CN109631854B - 一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，该方法包括以下步骤：一、拍摄参数获取及规则板的布设；二、裂缝图像的采集及传输；三、坐标系的建立；四、裂缝图像变形系数获取及物方坐标获取；步骤五、物方坐标至地理坐标的转换参数获取；步骤六、矿区采煤塌陷裂缝数据的获取。本发明方法步骤简单，设计合理，仅规则板实现坐标转换参数和变形系数的获取，另外减少坐标转换累积的误差，处理过程简单，确保获取裂缝参数的准确性，实用性强。

Description

一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法

技术领域

本发明属于矿区采煤塌陷裂缝测定技术领域，尤其是涉及一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法。

背景技术

矿区采煤塌陷区地貌地形复杂，常规测量实施困难，同时，地下大规模采煤导致的地表塌陷裂缝分布规律复杂，目前常规测量时采用全站仪进行测量，但是实施困难，且只能获得采煤塌陷裂缝的大致分布，无法得到采煤塌陷裂缝的细观和微观特征，不便于绘制实际裂缝；随着测量技术发展，利用摄影测量可建立地表裂缝发育的精准三维模型，利用无人机搭载相机摄影不仅效率高而且可以实现连续拍摄和自动进行数据处理。同时，目前无人机摄影测量技术已经较成熟，在技术上具备可行性。但是无人机地形测绘要在整体坐标系下进行无人机影像三维建模，流程复杂且获取时间长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，其方法步骤简单，设计合理，仅规则板实现坐标转换参数和变形系数的获取，另外减少坐标转换累积的误差，处理过程简单，确保获取裂缝参数的准确性，实用性强。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，其特征在于：

步骤一、拍摄参数获取及规则板的布设：

步骤101、在无人机上搭载数码相机，根据公式得到无人机的航拍高度，根据公式得到无人机的航拍速度；其中，数码相机拍摄的图像大小为A×B个像素点，A表示行，B表示列，f表示数码相机的焦距，D表示地面分辨率；a表示行方向上单位像素的尺寸大小；δ表示像点位移，t表示数码相机的曝光时间；

步骤102、沿矿区采煤塌陷裂缝长度方向，在矿区采煤塌陷裂缝的两侧交错布设多个规则板，且各个规则板均呈水平布设，直至布满整条矿区采煤塌陷裂缝；其中，相邻两个规则板之间的间距不大于D×B，多个规则板均为正方形，多个规则板的序号按照先后布设顺序分别记作第一个规则板G₁，第二个规则板G₂，...，第j个规则板G_j，...，第m个规则板G_m，且m表示规则板的数量；

步骤二、裂缝影像的采集及传输：无人机在距离地面的高度为H的低空，速度为v的航拍速度下，采用数码相机沿矿区采煤塌陷裂缝长度方向飞行，在无人机飞行的过程中，所述数码相机对矿区采煤塌陷裂缝拍摄多幅裂缝影像，并发送至数据处理器；其中，各个所述裂缝影像中均包含两个相邻规则板的图像，两个所述规则板的图像靠近所述裂缝影像列方向的边缘，相邻两幅裂缝影像的旁向重叠度不低于40％；

步骤三、坐标系的建立：

步骤301、建立物方坐标系O_sX_sY_s；其中，多个规则板均位于物方坐标系O_sX_sY_s的第一象限内，物方坐标系O_sX_sY_s的X_s轴与第一个规则板G₁沿矿区采煤塌陷裂缝长度方向的边长平行，物方坐标系O_sX_sY_s的Y_s轴与第一个规则板G₁沿矿区采煤塌陷裂缝宽度方向的边长重合，X_s轴与Y_s轴的交点为原点O_s；

步骤302、在物方坐标系O_sX_sY_s下，获取第一个规则板G₁的左下角的物方坐标

步骤四、裂缝影像变形系数获取及物方坐标获取：

步骤401、采用数据处理器将多幅裂缝影像按照采样先后顺序进行排序，多幅裂缝影像分别记作第一幅裂缝影像T₁，第二幅裂缝影像T₂，...，第q幅裂缝影像T_q，...，第n幅裂缝影像T_n；其中，q和n均为正整数，且1≤q≤n，n表示裂缝影像的数量，第q幅裂缝影像T_q中包括与第j个规则板对应的第j个规则板图像和与第j+1个规则板对应的第j+1个规则板图像；

步骤402、采用数据处理器对多幅裂缝影像进行处理的过程均相同，对任一幅裂缝影像进行处理，具体过程如下：

步骤4021、数据处理器调取像素坐标提取模块分别对第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像中四个角像素点的像素坐标进行提取，获得第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左上角像素点的像素坐标右上角像素点的像素坐标左下角像素点的像素坐标右下角像素点的像素坐标和第第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左上角像素点的像素坐标右上角像素点的像素坐标左下角像素点的像素坐标右下角像素点的像素坐标

