CN112146629A - 一种多角度贴近摄影航迹与姿态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多角度贴近摄影航迹和姿态规划方法，实现贴近摄影测量的“倾斜”摄影功能，以便完整获取贴近摄影对象(如斜坡面、房屋立面等)表面纹理信息且增加影像间交会角，从而保证精细三维重建的完整性和精度。已有测绘产品或者常规摄影测量获取的摄影区域初始地形，为多角度贴近摄影航迹与姿态规划提供依据，通过设置交向摄影和俯仰摄影的角度，并根据拍摄区域的高程和对应的拍摄距离，自动计算多角度贴近摄影航迹与姿态。本方法针对“贴近摄影测量”仅进行正对摄影时三维重建成果精度不够高且覆盖完整度不够而提出，可以有效提高贴近摄影影像交会角和摄影目标的覆盖度，从而保证成果精度和完整度，同时计算效率高，稳定性强，操作简便。

Description

一种多角度贴近摄影航迹与姿态规划方法

技术领域

本发明涉及一种多角度贴近摄影航迹与姿态规划方法，其中多角度摄影航迹自动计算是该方法的关键技术。

背景技术

在常规竖直摄影测量中，立体像对间的最大交会角约为相机视场角的0.4倍(往往小于90°)，因此常规摄影测量的平面精度通常优于高程方向(或深度方向)精度。为了提高高程方向的精度，需要增大影像的交会角，一般会采用倾斜摄影(交向摄影和俯仰摄影)的方式来拍摄数据。

贴近摄影测量，即利用贴近物体表面摄影获取的高清影像进行摄影测量，获取被摄物体精确坐标、精细形状，进而得到精确的地理信息成果。贴近摄影测量的本质是对面摄影，如果将这个面旋转到水平位置，那么就与常规的摄影测量一致。因此，为了增大贴近摄影测量的交会角，保证精细重建精度，也需针对贴近摄影测量增加“倾斜”摄影。不同于常规航空倾斜摄影的前后视与左右视，贴近摄影测量的倾斜摄影包括交向摄影和俯仰摄影，其中交向摄影的倾斜角沿飞行方向设置，俯仰角则垂直于飞行方向设置。在另一方面，增加“倾斜”摄影影像还可以保证最终获取的数据能够覆盖那些在对目标进行平面拟合过程中被忽略的结构(如，建筑物立面上的空调，大坝上的变形观测站以及山体滑坡凸出的部分)。

目前而言，用于贴近摄影的旋翼无人机只有单个镜头，不能一次性获取多个方向的倾斜影像，因此有必要利用单镜头来模拟交向拍摄和俯仰拍摄。

对比于常规的倾斜摄影测量，如图1所示，五视倾斜相机每次曝光的时候，是位于一个摄站点同时拍摄五个不同的区域。通过不同航线之间拍摄的重叠来提高立体像对间的交会角。但是不同航线之间的重叠并不稳定，很难将同一区域的不同角度拍摄完全。而基于贴近摄影测量的多角度航迹与姿态规划方法能够很好的解决这一问题。

如图2所示，在贴近摄影测量航迹规划中无人机镜头始终正对目标区域，可以被视为贴近摄影测量的“下视镜头”。假设贴近摄影测量的倾斜角度设置为γ，那么，贴近摄影测量的“倾斜”则是在“下视”的基础上：(1)“左右视”，即交向摄影，无人机机身在水平方向上(XY平面)左右偏转γ，为与无人机旋偏角的定义保持一致，定义向右倾斜为正，向左倾斜为负；(2)“上下视”，即俯仰摄影，无人机镜头在竖直方向(XZ平面)上下旋转θ进行拍摄。无人机正交摄影、交向摄影和俯仰摄影结合起来，完整拍摄到目标区域的所有角度，共同组成了贴近摄影测量的多角度航迹。

本方法基于“贴近摄影测量”的理念，利用旋翼无人机进行多角度摄影。在正对目标拍摄的基础上，增加规划了相机左右倾斜和上下倾斜一定角度进行拍摄的航迹与姿态，从而为贴近摄影测量有力补充了交向摄影和俯仰摄影的影像数据，增加了影像的交会角，进而保证精细重建结果的精度和完整性。本发明的算法规划精度高，计算速度快，自动化程度高。

