CN111982076B - 一种单镜头无人机飞行参数设置方法 - Google Patents

一种单镜头无人机飞行参数设置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单镜头无人机飞行参数设置方法，包括确定施工现场的类型；获取多张待测量施工现场的照片；分别记录单镜头无人机在航向方向上和旁向方向上位于第一位置和第二位置时的动态飞行参数；计算单镜头无人机的航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度；根据施工现场设置航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，建立施工现场的点云模型；本发明根据不同的施工现场分别设置合适的航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，减少照片的采集量，有效缩短数据采集时间以及点云模型建立的时间，提高了工作效率，建立的点云模型符合规范要求，能够有效地应用于实际施工当中。

Description

一种单镜头无人机飞行参数设置方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及一种单镜头无人机飞行参数设置方法。
背景技术
摄影测量学发展到今天已经进入数字摄影测量学时代，随着近年无人机的发展以及消费者级单镜头无人机的推出，机载摄影测量被广泛地运用到工程领域，特别是与BIM技术相结合，为现场施工及管理带来数值化推进的动力。
目前，无人机摄影测量在工程领域已运用于场地的三维重建、与BIM结合的边坡监测和土石方量变化的体积计算等，但在应用时大多旨在讨论模型体积计算的方法和模型精度的提高，而关于如何提高数据采集和数据生成过程效率的研究很少。由于无人机飞行时受电池性能的限制，单镜头无人机的工作时间大多不超过1小时，且通常由无人机软件初始自动设计的飞行路线比无人机的最大飞行距离长得多，因此在数据采集过程中，工作人员经常需要多次更换电池；除此之外，由于智能手机上飞行路线设计应用程序的全自动路线计算，初始收集的照片量过大，无论是后期有效照片筛选还是点云模型重建都需要花费大量的处理时间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种数据采集时间短、点云模型建立时间短以及误差小的单镜头无人机飞行参数设置方法。
为解决上述问题，本发明提供一种单镜头无人机飞行参数设置方法，具体包括以下步骤：
确定施工现场的类型，所述施工现场的类型包括平坦场地和高边坡场地；
获取多张待测量施工现场的照片；
分别记录单镜头无人机在航向方向上和旁向方向上位于第一位置和第二位置时的动态飞行参数；
计算单镜头无人机的航向飞行范围S1、旁向飞行范围S2和飞行高度H，所述航向飞行范围S1为：S1＝B1-2(Xmf+Δ1-E)，其中，B1为待测量施工现场的长边长度、Xmf为航向方向上相邻拍摄位置的间距、Δ1为无人机在第一位置时拍摄的最远点与无人机位于第二位置时的间距、E为照片的最远点超过场地边缘的距离；所述旁向飞行范围S2为S2＝B2-2(Xms+Δ2-E)，其中，B2为待测量施工现场的短边长度、Xms为旁向方向上相邻拍摄位置的间距、Δ2为无人机在第一位置时拍摄的最远点与无人机位于第二位置时的间距、E为照片的最远点超过场地边缘的距离；所述飞行高度H为H≤f×GSD/Ps，其中f为无人机的机载相机的等效焦距、GSD为地面分辨率、Ps为像元尺寸；
根据施工现场设置航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，建立施工现场的点云模型。
进一步的，在所述步骤“确定施工现场的类型”之后还包括步骤：确定无人机的固定飞行参数。
进一步的，所述固定飞行参数包括无人机机载相机镜头的等效焦距、影像传感器的有效像素、机载相机拍摄的最大照片尺寸、无人机的最大飞行速度、最远飞行距离和最长飞行时间。
进一步的，在所述步骤“确定施工现场的类型”中，所述平坦场地包括地势平坦的场地或者是包含有深基坑的平坦场地，所述高边坡场地包括具有高边坡的场地或者是包含有深基坑的高边坡场地。
进一步的，在所述步骤“分别记录无人机在航向方向上和旁向方向上位于第一位置和第二位置时的动态飞行参数”之后，还包括步骤：设置无人机的航向重叠率和旁向重叠率。
进一步的，所述航向重叠率Of的取值范围为：
60％≤Of≤80％；
所述旁向重叠率OS的取值范围为：
15％≤Os≤60％。
进一步的，所述地面分辨率GSD的取值范围为0.05m～0.3m。