步骤4022、采用数据处理器调取像素坐标转图像坐标模块，对第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像四个角像素点的像素坐标进行转换，获得第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左上角像素点的图像坐标右上角像素点的图像坐标左下角像素点的图像坐标右下角像素点的图像坐标和第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左上角像素点的图像坐标右上角像素点的图像坐标左下角像素点的图像坐标右下角像素点的图像坐标

步骤4023、采用数据处理器根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像行方向的长度lx_q,j，采用数据处理器根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像行方向的长度lx_q,j+1；采用数据处理器根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左下角像素点沿图像行方向到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左下角像素点的图像距离

步骤4024、数据处理器根据公式和得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像行方向的变形系数kx_q,j和第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像行方向的变形系数kx_q,j+1；其中，Lx表示规则板的实际边长；

步骤4025、数据处理器根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像行方向到第j个规则板图像的左下角像素点的变形系数kx_q,i；其中，第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点的图像坐标为(x_q,i,y_q,i)，x_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像行方向的横坐标，y_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像列方向的纵坐标；

步骤4026、数据处理器根据公式得到矿区采煤塌陷裂缝中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板左下角沿X_s轴的实地距离X_j+1,j；其中，dx_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像行方向单位积分长度，x_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像行方向积分自变量；

步骤4027、按照步骤4023至步骤4026，得到矿区采煤塌陷裂缝中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板沿Y_s轴的实地距离Y_j+1,j；

步骤4028、采用数据处理器根据第j个规则板的左下角的物方坐标得到矿区采煤塌陷裂缝中第j+1个规则板的左下角的物方坐标

步骤403、多次重复步骤402，直至对第n幅裂缝影像T_n均处理完，并得到第一个规则板G₁的左下角的物方坐标记作P₁′^zx(X′₁,Y′₁)和第m个规则板G_m的左下角的物方坐标并记作并将对第一幅裂缝影像T₁处理得到的第一个规则板图像沿图像行方向的变形系数记作kx₁和第一个规则板图像沿图像列方向的变形系数记作ky₁；

步骤五、物方坐标至地理坐标的转换参数获取:

步骤501、在北京54坐标系下，得到第一个规则板G₁的左下角的地理坐标P₁″^zx(X″₁,Y″₁)和第m个规则板G_m的左下角的地理坐标

步骤502、采用数据处理器根据第一个规则板G₁的左下角的地理坐标第m个规则板G_m的左下角的地理坐标第一个规则板G₁的左下角的物方坐标P₁′^zx(X′₁,Y′₁)和第m个规则板G_m的左下角的物方坐标代入，如下建立坐标转换式：

并得到平移向量1+m尺度因子和旋转矩阵其中，θ表示北京54坐标相对系物方坐标系O_sX_sY_s的旋转角度；

步骤六、矿区采煤塌陷裂缝数据的获取:

步骤601、数据处理器调取图像拼接模块，对多幅裂缝影像进行拼接，获取整条矿区采煤塌陷裂缝的整幅拍摄图像；

步骤602、采用数据处理器调取图形标记模块，对整幅拍摄图像中第一个规则板图像和第m个规则板图像之间的裂缝区域进行标记，获取裂缝区域，数据处理器并调取像素坐标提取模块对裂缝区域中的各个像素点的像素坐标进行获取；之后，数据处理器调取像素坐标转图像坐标模块，对裂缝区域中的各个像素点的像素坐标进行转换，得到裂缝区域中的各个像素点的图像坐标P_l(x_l,y_l)；其中，1≤l≤Q,l和Q均为正整数，Q为裂缝区域中的像素点的数量；

步骤603、重复步骤4021和步骤4022，得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像的左上角像素点的图像坐标右上角像素点的图像坐标左下角像素点的图像坐标和右下角像素点的图像坐标以及整幅拍摄图像中第一个规则板图像的左下角像素点的图像坐标

步骤604、采用数据处理器根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像行方向的长度lx_m；数据处理器根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像行方向的变形系数kx_m，数据处理器根据公式得到裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向到第一个规则板图像左下角像素点的变形系数kx_e；其中，裂缝区域中任一个像素点的图像坐标为(x_e,y_e)，x_e表示裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向的横坐标，y_e表示裂缝区域中任一个像素点沿图像列方向的纵坐标；

步骤605、数据处理器根据公式得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿X_s轴的实地距离X_e,1；其中，dx_e表示裂缝区域中图像行方向单位积分长度，x_e表示裂缝区域中图像行方向积分自变量；

步骤606、按照步骤604和步骤605所述的方法，得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿Y_s轴的实地距离Y_e,1；

步骤607、根据第一个规则板G₁左下角的物方坐标，得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域的物方坐标P_l′(X′_l,Y′_l)；其中，Y_l′＝Y₁ ^zx+Y_e,1；