发明内容

本发明主要解决“贴近摄影测量”只有正对拍摄情况下立体像对间交会角不够大、摄影测量成果精度不够高的问题。本发明提出了一种多角度贴近摄影航迹与姿态规范方法，实现贴近摄影测量的五视“倾斜”摄影，从而提高拍摄影像立体像对间交会角，保证精细重建结果的精度和完整性，同时这种算法为全自动，处理效率高。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决：一种多角度贴近摄影航迹与姿态规划方法，包括以下步骤：

步骤1，获取测区范围内所有目标的低分辨率无人机影像；

步骤2，根据步骤1获取的低分辨率无人机影像，进行空中三角测量和密集匹配，得到测区范围粗略的初始地形信息；

步骤3，根据项目实际需求，设置无人机拍摄的多个角度以及拍摄距离参数；

步骤4，根据步骤3的参数，结合测区初始地形信息，拟合拍摄面，并计算得到无人机贴近摄影测量多角度航迹，生成对应的航迹文件；

步骤5，对于不方便进行拍摄的区域，将初始地形信息，即DEM或者三维Mesh对应的该部分区域单独分割出来，然后重复步骤3和4，生成对应该区域的特定航迹文件。

进一步的，步骤4中，根据设定的参数，计算得到下视、左视、右视、俯视、仰视共5个视角摄影的航迹与姿态，且所有视角的拍摄范围对应的地面投影均在同一目标区域，保证目标区域的所有角度均被有效拍摄，从而增加目标区域立体像对间的交会角，提高摄影测量成果的精度。

进一步的，步骤4中，先飞仰视的航线，再飞下视、左视、右视的航线，最后飞俯视的航线。

进一步的，步骤4中，计算得到无人机贴近摄影测量多角度航迹，生成对应的航迹文件，其具体实现方式如下，

对于竖直平面，在飞行过程中，无人机机身朝向并垂直于立面，设立面法向量的水平单位分量为(N(x,y))，则无人机机身沿着水平单位分量的反方向为(-N)，无人机机身偏角为正北方向单位向量Q(1，0)到向量-N的夹角；定义无人机旋偏角κ为正北方向到无人机机头的角度，顺时针为正，逆时针为负，取值范围为-180°到180°，则旋偏角计算公式为：

其中，x,y是立面法向量的水平单位分量，κ′是计算得到的无人机机身旋偏角；

根据小孔成像原理可知，当相机的视场角为fov，摄影距离为d时，对应的地面成像范围(G)为：

由公式(6)可知，影像水平方向的覆盖范围

fov_x是指X方向的视场角，即“水平视场角”；水平方向上影像间重叠长度O_x＝o_xG_x，o_x表示相邻两张影像的重叠率，那么，在水平方向上两个相邻曝光点间的距离应为：

因此，在轨迹规划平面内，设v′₁，v′₂表示规划面的底边两个顶点的坐标，沿v′₁到v′₂方向，间隔Δs距离，计算出航线中所有曝光点的平面坐标；

V＝{v_i|v_i＝v′₁+i(K·Δs)，i∈[0，N_h)} (4)

其中，

表示从v′₁到v′₂方向的单位向量；在计算过程中，以

作为截止条件，则一条航线中曝光点的数目为N_h；

由三角函数知识可得，倾斜时相机成像范围由公式(6)变为：

其中，γ为无人机水平方向倾斜的角度，因此，首先在竖直方向上按照公式(5)计算所有曝光点的高程值，然后按照更新后的公式(8)计算曝光点水平位置：

其中，

仍然表示从v′₁到v′₂方向的单位向量；

表示轨迹规划面向左或向右平移的距离，fov_y是指Y方向的视场角，即“垂直视场角”；

对于倾斜平面，无人机位置的计算与竖直平面的计算方法相同，而无人机姿态的计算为，设倾斜平面使用点法式表示为：

a(X-X_P)+b(Y-Y_P)+c(Z-Z_P)＝0

其中

为倾斜平面P的法向量，X_P，Y_P，Z_P为倾斜平面P上点的坐标；

为保证相机始终面向平面P，无人机机头方向应保持垂直于飞行方向并朝向平面P一侧，相机光轴方向为

按下式计算无人机的偏转角κ和俯仰角

κ＝atan2(-a，-b)

