隔s。并且，曝光间距为horDist＝uv*s。与旁向重叠度的投影关系相类似，已知项为CCD的短边w，镜头焦距f，航高h，短边在地面上的覆盖范围len，有公式：w/f＝len/h；(如图1所示)
那么len＝w*h/f；
航向重叠率的推导公式hor＝horDist/len＝(uv*s)/(w*h/f)。
较低的航向重叠率可以提高飞行速度、以达到提高作业效率的目的，较低的航向重叠率也可以减少航线条数，同样可以达到提高作业效率的目的。
(2)实时获取地形信息、航高信息ht
本实施例采用激光传感器以高速的扫描得到点云数据，点云数据快速拟合一个平面，得到一个更科学的高程信息。通过高等数学空间解析几何知识可知，若平面方程为A*x+B*y+C*z+D＝0，则平面法向量就是(A，B，C)。空间中的离散点得到拟合平面，其实这就是一个最优化的过程。即求这些点到某个平面距离最小和的问题。由此，我们知道一个先验消息，那就是该平面一定会过众散点的平均值。根据协方差矩阵的SVD变换，最小奇异值对应的奇异向量就是平面的方向，该奇异向量便是这个平面的法向量。
本实施例中也可以采用光流传感器、超声传感器来探测图像采集传感器模块距离障碍物的高度，该方法测航高更简单。
(3)动态计算出当前最优的飞行速度
由航向重叠率的计算公式可知：无人机的飞行速度uv＝(hor*w*h)/(f*s)，将步骤(2)中获取的实时航高信息ht代入无人机的飞行速度公式获得此时的最佳飞行速度uv＝(hor*w*ht)/(f*s)，其中曝光间距为horDist＝uv*s＝(hor*w*ht)/f。
(4)将步骤(3)计算出的最佳飞行速度实时反馈至无人机设备上，从而达到根据地形起伏来动态调节飞行速度的目的。
2.顾及地形的无人机倾斜摄影系统
基于上述的顾及地形的无人机倾斜摄影方法开发的一套无人机倾斜摄影系统，包括包括无人机主体，还包括设置在无人机主体上的图像采集传感器模块、地形探测模块、姿态路径规划模块和无人机自主飞行模块(如图2所示)。
本实施例中图像采集传感器模块为一相机，用于获取高分辨率的影像数据。地形探测模块为安装在无人机上的激光传感器，用来高速扫描地形得到点云数据，再由该点云数据快速拟合成一个地形平面，从而获取航高信息。姿态路径规划模块用于根据地形探测模块探测的地形信息和航高信息，结合无人机当前的航向重叠率、镜头焦距和拍照间隔信息，动态计算当前最优的飞行速度；并将当前最优的飞行速度传输至无人机自主飞行模块，控制无人机按照此最优飞行速度进行航飞拍照以提高无人机航飞作业效率。当前最优的飞行速度uv的计算方法如下：uv＝(hor*w*ht)/(f*s)，其中hor为航向重叠率，w为CCD的短边长， ht为实时航高，f为图像传感器模块镜头焦距，s为拍照间隔。无人机自主飞行模块包括无人机飞行控制单元、动力单元和导航单元，用于根据姿态路径规划模块的实时数据(包括最佳飞行速度)，控制无人机飞行航向，实时调整飞行速度；其中动力单元包括电机和旋翼，且电机与旋翼连接，带动旋翼旋转；导航单元与GIS地图结合，并且通过GPS连接定位。
本实施例中的激光传感器设置在无人机主体上，激光传感器通过曝光控制接口与主板上的姿态路径规划模块、无人机自主飞行模块的控制单元依次连接。
因此，本发明的摄影方法及摄影系统可以在无人机航飞拍摄过程中，获取地形的实时距离信息，从而根据地形的起伏来动态计算无人机飞行的最佳速度，实现自适应地形复杂度，减少冗余照片的数量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法，其特征在于：该方法在航飞过程中通过实时获取地形信息、航高信息，并根据实时地形信息、航高信息、航向重叠率、镜头焦距和拍照间隔信息，动态计算出当前最优的飞行速度和曝光间距，并控制无人机按照此最优飞行速度进行航飞拍照作业。
2.根据权利要求1所述的一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法，其特征在于，所述获取航高信息的方法为：由激光传感器高速扫描得到点云数据，再由该点云数据快速拟合成一个地形平面，从而获取航高信息。
3.根据权利要求1所述的一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法，其特征在于：所述获取航高信息的方法为：由光流传感器、超声传感器探测图像采集传感器距离障碍物的高度。
4.根据权利要求1所述的一种顾及地形的无人机倾斜摄影方法，其特征在于，所述当前最优的飞行速度uv的计算方法如下：uv＝(hor*w*ht)/(f*s)，其中hor为航向重叠率，w为CCD的短边长，ht为实时航高，f为镜头焦距，s为图像采集传感器的拍照间隔。
5.一种顾及地形的无人机倾斜摄影系统，包括无人机主体，其特征在于，还包括设置在无人机主体上的图像采集传感器模块、地形探测模块、姿态路径规划模块和无人机自主飞行模块，所述地形探测模块、姿态路径规划模块和无人机自主飞行模块依次连接；
所述无人机自主飞行模块包括无人机飞行控制单元、动力单元和导航单元，用于根据姿态路径规划模块的实时数据，控制无人机飞行航向，实时调整飞行速度；
所述地形探测模块用于实时探测地形信息和航高信息；
所述姿态路径规划模块，用于根据地形探测模块探测的地形信息和航高信息，结合无人机当前的航向重叠率、镜头焦距和拍照间隔信息，动态计算当前最优的飞行速度；并将当前最优的飞行速度传输至无人机自主飞行模块，控制无人机按照此最优飞行速度进行航飞拍照以提高无人机航飞作业效率。
6.根据权利要求5所述的一种顾及地形的无人机倾斜摄影系统，其特征在于，所述地形探测模块为激光传感器，所述激光传感器用于高速扫描得到点云数据，再由该点云数据快速拟合成一个地形平面，从而获取航高信息。
7.根据权利要求5所述的一种顾及地形的无人机倾斜摄影系统，其特征在于，所述地形探测模块包括光流传感器和超声传感器，所述光流传感器、超声传感器用于探测图像采集传感器模块距离障碍物的高度。
8.根据权利要求5所述的一种顾及地形的无人机倾斜摄影系统，其特征在于，所述当前最优的飞行速度uv的计算方法如下：uv＝(hor*w*ht)/(f*s)，其中hor为航向重叠率，w为CCD的短边长，ht为实时航高，f为图像传感器模块镜头焦距，s为拍照间隔。
9.根据权利要求5所述的一种顾及地形的无人机倾斜摄影系统，其特征在于，所述动力单元包括括电机和旋翼，所述电机带动所述旋翼旋转。
10.根据权利要求5所述的一种顾及地形的无人机倾斜摄影系统，其特征在于，所述导航单元与GIS地图结合，并且通过GPS连接定位。
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