步骤608、采用数据处理器根据得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域的地理坐标P_l″(X″_l,Y″_l)；

步骤609、采用数据处理器调取绘制软件，并输入各个地面实际裂缝区域的地理坐标P_l″(X″_l,Y″_l)，绘制裂缝曲线，并通过与所述数据处理器相接的显示器进行同步显示；

步骤6010、采用数据处理器调取图形测量模块，对绘制出的裂缝曲线进行测量，从而得到制裂缝曲线的最大宽度和最大长度，从而得到矿区采煤塌陷裂缝的最大宽度和最大长度，并通过与所述数据处理器相接的显示器进行同步显示。

上述的一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，其特征在于：步骤4027中得到矿区采煤塌陷裂缝中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板沿Y_s轴的实地距离Y_j+1,j，具体过程如下：

步骤40271、采用数据处理器根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像列方向的长度ly_q,j，采用数据处理器根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像列方向的长度ly_q,j+1；采用数据处理器根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左下角像素点沿图像列方向到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左下角像素点的图像距离

步骤40272、数据处理器根据公式和得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像列方向的变形系数ky_q,j和第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像列方向的变形系数ky_q,j+1；

步骤40273、数据处理器根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像列方向到第j个规则板图像的左下角像素点的变形系数ky_q,i；

步骤40274、数据处理器根据公式得到矿区采煤塌陷裂缝中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板左下角沿Y_s轴的实地距离Y_j+1,j；其中，dy_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像列方向单位积分长度，y_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像列方向积分自变量。

上述的一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，其特征在于：步骤一中地面分辨率D的取值范围为不大于0.05m，δ的取值范围为不大于0.5个像素。

上述的一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，其特征在于：步骤606中得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿Y_s轴的实地距离Y_e,1，具体过程如下：

步骤6061、采用数据处理器根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像列方向的长度ly_m；数据处理器根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像列方向的变形系数ky_m，数据处理器根据公式得到裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向到第一个规则板图像左下角像素点的变形系数ky_e；

步骤6062、数据处理器根据公式得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿Y_s轴的实地距离Y_e,1；其中，dy_e表示裂缝区域中图像列方向单位积分长度，y_e表示裂缝区域中图像列方向积分自变量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便，在矿区采煤塌陷裂缝两侧交错成本低廉的规则板，布设方便。

2、本发明设置多个规则板，规则板作一方面可以作为裂缝影像拼接的特征点，另一方面可以作为坐标转换参数获取的基准，其次，规则板轻便，低廉，使得测量结构简单，方便携带。

3、本发明数据处理器按照拍摄先后顺序对多幅裂缝影像进行处理，得到多幅裂缝影像中的不同变形系数，从而能获取相邻两个规则板图像中后一个图像左下角像素点沿图像行方向到前一个规则板图像左下角像素点的变形系数，利用变形系数便于获取相邻两个规则板之间的实地距离，计算过程简单。

4、本发明数据处理器通过两个规则板图像中后一个图像左下角像素点沿图像行方向到前一个规则板图像左下角像素点的变形系数，得到矿区采煤塌陷裂缝中相邻两个规则板中后一个规则板左下角相对于前一个规则板左下角沿X_s轴的实地距离和矿区采煤塌陷裂缝中相邻两个规则板中后一个规则板左下角相对于前一个规则板左下角沿Y_s轴的实地距离，从而依次根据前一个规则板的物方坐标获取下一个规则板的物方坐标，进而获取到第m个规则板的物方坐标，从而根据第二个规则板的物方坐标和第m个规则板的物方坐标获取物方坐标至地理坐标的转换参数，减少坐标转换累积的误差，提高坐标参数获取的准确性，从而确保获取裂缝参数的准确性。

6、本发明数据处理器对多幅裂缝影像进行拼接，获取整条矿区采煤塌陷裂缝的整幅拍摄图像，通过对整幅拍摄图像处理，得到裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向到第一个规则板图像左下角像素点的变形系数，进而获取裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板左下角沿X_s轴的实地距离和裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板左下角沿Y_s轴的实地距离，从而得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域的物方坐标。

7、本发明数据处理器通过将得到的裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域的物方坐标通过获取物方坐标至地理坐标的转换，从而获取裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域的地理坐标，坐标参数获取的准确性的提高，从而确保获取裂缝参数的准确性；最后通过采用数据处理器调取绘制软件绘制裂缝曲线，进而得到矿区采煤塌陷裂缝的最大宽度和最大长度，处理过程简单，计算时间短，以快速获取矿区采煤塌陷裂缝的参数。

综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，仅规则板实现坐标转换参数和变形系数的获取，另外减少坐标转换累积的误差，处理过程简单，确保获取裂缝参数的准确性，实用性强。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明裂缝影像采集的结构示意图。

图3为本发明的电路原理框图。

图4为本发明的方法流程框图。

附图标记说明:

1—规则板； 2—矿区采煤塌陷裂缝； 3—无人机；

4—数码相机； 5—数据处理器； 6—显示器；

具体实施方式

如图1至图4所示的一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，包括以下步骤：

步骤一、拍摄参数获取及规则板的布设：

步骤101、在无人机3上搭载数码相机4，根据公式得到无人机3的航拍高度，根据公式得到无人机3的航拍速度；其中，数码相机4拍摄的图像大小为A×B个像素点，A表示行，B表示列，f表示数码相机4的焦距，D表示地面分辨率；a表示行方向上单位像素的尺寸大小；δ表示像点位移，单位为像素，t表示数码相机4的曝光时间，单位为秒；

步骤102、沿矿区采煤塌陷裂缝2长度方向，在矿区采煤塌陷裂缝2的两侧交错布设多个规则板1，且各个规则板1均呈水平布设，直至布满整条矿区采煤塌陷裂缝2；其中，相邻两个规则板1之间的间距不大于D×B，多个规则板1均为正方形，多个规则板1的序号按照先后布设顺序分别记作第一个规则板G₁，第二个规则板G₂，...，第j个规则板G_j，...，第m个规则板G_m，且m表示规则板1的数量；

步骤二、裂缝影像的采集及传输：无人机3在距离地面的高度为H的低空，速度为v的航拍速度下，采用数码相机4沿矿区采煤塌陷裂缝2长度方向飞行，在无人机3飞行的过程中，所述数码相机4对矿区采煤塌陷裂缝2拍摄多幅裂缝影像，并发送至数据处理器5；其中，各个所述裂缝影像中均包含两个相邻规则板的图像，两个所述规则板的图像靠近所述裂缝影像列方向的边缘，相邻两幅裂缝影像的旁向重叠度不低于40％；

步骤三、坐标系的建立：

步骤301、建立物方坐标系O_sX_sY_s；其中，多个规则板1均位于物方坐标系O_sX_sY_s的第一象限内，物方坐标系O_sX_sY_s的X_s轴与第一个规则板G₁沿矿区采煤塌陷裂缝2长度方向的边长平行，物方坐标系O_sX_sY_s的Y_s轴与第一个规则板G₁沿矿区采煤塌陷裂缝2宽度方向的边长重合，X_s轴与Y_s轴的交点为原点O_s；

步骤302、在物方坐标系O_sX_sY_s下，获取第一个规则板G₁的左下角的物方坐标

步骤四、裂缝影像变形系数获取及物方坐标获取：

步骤401、采用数据处理器5将多幅裂缝影像按照采样先后顺序进行排序，多幅裂缝影像分别记作第一幅裂缝影像T₁，第二幅裂缝影像T₂，...，第q幅裂缝影像T_q，...，第n幅裂缝影像T_n；其中，q和n均为正整数，且1≤q≤n，n表示裂缝影像的数量，第q幅裂缝影像T_q中包括与第j个规则板对应的第j个规则板图像和与第j+1个规则板对应的第j+1个规则板图像；

步骤402、采用数据处理器5对多幅裂缝影像进行处理的过程均相同，对任一幅裂缝影像进行处理，具体过程如下：

步骤4021、数据处理器5调取像素坐标提取模块分别对第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像中四个角像素点的像素坐标进行提取，获得第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左上角像素点的像素坐标右上角像素点的像素坐标左下角像素点的像素坐标右下角像素点的像素坐标和第第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左上角像素点的像素坐标右上角像素点的像素坐标左下角像素点的像素坐标右下角像素点的像素坐标

步骤4022、采用数据处理器5调取像素坐标转图像坐标模块，对第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像四个角像素点的像素坐标进行转换，获得第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左上角像素点的图像坐标右上角像素点的图像坐标左下角像素点的图像坐标右下角像素点的图像坐标和第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左上角像素点的图像坐标右上角像素点的图像坐标左下角像素点的图像坐标右下角像素点的图像坐标

步骤4023、采用数据处理器5根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像行方向的长度lx_q,j，采用数据处理器5根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像行方向的长度lx_q,j+1；采用数据处理器5根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左下角像素点沿图像行方向到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左下角像素点的图像距离

步骤4024、数据处理器5根据公式和得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像行方向的变形系数kx_q,j和第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像行方向的变形系数kx_q,j+1；其中，Lx表示规则板1的实际边长；

步骤4025、数据处理器5根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像行方向到第j个规则板图像的左下角像素点的变形系数kx_q,i；其中，第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点的图像坐标为(x_q,i,y_q,i)，x_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像行方向的横坐标，y_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像列方向的纵坐标；

步骤4026、数据处理器5根据公式得到矿区采煤塌陷裂缝2中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板左下角沿X_s轴的实地距离X_j+1,j；其中，dx_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像行方向单位积分长度，x_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像行方向积分自变量；

步骤4027、按照步骤4023至步骤4026，得到矿区采煤塌陷裂缝2中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板沿Y_s轴的实地距离Y_j+1,j；

