CN111044018B - 一种对立面进行航空摄影测量航线规划的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用航天器，特别是一种用无人机对被测区域的立面进行测量与摄影建模的方法。本发明的方法是根据预期成果分辨率与影像采集器材的参数预先确定影像采集器材与被测点间理论距离L理、航向重叠度、旁向重叠度和水平方向与垂直方向测点采样间隔等参数，根据被测区域点云模型得到被测区域的三维边界、绝对海拔高度等，最终设定飞行器的飞行参数。本发明的方法有效的解决了针对复杂立面的仿照(跟随)贴近航线的设计并提供了相关的计算方法，给出了飞行器航空测量的采集航线规划的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用航天器，特别是一种用无人机对被测区域的立面进行贴近摄影测量与精细建模的方法，这里所述的立面是指对被测区中与水平面倾斜或垂直位置的区域，例如垂直墙体、石窟、山体、水坝或塔体，以及其它复杂立面的贴近摄影测量的采集航线规划的方法。
背景技术
随着近年来无人机在航空摄影测量行业中的应用逐步广泛，对精度的要求也越来越高。常规的无人机航测的航线规划软件或者方法主要针对平行于水平面或者平行于水平面上的一些物体进行摄影采集，目前的解决方法中没有针对立面(与水平面垂直或有一定夹角)的精细航空摄影测量的航线规划方法。然而现实中有这方面的需求，例如对建筑的精细建模、古建筑保护、坝体位移沉降或易发生地质灾害的立面松散地质结构进行测量或监测。众所周知，需要精细的航测采集，需要将采集设备仿照测绘面的走向、角度与结构在保持相对恒定的距离的基础上尽可能贴近测绘面进行采集，但现有技术中没有相应的解决方法，目前传统使用的方法是依据卫星相片或者其他带有地理数据的栅格影像或矢量影像进行手工绘制，该方法易出错而且在测绘的立面结构复杂的情况下无法完全仿照测绘面进行贴近航线的设计。
发明内容
本发明提供一种可解决现有技术不足的对于被测区域的立面用飞行器进行测量摄影的方法。
本发明的对立面进行航空摄影测量的航线规划方法是用带有影像采集器材的飞行器在被测区域前飞行并连续采集各被摄位置图片，根据预期成果分辨率与影像采集器材的参数预先确定影像采集器材与被测点间理论距离L理、航向重叠度、旁向重叠度和水平方向与垂直方向测点采样间隔参数，根据航向水平测点采样间隔参数确定航速参数，并根据航高旁向重叠度确定航高采样间距参数，导入包含其高程参数的被测区域点云模型，根据点云模型得到被测区域的三维边界，以被测区域海拔最高点与海拔最低点之差除航高采样间距参数并将得到的商归整处理得到水平航线的数量并顺序编号，并以此得出各层水平航线高程的绝对海拔高度，并依据公式得到各层航线的旁向覆盖范围，依据所得到的每层航线旁向重叠的覆盖范围将点云模型中该范围的所有点的海拔高度统一修改为该层航线的海拔高度，获取航向的旁向重叠的覆盖范围内的立面最大外轮廓点云，再将外轮廓点云中最外侧的点云顺序连接，形成了该航线旁向重叠覆盖范围的外轮廓线元素，并依据影像采集器材与被测点间理论距离L理将该外轮廓线元素进行外扩形成各层水平的航线，依据航向采集间距对航线进行重采样形成航线上影像采集器材的采集点位，依据每层每采集点位的前后连续的采集点与该采集点的相对位置确定在该采集点位上影像采集器材的航向角，以每层的影像采集器材的采集点位及该点位上影像采集器材的航向角参数和采集点的地理坐标调整设定飞行器的飞行及采集参数。
优选地，本发明的对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，预先对各层水平的航线进行平滑处理。
优选地，本发明的对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，依据计算的采集点位水平方向上的数值变化和连续点位的采集器材的航向角变化，通过预先设定的数值与角度变化的阈值简化采集航线，依据简化的采集航线通过计算的航速以及采集间隔距离计算的间隔采集时间进行连续采集。
优选地，本发明的对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，其预设的水平方向上的数值变化阈值和连续采集点位的采集器材的航向角变化阈值为影像采集器材参数确定出的最大冗余值。
更为优选地，本发明的对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，其所述的被测区域点云模型可以是包含了地理信息与高程数据的稀疏点云模型、实景模型或者人工绘制模型等模型中的任一种，或者是包含高程数据的矢量或者栅格数据的DSM、DEM、高程网格或等高线的任一种。