进一步的，在所述步骤“根据施工现场设置航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，建立施工现场的点云模型”之后还包括步骤：点云模型准确性验证，检验建立的点云模型的精度是否满足规范要求，如不满足，则重新设置无人机的航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，再次建立施工现场的点云模型，直至点云模型的精度满足规范要求。
本发明的有益效果：
(1)根据施工现场的高程差将待测量的施工现场分成平坦场地和高边坡场地，并根据不同的施工现场分别设置合适的航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，使得点云模型的精度符合规范要求，确保点云模型能够有效地应用于实际施工当中；
(2)根据无人机航向重叠率和旁向重叠率计算得出无人机航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度之间的对应关系，并给出航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度的取值建议，大大减少了照片的采集量，进而缩短了数据采集时间以及点云模型建立的时间，提高了工作效率，降低了电池性能对无人机在摄影测量工作中的影响。
附图说明
图1为本发明一种单镜头无人机飞行参数设置方法的较佳实施方式的流程图。
图2为无人机在航向方向上图像重叠区域的关系图。
图3为无人机在旁向方向上图像重叠区域的关系图。
图4为无人机画幅与影像的关系图。
图5为无人机拍摄的照片重叠区域与施工现场的关系图。
图6为地势高差对图像重叠率的影响示意图。
图7为采用本方法重建的点云模型的示意图。
图8为采用传统方法重建的点云模型的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，为本发明一种单镜头无人机飞行参数设置方法的较佳的实施方式的流程图，具体包括以下步骤：
S1：确定施工现场的类型。
根据施工现场的地势高差将施工现场分为平坦场地和高边坡场地，所述平坦场地包括地势平坦的场地或者是包含有深基坑的平坦场地，所述高边坡场地包括具有高边坡的场地或者是包含有深基坑的高边坡场地。
S2：确定单镜头无人机的固定飞行参数。
根据无人机型号的不同，确定所述单镜头无人机的机载相机镜头的等效焦距、影像传感器的有效像素、机载相机拍摄的最大照片尺寸、无人机的最大飞行速度、最远飞行距离和最长飞行时间。在本实施例中，所述机载相机镜头的等效焦距为28mm，影像传感器为1英寸的CMOS，其有效像素为2000万像素，机载相机拍摄的最大照片尺寸为5472mm×3648mm，无人机的最大飞行速度为72km/h、最远飞行距离为18km以及最长飞行时间为31min。
S3：获取多张待测量施工现场的照片。
所述单镜头无人机按照既定的飞行路线在航向方向上和旁向方向上采集若干张待测量施工现场的照片。
S4：分别记录单镜头无人机在航向方向上和旁向方向上位于第一位置和第二位置时的动态飞行参数。
如图2所示，分别记录所述单镜头无人机在航向方向上位于第一位置和第二位置时相对于施工现场边缘的距离，得到航向方向上相邻拍摄位置的间距Xmf，并记录第一位置时无人机画幅影像在实际中的距离L1，得到无人机在第一位置时拍摄的最远点与无人机位于第二位置时的间距Δ1，即：
Δ1＝L1/2-Xmf (1)
如图3所示，分别记录无人机在旁向方向上位于第一位置和第二位置时相对于施工现场边缘的距离，得到旁向方向上相邻拍摄位置的间距Xms，并记录第一位置时无人机画幅影像在实际中的距离L2，得到无人机在第一位置时拍摄的最远点与无人机位于第二位置时的间距Δ2，即：
Δ2＝L2/2-Xms (2)
S5：设置无人机的航向重叠率和旁向重叠率。
所述航向重叠率Of的取值范围为：
60％≤Of≤80％ (3)
所述旁向重叠率OS的取值范围为：
15％≤Os≤60％ (4)
S6：计算无人机的航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度。
由于无人机的飞行范围与无人机拍摄的照片画幅以及该画幅影像在实际中的长度有关，该长度的值是随无人机飞行高度的变化而变化，根据图4可得：
f/F＝H/L (5)
其中：F为无人机拍摄照片的画幅；L为无人机拍摄照片画幅影像在实际中的长度；H为无人机的飞行高度。
定义f/F＝Rf，则上述式(5)可改写为：
Rf＝H/L (6)
对上述式(6)进一步变形可以得到无人机拍摄照片画幅影像在实际中的长度L为：
L＝Rf×H (7)