步骤4028、采用数据处理器5根据第j个规则板的左下角的物方坐标得到矿区采煤塌陷裂缝2中第j+1个规则板的左下角的物方坐标

步骤403、多次重复步骤402，直至对第n幅裂缝影像T_n均处理完，并得到第一个规则板G₁的左下角的物方坐标记作P₁′^zx(X′₁,Y′₁)和第m个规则板G_m的左下角的物方坐标并记作并将对第一幅裂缝影像T₁处理得到的第一个规则板图像沿图像行方向的变形系数记作kx₁和第一个规则板图像沿图像列方向的变形系数记作ky₁；

步骤五、物方坐标至地理坐标的转换参数获取:

步骤501、在北京54坐标系下，得到第一个规则板G₁的左下角的地理坐标P₁″^zx(X″₁,Y″₁)和第m个规则板G_m的左下角的地理坐标

步骤502、采用数据处理器5根据第一个规则板G₁的左下角的地理坐标第m个规则板G_m的左下角的地理坐标第一个规则板G₁的左下角的物方坐标P₁′^zx(X′₁,Y′₁)和第m个规则板G_m的左下角的物方坐标代入，如下建立坐标转换式：

并得到平移向量1+m尺度因子和旋转矩阵其中，θ表示北京54坐标相对系物方坐标系O_sX_sY_s的旋转角度；

步骤六、矿区采煤塌陷裂缝数据的获取:

步骤601、数据处理器5调取图像拼接模块，对多幅裂缝影像进行拼接，获取整条矿区采煤塌陷裂缝2的整幅拍摄图像；

步骤602、采用数据处理器5调取图形标记模块，对整幅拍摄图像中第一个规则板图像和第m个规则板图像之间的裂缝区域进行标记，获取裂缝区域，数据处理器5并调取像素坐标提取模块对裂缝区域中的各个像素点的像素坐标进行获取；之后，数据处理器5调取像素坐标转图像坐标模块，对裂缝区域中的各个像素点的像素坐标进行转换，得到裂缝区域中的各个像素点的图像坐标P_l(x_l,y_l)；其中，1≤l≤Q,l和Q均为正整数，Q为裂缝区域中的像素点的数量；

步骤603、重复步骤4021和步骤4022，得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像的左上角像素点的图像坐标右上角像素点的图像坐标左下角像素点的图像坐标和右下角像素点的图像坐标以及整幅拍摄图像中第一个规则板图像的左下角像素点的图像坐标

步骤604、采用数据处理器5根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像行方向的长度lx_m；数据处理器5根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像行方向的变形系数kx_m，数据处理器5根据公式得到裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向到第一个规则板图像左下角像素点的变形系数kx_e；其中，裂缝区域中任一个像素点的图像坐标为(x_e,y_e)，x_e表示裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向的横坐标，y_e表示裂缝区域中任一个像素点沿图像列方向的纵坐标；

步骤605、数据处理器5根据公式得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿X_s轴的实地距离X_e,1；其中，dx_e表示裂缝区域中图像行方向单位积分长度，x_e表示裂缝区域中图像行方向积分自变量；

步骤606、按照步骤604和步骤605所述的方法，得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿Y_s轴的实地距离Y_e,1；

步骤607、根据第一个规则板G₁左下角的物方坐标，得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域的物方坐标P_l′(X′_l,Y′_l)；其中，Y_l′＝Y₁ ^zx+Y_e,1；

步骤608、采用数据处理器5根据得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域的地理坐标P_l″(X″_l,Y″_l)；

步骤609、采用数据处理器5调取绘制软件，并输入各个地面实际裂缝区域的地理坐标P_l″(X″_l,Y″_l)，绘制裂缝曲线，并通过与所述数据处理器3相接的显示器6进行同步显示；

步骤6010、采用数据处理器5调取图形测量模块，对绘制出的裂缝曲线进行测量，从而得到制裂缝曲线的最大宽度和最大长度，从而得到矿区采煤塌陷裂缝2的最大宽度和最大长度，并通过与所述数据处理器3相接的显示器6进行同步显示。

本实施例中，步骤4027中得到矿区采煤塌陷裂缝2中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板沿Y_s轴的实地距离Y_j+1,j，具体过程如下：

步骤40271、采用数据处理器5根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像列方向的长度ly_q,j，采用数据处理器5根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像列方向的长度ly_q,j+1；采用数据处理器5根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左下角像素点沿图像列方向到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左下角像素点的图像距离

步骤40272、数据处理器5根据公式和得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像列方向的变形系数ky_q,j和第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像列方向的变形系数ky_q,j+1；

步骤40273、数据处理器5根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像列方向到第j个规则板图像的左下角像素点的变形系数ky_q,i；