式中atan2为两个参数的反正切函数，其返回值范围为[-π，π]。

本发明具有如下优点：有效增加立体像对的交会角，能够明显提升贴近摄影测量的精度，且本方法能自动运行，操作简便，稳定性强，整体效率非常高。

附图说明

图1为常规倾斜摄影单次曝光拍摄的示意图。

图2为同一区域的贴近摄影测量多角度(五视)航迹拍摄示意图。

图3为水平倾斜时成像覆盖范围的变化，(a)(b)分别是视场角与立面“倾斜”γ时的角度比较示意图。细虚线和实线分别表示正对时相机主光轴和视角范围；粗虚线和实线分别表示倾斜时相机主光轴和视角范围。

图4为立面“倾斜”γ时航迹规划水平方向示意图。最外层的四边形是平移之后的轨迹规划面；与圆相连的虚线分别表示正对立面和倾斜之后的相机主光轴；三角形实线表示倾斜之后相机水平方向的视角范围。

图5为同一航线不同区域的贴近摄影测量多角度航迹示意图。其中1到5为实际飞行时无人机的拍摄顺序。

图6为本发明的总体流程图；

图7为龙门峡区域地形(稀疏点云)示意图。

图8为龙门峡区域生成的多角度贴近摄影航迹示意图，其中1到5为同一高度航线的拍摄顺序。

图9为龙门峡区域生成的多角度贴近摄影航迹示意图。图中，前面深色区域为多角度贴近摄影航迹，后面白色点为龙门峡区域的稀疏点云。

图10为龙门峡区域生成的多角度贴近摄影航迹示意图。图中，前面深色区域为多角度贴近摄影航迹，后面白色点为龙门峡区域的稀疏点云。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明的方法以旋翼无人机进行多角度贴近摄影，实现贴近摄影测量的“倾斜”摄影，从而提高拍摄影像立体像对间交会角，保证重建结果的精度和完整性，其核心过程包括以下步骤：

步骤1，根据现场勘查的资料，若已有分辨率较高的DEM或者三维Mesh数据，则直接作为初始地形信息。若没有，则人工操作旋翼无人机进行常规的摄影测量拍摄，获取测区范围内所有目标的低分辨率无人机影像。

步骤2，根据步骤1获取的低分辨率无人机影像，进行空中三角测量和密集匹配，得到测区范围粗略的初始地形信息。

步骤3，根据项目实际需求，设置无人机拍摄的多个角度以及拍摄距离必要参数。

步骤4，根据步骤3的参数，结合测区初始地形信息，拟合拍摄面，并计算得到无人机贴近摄影测量多角度航迹，生成对应的航迹文件。

步骤5，对于不方便进行拍摄的区域，可以将初始地形信息(DEM或者三维Mesh)对应的该部分区域单独分割出来，然后重复步骤3和4，生成对应该区域的特定航迹文件。

进一步的，步骤4中计算得到无人机贴近摄影测量多角度航迹，生成对应的航迹文件，其具体方式实现如下，

当无人机“倾斜”时，相机的主光轴不再正对目标，对应的成像范围也发生改变。以水平方向倾斜γ为例，成像覆盖范围变化如图3所示，细虚线和实线分别表示正对时相机主光轴和视角范围；粗虚线和实线分别表示倾斜时相机主光轴和视角范围。其中左图(a)为

右图(b)为

fov是指相机的视场角。

对于竖直平面，在飞行过程中，无人机机身应朝向并垂直于立面，设立面法向量的水平单位分量为(N(x,y))，则无人机机身沿着水平单位分量的反方向(-N)，则由图4可知，无人机机身偏角为正北方向单位向量Q(1，0)到向量-N的夹角。定义无人机旋偏角κ为正北方向到无人机机头的角度，顺时针为正，逆时针为负，取值范围为-180°到180°则旋偏角计算公式为：

