CN112254713B - 一种面向高大密集建筑群的无人机倾斜摄影参数确定方法 - Google Patents

一种面向高大密集建筑群的无人机倾斜摄影参数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向高大密集建筑群的无人机倾斜摄影参数确定方法，基本步骤为：现场踏勘，确定高大密集建筑群空间分布情况；确定航线高度；确定航线间隔；确定旁向重叠度和航向重叠度；确定航线方向。本发明提供的方法具有科学合理、易于实现、应用范围广、冗余少等优点，以该方法获得的倾斜摄影参数进行航线规划可以有效减少总航线的长度，提高工作效率；同时构建的高大密集建筑群实景三维模型，所有位置的影像地面分辨率均满足精度要求，每栋建筑均保持完整的侧面纹理，不存在破损、失真或拉花等现象，整体效果较好。

Description

一种面向高大密集建筑群的无人机倾斜摄影参数确定方法
技术领域
本发明涉及摄影测量学领域，尤其涉及面向高大密集建筑群的五镜头无人机倾斜摄影的应用领域，具体说是一种面向高大密集建筑群的无人机倾斜摄影参数确定方法。
背景技术
随着数字城市对精细实景三维模型的需求日益显著，建立真实的三维景观显示出了较高的应用前景和经济价值。无人机倾斜摄影测量技术因其获取数据灵活、便捷、成本低及建模精度高等特点，已经成为了城市实景三维建模的一种重要方法，在测绘领域广泛应用。
在当前城市三维建模中，搭载五镜头相机的多旋翼无人机航线参数通常由操作人员对现场经过简单踏勘后，依据自身经验或相应规范进行确定。在城市高大密集建筑群区域，建筑物相互遮挡，存在较多视野盲区，易造成建筑物三维模型的破损、失真或拉花，严重影响模型的使用体验。此外，在地势起伏较大的区域，会出现海拔较低的地区的影像地面分辨率不能满足精度要求的情况。因此，找到一种有效的解决办法显得很有必要。
本发明通过确定高大密集建筑群所需的影像地面分辨率及所在区域的空间几何信息，提出一种面向高大密集建筑群的无人机倾斜摄影参数确定方法，以该方法获得的倾斜摄影参数进行航线规划可以有效减少总航线的长度，提高工作效率；同时构建的高大密集建筑群实景三维模型，所有位置的影像地面分辨率均满足精度要求，每栋建筑均保持完整的侧面纹理，不存在破损、失真或拉花等现象，整体效果较好。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种面向高大密集建筑群的无人机倾斜摄影参数确定方法，依据高大密集建筑群所需影像地面分辨率及区域的空间几何信息，确定五镜头多旋翼无人机倾斜摄影参数，从而减少无人机规划航线的长度，提高工作效率，并使三维模型区域内所有位置都满足影像地面分辨率需求、每栋建筑都保持完整的侧面纹理。
(二)技术方案
本发明至少包含以下步骤：
(1)通过现场踏勘获取研究区域内最高建筑物的高度h0、建筑物间距与高度比最小建筑物A、A的高度h1、A与相邻建筑物B的间距l、起飞点的高程H1和区域内最低点的高程H2；
(2)利用步骤(1)得到的现场踏勘数据，确定航线高度H0；
其中，确定航线高度H0的过程如下：
(2.1)计算理论航线高度h，公式如下：
h＝f·GSD/a
式中，h为理论航线高度，单位为m；f为摄影镜头焦距，单位为mm；GSD为影像地面分辨率，单位为m；a为像元尺寸，单位为mm；
(2.2)计算无人机起飞点与区域内最低点的高差，公式如下：
ΔH＝H1-H2；
(2.3)确定航线高度H0，公式如下：
h0＜H0≤h-ΔH
航线高度H0的选择尽量向h-ΔH靠近，远离h0；
(3)利用步骤(1)得到的现场踏勘数据和步骤(2)得到的航线高度H0，计算得到航线间隔d；
其中，确定航线间隔d的过程如下：
(3.1)计算五镜头倾斜相机的侧视镜头视场角
Figure BDA0002732189870000021
和下视镜头视场角ω，公式如下：
Figure BDA0002732189870000022
式中，f1和f2分别为侧视镜头与下视镜头的焦距，L为相机沿无人机前进方向每一列包含的像元数量；
(3.2)计算五镜头倾斜相机可以完整采集到最高建筑物侧面墙体的顶部纹理时航线间隔最大值dmax，公式如下：
Figure BDA0002732189870000031
式中，θ为五镜头倾斜相机侧视镜头视线与竖直线的夹角；
(3.3)当
Figure BDA0002732189870000032
时，计算五镜头倾斜相机完整采集建筑物B底部影像和一半道路影像的最大航线间隔d1，公式如下：
Figure BDA0002732189870000033
此时，航线间隔d的大小为dmax与d1的最小值；
当
Figure BDA0002732189870000034
时，计算五镜头倾斜相机完整采集建筑物B底部影像和一半道路影像的最大航线间隔d2，公式如下：
Figure BDA0002732189870000035
此时，航线间隔d的大小为dmax与d2的最小值；
(4)利用步骤(1)得到的现场踏勘数据、步骤(2)得到的航线高度H0和步骤(3)得到的航线间隔d，计算得到旁向重叠度β和航向重叠度γ；
其中，旁向重叠度β和航向重叠度γ的计算公式为：
Figure BDA0002732189870000036
式中，当
Figure BDA0002732189870000037