步骤40274、数据处理器5根据公式得到矿区采煤塌陷裂缝2中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板左下角沿Y_s轴的实地距离Y_j+1,j；其中，dy_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像列方向单位积分长度，y_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像列方向积分自变量；

本实施例中，步骤一中地面分辨率D的取值范围为不大于0.05m，δ的取值范围为不大于0.5个像素。

本实施例中，步骤606中得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿Y_s轴的实地距离Y_e,1，具体过程如下：

步骤6061、采用数据处理器5根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像列方向的长度ly_m；数据处理器5根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像列方向的变形系数ky_m，数据处理器5根据公式得到裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向到第一个规则板图像左下角像素点的变形系数ky_e；

步骤6062、数据处理器5根据公式得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿Y_s轴的实地距离Y_e,1；其中，dy_e表示裂缝区域中图像列方向单位积分长度，y_e表示裂缝区域中图像列方向积分自变量。

本实施例中，需要说明的是，第q幅裂缝影像T_q中包括与第j个规则板对应的第j个规则板图像和与第j+1个规则板对应的第j+1个规则板图像，则第q+1幅裂缝影像T_q+1中包括与第j+1个规则板对应的第j+1个规则板图像和与第j+2个规则板对应的第j+2个规则板图像。

本实施例中，需要说明的是，裂缝影像比规则板1的图像少一个，即n＝m-1。

本实施例中，需要说明的是，像素坐标是在像素坐标系下获取的，图像坐标是在图像坐标系获取的，且图像坐标系的图像行方向为规则板图像沿裂缝影像长度方向的边长平行，图像坐标系的图像列方向为规则板图像沿裂缝影像宽度方向的边长平行，从而，将图像坐标系投影到地面上，图像行方向与X_s轴平行，图像列方向与Y_s轴平行。

本实施例中，采取规则板图像的两个边长进行平均处理，得到规则板图像沿图像行方向的长度或者规则板图像沿图像列方向的长度，这样可以减少拍摄过程中规则板边长成像时的偶然误差，减少变形系数获取的误差；进而能减少多个规则板中左下角物方坐标获取的误差，另一方面，能减少获取裂缝区域中任一个像素点的变形系数误差，提高了准确性。

本实施例中，在拼接后的整幅拍摄图像通过第一个规则板图像和第m个规则板图像，就能得到裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向到第一个规则板图像左下角像素点的变形系数kx_e，只需要两个规则板即可实现裂缝区域中任一个像素点的所对应的地面实际裂缝区域的物方坐标；然而，设置多个规则板，是为了通过第一个规则板G₁的物方坐标得到第二个规则板G₂的物方坐标、通过第二个规则板G₂的物方坐标得到第三个规则板G₃的物方坐标，依次类推，得到第m个规则板G_m的物方坐标，这样通过第一个规则板G₁的物方坐标和第m个规则板G_m的物方坐标进行坐标转换，减少坐标转换累积的误差。

本实施例中，规则板1由塑料泡沫制成，呈正方形，边长1m，每块规则板被分成不同颜色的四等块，

本实施例中，数码相机4的曝光时间为1/8000秒～8秒，数码相机4的拍摄图像的最大尺寸为3000pixel×4000pixel。

本实施例中，无人机3为固定翼无人机，操纵简单，便于携带。

综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，仅规则板实现坐标转换参数和变形系数的获取，另外减少坐标转换累积的误差，处理过程简单，确保获取裂缝参数的准确性，实用性强。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、拍摄参数获取及规则板的布设：

步骤101、在无人机(3)上搭载数码相机(4)，根据公式得到无人机(3)的航拍高度，根据公式得到无人机(3)的航拍速度；其中，数码相机(4)拍摄的图像大小为A×B个像素点，A表示行，B表示列，f表示数码相机(4)的焦距，D表示地面分辨率；a表示行方向上单位像素的尺寸大小；δ表示像点位移，t表示数码相机(4)的曝光时间；

步骤102、沿矿区采煤塌陷裂缝(2)长度方向，在矿区采煤塌陷裂缝(2)的两侧交错布设多个规则板(1)，且各个规则板(1)均呈水平布设，直至布满整条矿区采煤塌陷裂缝(2)；其中，相邻两个规则板(1)之间的间距不大于D×B，多个规则板(1)均为正方形，多个规则板(1)的序号按照先后布设顺序分别记作第一个规则板G₁，第二个规则板G₂，...，第j个规则板G_j，...，第m个规则板G_m，且m表示规则板(1)的数量；

步骤二、裂缝影像的采集及传输：无人机(3)在距离地面的高度为H的低空，速度为v的航拍速度下，采用数码相机(4)沿矿区采煤塌陷裂缝(2)长度方向飞行，在无人机(3)飞行的过程中，所述数码相机(4)对矿区采煤塌陷裂缝(2)拍摄多幅裂缝影像，并发送至数据处理器(5)；其中，各个所述裂缝影像中均包含两个相邻规则板的图像，两个所述规则板的图像靠近所述裂缝影像列方向的边缘，相邻两幅裂缝影像的旁向重叠度不低于40％；