本发明中的方法有效的解决了针对复杂立面的仿照(跟随)贴近航线的设计并提供了相关的计算方法，给出了飞行器航空测量的采集航线规划的方法。
附图说明
图1提取被测塔海拔高度在723.41m～724.5m范围之内的点云并进行压平操作示意图。
图2为图1示压平点云的外轮廓产生的示意图。
图3依据相对距离外扩后产生的无人机航线示意图。
图4依据航向采样间隔进行重采样后的无人机航线示意图(包含原始航线)。
图5依据航向采样间隔进行重采样后的无人机航线示意图(不包含原始航线)。
图6依据采集设备真北航向角的计算公式计算出的采集方向的示意图。
图7被测塔体与依据实施例1中的方法计算的部分采集航线的示意图。
图8依据实施例1的方法计算的部分采集航线的示意图。
图9实施例2的被测山崖立面示意图。
图10提取被测山崖海拔高度在1078.76m～1080.22m范围之内的点云并进行压平操作的示意图。
图11为图10示压平点云的外轮廓产生的示意图。
图12为图11的局部经简化后形成的外轮廓示意图。
图13为图12的局部放大示意图。
图14为依据相对距离外扩后形成的无人机航线示意图，其中右边的曲线为无人机航线示意图。
图15依据航向采样间隔进行重采样，由各采样点构成的无人机航线示意图。
图16依据采集设备真北航向角的计算公式计算出的部分采集方向的示意图。
图17为图16局部放大示意图。
图18和图19分别为本实施例的两个局部位置的被测崖体与部分测量(摄影建模)航线的示意图，其中图18为崖体表面相对复杂的情况，而图19则是崖体表面相对平缓一点的情况。
具体实施方式
本发明以下结合进行解说。
实施例1
某琉璃塔的精细测量航线
1、在项目实时地进行地形数据采集，使用传统的无人机倾斜摄影测量航线对采集区域进行数据收集并生产该发明中所提到地理边界和密集点云模型；
2、依据密集点云模型可计算出需要进行精细立面采集的高程范围为42.8m (其中测绘面最高海拔756.4m，最低点海拔713.6m)；
输入预期分辨率GSD，采集设备的系统参数包括传感器分辨率、像元尺寸a、镜头焦距f、连续间隔采集时间t，依据公式可计算相对距离本具体实施例中传感器分辨率为5472x3648，像元尺寸2.4μm，镜头焦距8.8mm，可计算分辨率与相对距离的公式计算出相对距离为5.5m；
3、本案具体实施例中为保证成果，设置了较高的航向重叠度和旁向重叠率 (航向重叠度与旁向重叠度在本实施例中具体实施同为80％)，航向采集间距依据公式L航向＝Px×(1-80％)×GSD可计算出航向采集的间隔距离为1.64m，旁向采集间距依据公式L旁向＝Py×(1-80％)×GSD可计算出旁向采集的间隔距离为1.09m；
4、本案具体实施例中航线采集间距为1.64m，载荷的连续采集速度为t＝2s，则依据公式可计算航速为可计算出采集的航速为0.82m/s；
5、本案具体实施例中按实施项目2中计算的高差为 42.8m则依据公式可计算水平航线的层数为39.27，即依照 40层进行航线设计；
6、本案具体实施例中依据公式计算第一层航线的航线绝对海拔为H1＝714.145m，第二层航线的绝对海拔为H2＝715.235m，由此可计算出40层的所有航线的绝对海拔，参见表1：
表1依据公式所计算出的部分编号航线的覆盖范围与航线高程表
7、本案具体实施例中依据公式可计算出每一层航线的旁向覆盖范围，例如第一层航线的旁向重叠的覆盖范围为至即为海拔 713.6m～714.69m之间，第二层航线的旁向重叠的覆盖范围为海拔714.69m～ 715.78m之间，以此类推可计算出40层所有航线的旁向重叠的覆盖范围；
8、依据每一层旁向重叠的覆盖范围将点云模型中在该范围中的所有点提取出来后压平(压平操作是指将该范围的所有点的海拔高度统一修改为该层航线的海拔高度，该操作的目的是获取航向的旁向重叠的覆盖范围内的立面最大外轮廓)，该操作成果如图1所示：
9、将前述图1中的压平点云的成果的最外侧的点云顺序连接，形成了该航线旁向重叠覆盖范围的外轮廓，更优选的是对该外轮廓进行平滑操作或者简化操作以获得一个较平均的外轮廓覆盖，该优选方案可以使无人机的航线更加简洁平滑，方便地面站软件对航线的规划实践，该操作的成果如图2所示：
10、依据具体实施例项目9中的外轮廓成果进行外扩，外扩的距离依据输入预期分辨率GSD融合采集设备的具体硬件参数所计算出的相对距离 L相对＝5.5m，该项目成果如图3所示：
11、依据具体实施例项目10中的无人机航线进行等距离重采样，该采样距离的依据即为航向采集间距L航向＝1.64m，重采样的点位即为无人机进行采集的点位，其重采样的成果如图4和图5所示，按照以下的步凑计算采集设备的真北航向角：