时，f取f1；当
Figure BDA0002732189870000038
时，f取f2；
若β和γ的计算值小于0.53，β和γ都定为0.53；若β和γ的计算值大于等于0.53，β和γ则为上式取值；
(5)确定航线方向
Figure BDA0002732189870000041
获取无人机飞行航线范围构成多边形的最长边e、e距离起飞点较近的顶点D和较远的顶点E，确定航线方向
Figure BDA0002732189870000042
为
Figure BDA0002732189870000043
指向的方向。
(三)有益效果
本发明以倾斜摄影测量为基础，具有流程严密准确，实现过程简单易懂的特点。以该方法获得的倾斜摄影参数进行航线规划可以有效减少总航线的长度、提高工作效率，同时构建的高大密集建筑群实景三维模型，所有位置的影像地面分辨率均满足精度要求，每栋建筑均保持完整的侧面纹理，不存在破损、失真或拉花等现象，整体效果较好。
附图说明：
图1为本发明实施的步骤流程图；
图2为五镜头倾斜相机恰好完整采集到最高建筑物侧面墙体顶部纹理示意图；
图3为五镜头倾斜相机侧视镜头恰好采集到建筑物B底部影像和一半道路影像示意图；
图4为五镜头倾斜相机下视镜头恰好采集到建筑物B底部影像和一半道路影像示意图。
具体实施方法：
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作一步详细描述：
参照图1，本发明的具体实施步骤为：
(1)通过现场踏勘获取研究区域内最高建筑物的高度h0、建筑物间距与高度比最小建筑物A、A的高度h1、A与相邻建筑物B的间距l、起飞点的高程H1和区域内最低点的高程H2，为制定后续方案做准备；
其中，建筑物的高度通过全站仪获取，建筑物的间距通过测距仪获取，区域内各点位的高程通过GPS接收机获取；
(2)利用步骤(1)得到的现场踏勘数据，确定航线高度H0；
其中，确定航线高度H0的过程如下：
(2.1)计算理论航线高度h，公式如下：
h＝f·GSD/a
式中，h为理论航线高度，单位为m；f为摄影镜头焦距，单位为mm；GSD为影像地面分辨率，单位为m；a为像元尺寸，单位为mm；
(2.2)计算无人机起飞点与区域内最低点的高差，公式如下：
ΔH＝H1-H2；
(2.3)确定航线高度H0，公式如下：
h0＜H0≤h-ΔH
为提高工作效率，航线高度H0的选择尽量向h-ΔH靠近，远离h0；
(3)利用步骤(1)得到的现场踏勘数据和步骤(2)得到的航线高度H0，计算得到航线间隔d；
其中，确定航线间隔d的过程如下：
(3.1)计算五镜头倾斜相机的侧视镜头视场角
Figure BDA0002732189870000051
和下视镜头视场角ω，公式如下：
Figure BDA0002732189870000052
式中，f1和f2分别为侧视镜头与下视镜头的焦距，L为相机沿无人机前进方向每一列包含的像元数量；
(3.2)参照附图2，计算五镜头倾斜相机可以完整采集到最高建筑物侧面墙体的顶部纹理时航线间隔最大值dmax，公式如下：
Figure BDA0002732189870000053
式中，θ为五镜头倾斜相机侧视镜头视线与竖直线的夹角；
优选的，θ取45°；
(3.3)当
Figure BDA0002732189870000061
时，参照附图3，计算五镜头倾斜相机完整采集建筑物B底部影像和一半道路影像的最大航线间隔d1，公式如下：
Figure BDA0002732189870000062
此时，航线间隔d的大小为dmax与d1的最小值；
当
Figure BDA0002732189870000063
对，参照附图4，计算五镜头倾斜相机完整采集建筑物B底部影像和一半道路影像的最大航线间隔d2，公式如下：
Figure BDA0002732189870000064
此时，航线间隔d的大小为dmax与d2的最小值；
(4)利用步骤(1)得到的现场踏勘数据、步骤(2)得到的航线高度H0和步骤(3)得到的航线间隔d，计算得到旁向重叠度β和航向重叠度γ；
其中，旁向重叠度β和航向重叠度γ的计算公式为：
Figure BDA0002732189870000065
式中，当
Figure BDA0002732189870000066
时，f取f1；当
Figure BDA0002732189870000067
时，f取f2；
若β和γ的计算值小于0.53，β和γ都定为0.53；若β和γ的计算值大于等于0.53，β和γ则为上式取值；
(5)确定航线方向
Figure BDA0002732189870000068
依据需要进行实景三维建模的高大密集建筑群的范围，确定无人机飞行航线范围，获取飞行航线范围构成多边形的最长边e、e距离起飞点较近的顶点D和较远的顶点E，确定航线方向
Figure BDA0002732189870000071
为
Figure BDA0002732189870000072
指向的方向。
通过高大密集建筑群区域实地实验，可以确定以该方法获得的倾斜摄影参数进行航线规划可以有效减少总航线的长度，提高工作效率；同时构建的实景三维模型，所有位置的影像地面分辨率均满足精度要求，每栋建筑均保持完整的侧面纹理，不存在破损、失真或拉花等现象，整体效果较好。