其中，x,y是立面法向量的水平单位分量，κ′是计算得到的无人机机身旋偏角，因为κ取值范围是-180°到180°，因此计算出来的κ′需要调整后才得到κ。

根据小孔成像原理可知，当相机的视场角为fov，摄影距离为d时，对应的地面成像范围(G)为：

由公式(6)可知，在图4中，影像水平方向的覆盖范围

fov_x是指X方向的视场角，即“水平视场角”；水平方向上影像间重叠长度O_x＝o_xG_x，o_x表示相邻两张影像的重叠率，那么，在水平方向上两个相邻曝光点间的距离应为：

因此，在轨迹规划平面内，设v′₁，v′₂表示规划面的底边两个顶点的坐标，可以沿v′₁到v′₂方向，间隔Δs距离，计算出航线中所有曝光点的平面坐标。

V＝{v_i|v_i＝v′₁+i(K·Δs)，i∈[0，N_h)} (8)

其中，

表示从v′₁到v′₂方向的单位向量；在计算过程中，本文以

作为截止条件，则一条航线中曝光点的数目为N_h。

由三角函数知识可得，倾斜时相机成像范围由公式(6)变为：

其中，γ为无人机水平方向倾斜的角度，因此，首先在竖直方向上按照公式5计算所有曝光点的高程值；然后按照更新后的公式(8)计算曝光点水平位置：

其中，

仍然表示从v′₁到v′₂方向的单位向量；

表示轨迹规划面向左(或向右)平移的距离，fov_y是指Y方向的视场角，即“垂直视场角”；

而对于倾斜平面，无人机位置的计算同上，但是无人机姿态的计算略有区别。设倾斜平面使用点法式表示为：

a(X-X_P)+b(Y-Y_P)+c(Z-Z_P)＝0

其中

为倾斜平面P的法向量，X_P，Y_P，Z_P为倾斜平面P上点的坐标。

为保证相机始终面向平面P，无人机机头方向应保持垂直于飞行方向并朝向平面P一侧，相机光轴方向为

可按下式计算无人机的偏转角κ和俯仰角

κ＝atan2(-a，-b)

式中atan2(y，x)为两个参数的反正切函数，相当于计算y/x的反正切，其返回值范围为[-π，π]。

需要注意的是，大疆无人机的摄像头，以水平面为0°，向下可以倾斜最多90°，而向上，最多只能倾斜30°，但向上倾斜只能通过手动操作的方式实现，因此在设置俯仰摄影的参数时，需要注意这方面限制。

贴近摄影测量多角度航迹与姿态如图5所示，每个目标区域都会有下视、左视、右视、俯视、仰视5个角度进行贴近摄影，保证目标区域每个角度都被拍摄到。另外由于无人机攀升需要耗费较多的电量，为了省电并提高拍摄的效率，因此按照图中1到5的顺序进行飞行，先飞仰视的航线，再飞下视、左视、右视的航线，最后飞俯视的航线。

实施例：

本发明提供的技术方案是，一种以旋翼无人机进行交向摄影，实现贴近摄影测量的“倾斜”摄影，从而提高拍摄影像立体像对间交会角，保证精细重建结果精度的方法。如图6所示，包括以下步骤：

步骤1，根据现场勘查的资料，若已有分辨率较高的DEM或者三维Mesh数据，则直接作为初始地形信息。若没有，则人工操作旋翼无人机进行常规的摄影测量拍摄，获取测区范围内所有目标的低分辨率无人机影像。

步骤2，根据步骤1获取的低分辨率无人机影像，进行空中三角测量和密集匹配，得到测区范围粗略的初始地形信息。如图7所示，为龙门峡区域的稀疏点云信息示意图。

步骤3，根据项目实际需求，设置无人机左右倾斜和上下倾斜拍摄的角度和对应目标区域的拍摄距离。

步骤4，根据步骤3参数，结合测区初始地形信息，拟合拍摄面，并计算得到无人机贴近摄影测量多角度航迹，并生成对应的航迹文件。如图8所示，为龙门峡区域生成的多角度贴近摄影航迹，图中标号1到5，为同一高度下无人机拍摄的飞行顺序。

步骤5，因为龙门峡区域没有不方便进行拍摄的区域，因此不需要将部分区域单独分割出来，然后重复步骤3和4，生成对应该区域的特定航迹文件。如图9、10所示，为龙门峡区域生成的多角度贴近摄影航迹示意图。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种多角度贴近摄影航迹与姿态规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取测区范围内所有目标的低分辨率无人机影像；