1)将航点的地理坐标依据传统的转换方法例如输入中央子午线后根据高斯投影的方法转换成平面坐标系；
依据公式可计算出相对于真北的航向角，角度为负值时航向角为以该航点为圆心沿真北方向逆时针旋转的角度值，反之角度为正值时航向角为以该航点为圆心沿真北方向顺时针旋转的角度值，参见表2；依据采集设备真北航向角的计算公式计算出的采集方向参见示意图6。
表2依据采集设备真北航向角的计算公式计算出的部分采集航向角表格
| 航点编号 | 东坐标(X) | 北坐标(Y) | 海拔高度(Z) | 镜头航向角 |
| 1 | 572433.31 | 4017693.66 | 715.24 | - |
| 2 | 572433 | 4017694.81 | 715.24 | -114.12 |
| 3 | 572432.36 | 4017695.79 | 715.24 | -127.73 |
| 4 | 572431.55 | 4017696.68 | 715.24 | -132.47 |
| 5 | 572430.74 | 4017697.56 | 715.24 | -130.27 |
| 6 | 572430 | 4017698.51 | 715.24 | -127.73 |
| 7 | 572429.27 | 4017699.46 | 715.24 | -129.23 |
| 8 | 572428.49 | 4017700.36 | 715.24 | -137.74 |
| 9 | 572427.52 | 4017701.05 | 715.24 | -153.60 |
| 10 | 572426.37 | 4017701.41 | 715.24 | -169.61 |
| 11 | 572425.19 | 4017701.48 | 715.24 | -174.24 |
| 12 | 572424 | 4017701.65 | 715.24 | -171.87 |
| 13 | 572422.81 | 4017701.82 | 715.24 | -172.11 |
| 14 | 572421.62 | 4017701.98 | 715.24 | -174.25 |
| 15 | 572420.43 | 4017702.06 | 715.24 | 0.24 |
| 16 | 572419.24 | 4017701.99 | 715.24 | 163.97 |
| 17 | 572418.18 | 4017701.41 | 715.24 | 146.40 |
| 18 | 572417.25 | 4017700.67 | 715.24 | 139.43 |
| 19 | 572416.37 | 4017699.86 | 715.24 | 137.71 |
| 20 | 572415.48 | 4017699.06 | 715.24 | 140.07 |
| 21 | 572414.53 | 4017698.32 | 715.24 | 142.27 |
| 22 | 572413.58 | 4017697.59 | 715.24 | 136.16 |
| 23 | 572412.82 | 4017696.68 | 715.24 | 119.23 |
| 24 | 572412.44 | 4017695.55 | 715.24 | 104.34 |
| 25 | 572412.23 | 4017694.37 | 715.24 | 97.45 |
| 26 | 572412.13 | 4017693.18 | 715.24 | 94.78 |
| 27 | 572412.03 | 4017691.98 | 715.24 | 95.02 |
| 28 | 572411.92 | 4017690.79 | 715.24 | 97.41 |
| 29 | 572411.72 | 4017689.6 | 715.24 | 96.24 |
| 30 | 572411.66 | 4017688.43 | 715.24 | 82.25 |
13、本具体实施例中的测绘面基本为垂直的面，针对测绘面的采集设备的俯仰角以0度为主，更加优选的方案是以0度作为主要采集的俯仰角，依据测绘面的状况在同一条航线上增加-60度作为次要采集航线对测绘面进行第二次采集可以获得更佳的模型生产的效果；在其他案例中更优选的方案的是依据测绘面的状况在同一条航线上增加多个俯角以及仰角的采集角度获得更佳的模型生产的效果。
依据本具体实施例中的方法计算得到的部分采集航线参见图7，部分采集航线的示意参见图8。
实施例2：
本实施例是一对山崖进行测量摄影的实例，其具体的做法如下：