步骤三、坐标系的建立：

步骤301、建立物方坐标系O_sX_sY_s；其中，多个规则板(1)均位于物方坐标系O_sX_sY_s的第一象限内，物方坐标系O_sX_sY_s的X_s轴与第一个规则板G₁沿矿区采煤塌陷裂缝(2)长度方向的边长平行，物方坐标系O_sX_sY_s的Y_s轴与第一个规则板G₁沿矿区采煤塌陷裂缝(2)宽度方向的边长重合，X_s轴与Y_s轴的交点为原点O_s；

步骤302、在物方坐标系O_sX_sY_s下，获取第一个规则板G₁的左下角的物方坐标

步骤四、裂缝影像变形系数获取及物方坐标获取：

步骤401、采用数据处理器(5)将多幅裂缝影像按照采样先后顺序进行排序，多幅裂缝影像分别记作第一幅裂缝影像T₁，第二幅裂缝影像T₂，...，第q幅裂缝影像T_q，...，第n幅裂缝影像T_n；其中，q和n均为正整数，且1≤q≤n，n表示裂缝影像的数量，第q幅裂缝影像T_q中包括与第j个规则板对应的第j个规则板图像和与第j+1个规则板对应的第j+1个规则板图像；

步骤402、采用数据处理器(5)对多幅裂缝影像进行处理的过程均相同，对任一幅裂缝影像进行处理，具体过程如下：

步骤4021、数据处理器(5)调取像素坐标提取模块分别对第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像中四个角像素点的像素坐标进行提取，获得第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左上角像素点的像素坐标右上角像素点的像素坐标左下角像素点的像素坐标右下角像素点的像素坐标和第第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左上角像素点的像素坐标右上角像素点的像素坐标左下角像素点的像素坐标右下角像素点的像素坐标

步骤4022、采用数据处理器(5)调取像素坐标转图像坐标模块，对第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像四个角像素点的像素坐标进行转换，获得第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左上角像素点的图像坐标右上角像素点的图像坐标左下角像素点的图像坐标右下角像素点的图像坐标和第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左上角像素点的图像坐标右上角像素点的图像坐标左下角像素点的图像坐标右下角像素点的图像坐标

步骤4023、采用数据处理器(5)根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像行方向的长度lx_q,j，采用数据处理器(5)根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像行方向的长度lx_q,j+1；采用数据处理器(5)根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左下角像素点沿图像行方向到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左下角像素点的图像距离

步骤4024、数据处理器(5)根据公式和得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像行方向的变形系数kx_q,j和第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像行方向的变形系数kx_q,j+1；其中，Lx表示规则板(1)的实际边长；

步骤4025、数据处理器(5)根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像行方向到第j个规则板图像的左下角像素点的变形系数kx_q,i；其中，第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点的图像坐标为(x_q,i,y_q,i)，x_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像行方向的横坐标，y_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像列方向的纵坐标；

步骤4026、数据处理器(5)根据公式得到矿区采煤塌陷裂缝(2)中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板左下角沿X_s轴的实地距离X_j+1,j；其中，dx_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像行方向单位积分长度，x_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像行方向积分自变量；

步骤4027、按照步骤4023至步骤4026，得到矿区采煤塌陷裂缝(2)中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板沿Y_s轴的实地距离Y_j+1,j；

步骤4028、采用数据处理器(5)根据第j个规则板的左下角的物方坐标得到矿区采煤塌陷裂缝(2)中第j+1个规则板的左下角的物方坐标

步骤403、多次重复步骤402，直至对第n幅裂缝影像T_n均处理完，并得到第一个规则板G₁的左下角的物方坐标记作和第m个规则板G_m的左下角的物方坐标并记作并将对第一幅裂缝影像T₁处理得到的第一个规则板图像沿图像行方向的变形系数记作kx₁和第一个规则板图像沿图像列方向的变形系数记作ky₁；

步骤五、物方坐标至地理坐标的转换参数获取:

步骤501、在北京54坐标系下，得到第一个规则板G₁的左下角的地理坐标和第m个规则板G_m的左下角的地理坐标

步骤502、采用数据处理器(5)根据第一个规则板G₁的左下角的地理坐标第m个规则板G_m的左下角的地理坐标第一个规则板G₁的左下角的物方坐标和第m个规则板G_m的左下角的物方坐标代入，如下建立坐标转换式：

并得到平移向量1+m尺度因子和旋转矩阵其中，θ表示北京54坐标相对系物方坐标系O_sX_sY_s的旋转角度；

步骤六、矿区采煤塌陷裂缝数据的获取:

步骤601、数据处理器(5)调取图像拼接模块，对多幅裂缝影像进行拼接，获取整条矿区采煤塌陷裂缝(2)的整幅拍摄图像；

步骤602、采用数据处理器(5)调取图形标记模块，对整幅拍摄图像中第一个规则板图像和第m个规则板图像之间的裂缝区域进行标记，获取裂缝区域，数据处理器(5)并调取像素坐标提取模块对裂缝区域中的各个像素点的像素坐标进行获取；之后，数据处理器(5)调取像素坐标转图像坐标模块，对裂缝区域中的各个像素点的像素坐标进行转换，得到裂缝区域中的各个像素点的图像坐标P_l(x_l,y_l)；其中，1≤l≤Q,l和Q均为正整数，Q为裂缝区域中的像素点的数量；

步骤603、重复步骤4021和步骤4022，得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像的左上角像素点的图像坐标右上角像素点的图像坐标左下角像素点的图像坐标和右下角像素点的图像坐标以及整幅拍摄图像中第一个规则板图像的左下角像素点的图像坐标

步骤604、采用数据处理器(5)根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像行方向的长度lx_m；数据处理器(5)根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像行方向的变形系数kx_m，数据处理器(5)根据公式得到裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向到第一个规则板图像左下角像素点的变形系数kx_e；其中，裂缝区域中任一个像素点的图像坐标为(x_e,y_e)，x_e表示裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向的横坐标，y_e表示裂缝区域中任一个像素点沿图像列方向的纵坐标；

步骤605、数据处理器(5)根据公式得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿X_s轴的实地距离X_e,1；其中，dx_e表示裂缝区域中图像行方向单位积分长度，x_e表示裂缝区域中图像行方向积分自变量；

步骤606、按照步骤604和步骤605所述的方法，得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿Y_s轴的实地距离Y_e,1；

步骤607、根据第一个规则板G₁左下角的物方坐标，得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域的物方坐标P_l′(X′_l,Y_l′)；其中，

步骤608、采用数据处理器(5)根据得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域的地理坐标P_l″(X″_l,Y_l″)；

步骤609、采用数据处理器(5)调取绘制软件，并输入各个地面实际裂缝区域的地理坐标P_l″(X″_l,Y_l″)，绘制裂缝曲线，并通过与所述数据处理器(5)相接的显示器(6)进行同步显示；

步骤6010、采用数据处理器(5)调取图形测量模块，对绘制出的裂缝曲线进行测量，从而得到制裂缝曲线的最大宽度和最大长度，从而得到矿区采煤塌陷裂缝(2)的最大宽度和最大长度，并通过与所述数据处理器(5)相接的显示器(6)进行同步显示。

2.按照权利要求1所述的一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，其特征在于：步骤4027中得到矿区采煤塌陷裂缝(2)中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板沿Y_s轴的实地距离Y_j+1,j，具体过程如下：

步骤40271、采用数据处理器(5)根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像列方向的长度ly_q,j，采用数据处理器(5)根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像列方向的长度ly_q,j+1；采用数据处理器(5)根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像的左下角像素点沿图像列方向到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像的左下角像素点的图像距离

步骤40272、数据处理器(5)根据公式和得到第q幅裂缝影像T_q中第j个规则板图像沿图像列方向的变形系数ky_q,j和第q幅裂缝影像T_q中第j+1个规则板图像沿图像列方向的变形系数ky_q,j+1；

步骤40273、数据处理器(5)根据公式得到第q幅裂缝影像T_q中两个规则板图像之间任一个像素点沿图像列方向到第j个规则板图像的左下角像素点的变形系数ky_q,i；

步骤40274、数据处理器(5)根据公式得到矿区采煤塌陷裂缝(2)中第j+1个规则板左下角相对于第j个规则板左下角沿Y_s轴的实地距离Y_j+1,j；其中，dy_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像列方向单位积分长度，y_q,i表示第q幅裂缝影像T_q中图像列方向积分自变量。

3.按照权利要求1所述的一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，其特征在于：步骤一中地面分辨率D的取值范围为不大于0.05m，δ的取值范围为不大于0.5个像素。

4.按照权利要求1所述的一种低空无人机摄影测定矿区采煤塌陷裂缝方法，其特征在于：步骤606中得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿Y_s轴的实地距离Y_e,1，具体过程如下：

步骤6061、采用数据处理器(5)根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像列方向的长度ly_m；数据处理器(5)根据公式得到整幅拍摄图像中第m个规则板图像沿图像列方向的变形系数ky_m，数据处理器(5)根据公式得到裂缝区域中任一个像素点沿图像行方向到第一个规则板图像左下角像素点的变形系数ky_e；

步骤6062、数据处理器(5)根据公式得到裂缝区域中任一个像素点所对应的地面实际裂缝区域相对于第一个规则板G₁左下角沿Y_s轴的实地距离Y_e,1；其中，dy_e表示裂缝区域中图像列方向单位积分长度，y_e表示裂缝区域中图像列方向积分自变量。