步骤2，根据步骤1获取的低分辨率无人机影像，进行空中三角测量和密集匹配，得到测区范围粗略的初始地形信息；

步骤3，根据项目实际需求，设置无人机拍摄的多个角度以及拍摄距离参数；

步骤4，根据步骤3的参数，结合测区初始地形信息，拟合拍摄面，并计算得到无人机贴近摄影测量多角度航迹，生成对应的航迹文件；

步骤5，对于不方便进行拍摄的区域，将初始地形信息，即DEM或者三维Mesh对应的该部分区域单独分割出来，然后重复步骤3和4，生成对应该区域的特定航迹文件。

2.如权利要求1所述的一种多角度贴近摄影航迹与姿态规划方法，其特征在于：步骤4中，根据设定的参数，计算得到下视、左视、右视、俯视、仰视共5个视角摄影的航迹与姿态，且所有视角的拍摄范围对应的地面投影均在同一目标区域，保证目标区域的所有角度均被有效拍摄，从而增加目标区域立体像对间的交会角，提高摄影测量成果的精度。

3.如权利要求2所述的一种多角度贴近摄影航迹与姿态规划方法，其特征在于：步骤4中，先飞仰视的航线，再飞下视、左视、右视的航线，最后飞俯视的航线。

4.如权利要求1所述的一种多角度贴近摄影航迹与姿态规划方法，其特征在于：步骤4中，计算得到无人机贴近摄影测量多角度航迹，生成对应的航迹文件，其具体实现方式如下，

对于竖直平面，在飞行过程中，无人机机身朝向并垂直于立面，设立面法向量的水平单位分量为(N(x,y))，则无人机机身沿着水平单位分量的反方向为(-N)，无人机机身偏角为正北方向单位向量Q(1，0)到向量-N的夹角；定义无人机旋偏角κ为正北方向到无人机机头的角度，顺时针为正，逆时针为负，取值范围为-180°到180°，则旋偏角计算公式为：

其中，x,y是立面法向量的水平单位分量，κ′是计算得到的无人机机身旋偏角；

根据小孔成像原理可知，当相机的视场角为fov，摄影距离为d时，对应的地面成像范围(G)为：

由公式(2)可知，影像水平方向的覆盖范围

fov_x是指X方向的视场角，即“水平视场角”；水平方向上影像间重叠长度O_x＝o_xG_x，o_x表示相邻两张影像的重叠率，那么，在水平方向上两个相邻曝光点间的距离应为：

因此，在轨迹规划平面内，设v′₁，v′₂表示规划面的底边两个顶点的坐标，沿v′₁到v′₂方向，间隔Δs距离，计算出航线中所有曝光点的平面坐标；

V＝{v_i|v_i＝v′₁+i(K·Δs)，i∈[0，N_h)} (4)

其中，

表示从v′₁到v′₂方向的单位向量；在计算过程中，以

作为截止条件，则一条航线中曝光点的数目为N_h；

由三角函数知识可得，倾斜时相机成像范围由公式(2)变为：

其中，γ为无人机水平方向倾斜的角度，因此，首先在竖直方向上按照公式(5)计算所有曝光点的高程值，然后按照更新后的公式(4)计算曝光点水平位置：

其中，

仍然表示从v′₁到v′₂方向的单位向量；

表示轨迹规划面向左或向右平移的距离，fov_y是指Y方向的视场角，即“垂直视场角”；

对于倾斜平面，无人机位置的计算与竖直平面的计算方法相同，而无人机姿态的计算为，设倾斜平面使用点法式表示为：

a(X-X_P)+b(Y-Y_P)+c(Z-Z_P)＝0

其中

为倾斜平面P的法向量，X_P，Y_P，Z_P为倾斜平面P上点的坐标；

为保证相机始终面向平面P，无人机机头方向应保持垂直于飞行方向并朝向平面P一侧，相机光轴方向为

按下式计算无人机的偏转角κ和俯仰角

κ＝atan2(-a，-b)

式中atan2为两个参数的反正切函数，其返回值范围为[-π，π]。

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