根据图5所示，所述航向飞行范围S1为：
S1＝B1-2(Xmf+Δ1-E) (8)
其中：B1为待测量施工现场的长边长度；Xmf为航向方向上相邻拍摄位置的间距；E为照片的最远点超过场地边缘的距离。
所述旁向飞行范围S2为：
S2＝B2-2(Xms+Δ2-E) (9)
其中：B2为待测量施工现场的短边长度；Xms为旁向方向上相邻拍摄位置的间距；E为照片的最远点超过场地边缘的距离。
由于照片的最远点超过场地边缘的距离E的值是根据工程经验确定的，取E＝10m，结合式(1)(7)和(8)可进一步得到无人机航向飞行范围为：
S1＝B1-Rf1×H+20 (10)
结合式(2)(7)和(9)可进一步得到无人机旁向飞行范围为：
S2＝B2-Rf2×H+20 (11)
所述无人机的飞行高度H为：
H≤f×GSD/Ps (12)
其中：f为无人机的机载相机的等效焦距；GSD为地面分辨率，其取值范围为0.05m～0.3m；Ps为像元尺寸。
由于无人机在摄影测量过程中因施工现场的地势高差不同，使得无人机的飞行高度将有所变化，因此飞行高度不是一个固定的值，而是具有上阈值和下阈值的一个区间。
对于无人机飞行高度的上阈值，无论施工现场是平坦场地还是高边坡场地，均通过地面分辨率GSD国标的要求进行推导，即：
Figure GDA0003591175390000081
在本实施例中，取GSD＝0.05m，并将式(13)代入式(12)中可得到无人机飞行高度的上阈值为：
H≤10mm×0.05m/0.003mm≈167m (14)
因此，无论是在平坦场地还是高边坡场地，所述飞行高度均应小于167m，以满足测绘规范对地面分辨率的要求。
对于无人机飞行高度的下阈值，当施工现场为平坦场地时，此时无人机飞行高度的下阈值根据无人机的最长工作时间和后期数据处理时间两个限制条件确定。
取航向方向上单航线10张照片数据，则可得到无人机的航向飞行范围为：
S1≤9Xmf (15)
结合式(10)和式(15)，则可得到此时飞行高度的范围为：
Figure GDA0003591175390000091
取旁向方向上当航线6张照片数据，则可得到无人机的旁向飞行范围为：
S2≤5Xms (17)
结合式(11)和式(17)，则可得到此时飞行高度的范围为：
Figure GDA0003591175390000092
即飞行高度的下阈值为：
Figure GDA0003591175390000093
因此，当施工现场为平坦场地时，飞行高度的下阈值为上述式(19)中的较大值，若通过式(19)计算得出的飞行高度H的值超过其上阈值167m时，为保证飞行高度H的下阈值在167m以下，在航向方向上和旁向方向上各添加5张照片，并重新按照上述过程进行计算即可，直至飞行高度H的下阈值小于167m。
当施工现场为高边坡场地时，由于地势高差ΔX的存在将影响图像的重叠率，此时无人机飞行高度的下阈值根据图像的重叠率确定，四十高差对图像重叠率的影响如图6所示。由于倾斜照片数据组在后期点云模型重建的照片对齐中能够有效增强图像识别，因此忽略了旁向重叠率的影响，仅考虑航向重叠率的影响。
在本实施例中，将30％的航向重叠率作为图像重叠率的控制条件，则可以得到如下关系式：
Figure GDA0003591175390000101
因此，可以得到施工现场为高边坡场地时飞行高度的下阈值为：
Figure GDA0003591175390000102
若通过上述式(21)计算得出的飞行高度H的下阈值超过上阈值167m时，为保证飞行高度H的下阈值在167m以下，增加航向重叠率Of和旁向重叠率Os，并按照上述过程重新进行计算即可，直至飞行高度H的下阈值小于167m。
S7：根据施工现场设置航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，建立施工现场的点云模型。
S8：点云模型准确性验证。
参照中国摄影测量标准规范(GB/T7930-2008)对点云模型进行精度检验，主要检查地势高差的平均误差和平面位置的平均误差检查，如不满足，则重新设置无人机的航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，再次建立施工现场的点云模型，直至点云模型的精度满足规范要求。本实施例中，施工现场为地势高差为40m的高边坡场地，其准确性验证如表1和表2所示，表1为采用本发明所述方法对地势高差的测量结果与全站仪测量结果的对比表，表2为采用本发明所述方法对平面位置的测量结果与全站仪的测量结果的对比表。
Figure GDA0003591175390000111
表1
Figure GDA0003591175390000112
表2