1、在项目实时地进行地形数据采集，使用传统的无人机倾斜摄影测量航线对采集区域进行数据收集并生产该发明中所提到地理边界和密集点云模型，见附图9；
2、依据实际需求，需要进行精细立面采集的高程范围为15m(其中测绘面最高海拔1085m，最低点海拔1070m)；
3输入预期分辨率GSD＝2mm，采集设备的系统参数包括传感器分辨率、像元尺寸a、镜头焦距f、连续间隔采集时间t，依据公式可计算相对距离本具体实施例中传感器分辨率为5472x3648，像元尺寸2.4μm，镜头焦距8.8mm，可计算分辨率与相对距离的公式计算出相对距离为7.3m；
4、本案具体实施例中为保证成果，设置了较高的航向重叠度和旁向重叠率 (航向重叠度与旁向重叠度在本实施例具体实施同为80％)，航向采集间距依据公式L航向＝Px×(1-80％)×GSD可计算出航向采集的间隔距离约为2.19m，旁向采集间距依据公式L旁向＝Py×(1-80％)×GSD可计算出旁向采集的间隔距离约为 1.46m；
5、本案具体实施例中航线采集间距为2.19m，载荷的连续采集速度为t＝2s，则依据公式可计算航速为可计算出采集的航速为1.095m/s；
6、本案具体实施例中按实施项目2中计算的高差为15m则依据公式可计算水平航线的层数为10.27，约为11层；
7、本案具体实施例中依据公式计算第一层航线的航线绝对海拔为H1＝1070.73m，第二层航线的绝对海拔为H2＝1072.19m，由此可计算出11层的所有航线的绝对海拔高度；
8、本案具体实施例中依据公式可计算出每一层航线的旁向覆盖范围，例如第一层航线的旁向重叠的覆盖范围为至即为海拔 1070m～1071.46m之间，第二层航线的旁向重叠的覆盖范围为海拔1071.46m～ 1072.92m之间，以此类推可计算出35层所有航线的旁向重叠的覆盖范围，参见表3；
表3依据公式所计算出的部分编号航线的覆盖范围与航线高程部分表格
9、依据每一层旁向重叠的覆盖范围将点云模型中在该范围中的所有点提取出来后压平(压平操作是指将该范围的所有点的海拔高度统一修改为该层航线的海拔高度，该操作的目的是获取航向的旁向重叠的覆盖范围内的立面最大外轮廓)，以第7层航线(覆盖范围1078.76m～1080.22m)作为该操作示例，参见图10所示；
10、将具体实施例项目9中的压平点云的成果的最外侧的点云顺序连接，形成了该航线旁向重叠覆盖范围的外轮廓，再对该外轮廓进行平滑操作或者简化操作以获得一个较平均的外轮廓覆盖，该优选方案可以使无人机的航线更加简洁平滑，方便地面站软件对航线的规划实践，该操作的成果如图11、图12和图13所示；
11、依据本实施例中的外轮廓成果进行外扩，外扩的距离依据输入预期分辨率GSD融合采集设备的具体硬件参数所计算出的相对距离L相对＝7.3m，形成无人机的航线，参见图14；
12、依据具体实施例项目11中的无人机航线进行等距离重采样，该采样距离的依据即为航向采集间距L航向＝2.19m，重采样的点位即为无人机进行采集的点位，见图15；
13、按照以下的步凑计算采集设备的真北航向角：
①将航点的地理坐标依据传统的转换方法例如输入中央子午线后根据高斯投影的方法转换成平面坐标系；
②依据公式可计算出相对于真北的航向角，角度为负值时航向角为以该航点为圆心沿真北方向逆时针旋转的角度值，反之角度为正值时航向角为以该航点为圆心沿真北方向顺时针旋转的角度值，参见表4。
表4依据采集设备真北航向角的计算公式计算出的部分采集航向角表
| 航点编号 | 东坐标(X) | 北坐标(Y) | 海拔高度(Z) | 镜头航向角 |
| 1 | 262740.708 | 3895638.224 | 1079.49 | - |
| 2 | 262742.18 | 3895636.601 | 1079.49 | 39.37 |
| 3 | 262743.999 | 3895635.51 | 1079.49 | 24.72 |
| 4 | 262746.076 | 3895634.816 | 1079.49 | 18.46 |
| 5 | 262748.155 | 3895634.123 | 1079.49 | 17.14 |
| 6 | 262750.262 | 3895633.525 | 1079.49 | 9.80 |
| 7 | 262752.411 | 3895633.384 | 1079.49 | -0.91 |
| 8 | 262754.591 | 3895633.597 | 1079.49 | -9.59 |
| 9 | 262756.645 | 3895634.094 | 1079.49 | -26.07 |
| 10 | 262758.327 | 3895635.434 | 1079.49 | -23.09 |
| 11 | 262760.497 | 3895635.725 | 1079.49 | -13.35 |
| 12 | 262762.567 | 3895636.44 | 1079.49 | -19.06 |
| 13 | 262764.638 | 3895637.156 | 1079.49 | -19.06 |
| 14 | 262766.708 | 3895637.871 | 1079.49 | -19.05 |
| 15 | 262768.779 | 3895638.586 | 1079.49 | -20.30 |
| 16 | 262770.815 | 3895639.39 | 1079.49 | -22.37 |
| 17 | 262772.829 | 3895640.253 | 1079.49 | -21.97 |
| 18 | 262774.873 | 3895641.027 | 1079.49 | -18.06 |
| 19 | 262776.986 | 3895641.608 | 1079.49 | -15.55 |
| 20 | 262779.093 | 3895642.201 | 1079.49 | -20.78 |
依据本具体实施例中的方法计算的部分采集航线参见图16，及其局部放大的示意图17。
图18与图19为不同位置的两个被测崖面与所确定的测试航线示意图，其中图18所面对的崖面相对复杂一些，因此所确定的航线也较为复杂；而图19 所面对的崖面相对要平缓许多，因此所确定的航线也同样较为平滑。
Claims (6)
1.一种对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，用带有影像采集器材的飞行器在被测区域前飞行并连续采集各被摄位置图片，其特征在于根据预期成果分辨率与影像采集器材的参数预先确定影像采集器材与被测点间理论距离、航向重叠度、旁向重叠度和水平方向与垂直方向测点采样间隔参数，根据航向水平测点采样间隔参数确定航速参数，并根据航高旁向重叠度确定航高采样间距参数，导入包含其高程参数的被测区域点云模型，根据点云模型得到被测区域的三维边界，以被测区域海拔最高点与海拔最低点之差除航高采样间距参数并将得到的商归整处理得到水平航线的数量并顺序编号，并以此得出各层水平航线高程的绝对海拔高度，并依据公式得到各层航线的旁向覆盖范围，依据所得到的每层航线旁向重叠的覆盖范围将点云模型中该范围的所有点的海拔高度统一修改为该层航线的海拔高度，获取航向的旁向重叠的覆盖范围内的立面最大外轮廓点云，再将外轮廓点云中最外侧的点云顺序连接，形成了该航线旁向重叠覆盖范围的外轮廓线元素，并依据影像采集器材与被测点间理论距离将该外轮廓线元素进行外扩形成各层水平的航线，依据航向采集间距对航线进行重采样形成航线上影像采集器材的采集点位，依据每层每采集点位的前后连续的采集点与该采集点的相对位置确定在该采集点位上影像采集器材的航向角，以每层的影像采集器材的采集点位及该点位上影像采集器材的航向角参数和采集点的地理坐标调整设定飞行器的飞行及采集参数。
2.根据权利要求1所述的一种对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，其特征在于，预先对各层水平的航线进行平滑处理。
3.根据权利要求2所述的一种对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，其特征在于，依据计算的采集点位水平方向上的数值变化和连续点位的采集器材的航向角变化，通过预先设定的数值与角度变化的阈值简化采集航线，依据简化的采集航线通过计算的航速以及采集间隔距离计算的间隔采集时间进行连续采集。
4.根据权利要求3所述的一种对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，其特征在于，于预设的水平方向上的数值变化阈值和连续采集点位的采集器材的航向角变化阈值为影像采集器材参数确定出的最大冗余值。
5.根据权利要求1至4任一项所述的对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，其特征在于，所述被测区域点云模型包含了地理信息与高程数据的稀疏点云模型、实景模型或者人工绘制模型中的任一种。
6.根据权利要求1至4任一项所述的对立面进行航空摄影测量的航线规划方法，其特征在于，所述被测区域点云模型包含高程数据的矢量或者栅格数据的DSM、DEM、高程网格或等高线的任一种。
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