根据中国摄影测量标准规范(GB/T7930-2008)规定，此类地形图的地势高差精度和平面位置精度要求分别为0.3m和0.4m，由上述表1和表2可知，采用本发明所测量的地势高差和平面位置的精度均可满足规范要求，且整个过程用时1小时，其中照片获取用时20分钟、点云模型建立30分钟以及数据分析10分钟，照片获取过程中共采集照片192张，对192张照片数据重建点云模型用时30分钟，与传统方式获取的1052张照片数据重建点云模型用时5小时相比，大大缩短了点云模型的重建时间，但二者的重点数分别为2273899和2730959，由图7和图8可以看出，二者的几何精度和点颜色精度大致相同。因此，采用本方法重建的点云模型可以有效表示施工现场的情况。
综上，本发明所述方法计算得出的飞行高度、飞行范围和重叠率的选择范围如下：
飞行高度H的选择范围为：
施工现场为平坦场地时：
Figure GDA0003591175390000121
施工现场为高边坡场地时：
Figure GDA0003591175390000122
飞行范围S的选择范围为：
Figure GDA0003591175390000123
重叠率Of和Os的选择范围为：
Figure GDA0003591175390000124
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单镜头无人机飞行参数设置方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定施工现场的类型，所述施工现场的类型包括平坦场地和高边坡场地；
获取多张待测量施工现场的照片；
分别记录单镜头无人机在航向方向上和旁向方向上位于第一位置和第二位置时的动态飞行参数；
计算单镜头无人机的航向飞行范围S1、旁向飞行范围S2和飞行高度H，所述航向飞行范围S1为：S1＝B1-2(Xmf+Δ1-E)，其中，B1为待测量施工现场的长边长度、Xmf为航向方向上相邻拍摄位置的间距、Δ1为无人机在第一位置时拍摄的最远点与无人机位于第二位置时的间距、E为照片的最远点超过场地边缘的距离；所述旁向飞行范围S2为S2＝B2-2(Xms+Δ2-E)，其中，B2为待测量施工现场的短边长度、Xms为旁向方向上相邻拍摄位置的间距、Δ2为无人机在第一位置时拍摄的最远点与无人机位于第二位置时的间距、E为照片的最远点超过场地边缘的距离；所述飞行高度H为H≤f×GSD/Ps，其中f为无人机的机载相机的等效焦距、GSD为地面分辨率、Ps为像元尺寸；
根据施工现场设置航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，建立施工现场的点云模型。
2.根据权利要求1所述的一种单镜头无人机飞行参数设置方法，其特征在于：在所述步骤“确定施工现场的类型”之后还包括步骤：确定无人机的固定飞行参数。
3.根据权利要求2所述的一种单镜头无人机飞行参数设置方法，其特征在于：所述固定飞行参数包括无人机机载相机镜头的等效焦距、影像传感器的有效像素、机载相机拍摄的最大照片尺寸、无人机的最大飞行速度、最远飞行距离和最长飞行时间。
4.根据权利要求1所述的一种单镜头无人机飞行参数设置方法，其特征在于：在所述步骤“确定施工现场的类型”中，所述平坦场地包括地势平坦的场地或者是包含有深基坑的平坦场地，所述高边坡场地包括具有高边坡的场地或者是包含有深基坑的高边坡场地。
5.根据权利要求1所述的一种单镜头无人机飞行参数设置方法，其特征在于：在所述步骤“分别记录无人机在航向方向上和旁向方向上位于第一位置和第二位置时的动态飞行参数”之后，还包括步骤：设置无人机的航向重叠率和旁向重叠率。
6.根据权利要求5所述的一种单镜头无人机飞行参数设置方法，其特征在于：
所述航向重叠率Of的取值范围为：
60％≤Of≤80％；
所述旁向重叠率OS的取值范围为：
15％≤Os≤60％。
7.根据权利要求1所述的一种单镜头无人机飞行参数设置方法，其特征在于：所述地面分辨率GSD的取值范围为0.05m～0.3m。
8.根据权利要求1所述的一种单镜头无人机飞行参数设置方法，其特征在于：在所述步骤“根据施工现场设置航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，建立施工现场的点云模型”之后还包括步骤：点云模型准确性验证，检验建立的点云模型的精度是否满足规范要求，如不满足，则重新设置无人机的航向飞行范围、旁向飞行范围和飞行高度，再次建立施工现场的点云模型，直至点云模型的精度满足规范要求。
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