Claims (1)

1.一种面向高大密集建筑群的无人机倾斜摄影参数确定方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)通过现场踏勘获取研究区域内最高建筑物的高度h0、建筑物间距与高度比最小建筑物A、A的高度h1、A与相邻建筑物B的间距l、起飞点的高程H1和区域内最低点的高程H2；
(2)利用步骤(1)得到的现场踏勘数据，确定航线高度H0；
其中，确定航线高度H0的过程如下：
(2.1)计算理论航线高度h，公式如下：
h＝f·GSD/a
式中，h为理论航线高度，单位为m；f为摄影镜头焦距，单位为mm；GSD为影像地面分辨率，单位为m；a为像元尺寸，单位为mm；
(2.2)计算无人机起飞点与区域内最低点的高差，公式如下：
ΔH＝H1-H2；
(2.3)确定航线高度H0，公式如下：
h0＜H0≤h-ΔH
航线高度H0的选择尽量向h-ΔH靠近，远离h0；
(3)利用步骤(1)得到的现场踏勘数据和步骤(2)得到的航线高度H0，计算得到航线间隔d；
其中，确定航线间隔d的过程如下：
(3.1)计算五镜头倾斜相机的侧视镜头视场角
Figure FDA0002732189860000011
和下视镜头视场角ω，公式如下：
Figure FDA0002732189860000012
式中，f1和f2分别为侧视镜头与下视镜头的焦距，L为相机沿无人机前进方向每一列包含的像元数量；
(3.2)计算五镜头倾斜相机可以完整采集到最高建筑物侧面墙体的顶部纹理时航线间隔最大值dmax,公式如下：
Figure FDA0002732189860000021
式中，θ为五镜头倾斜相机侧视镜头视线与竖直线的夹角；
(3.3)当
Figure FDA0002732189860000022
时，计算五镜头倾斜相机完整采集建筑物B底部影像和一半道路影像的最大航线间隔d1，公式如下：
Figure FDA0002732189860000023
此时，航线间隔d的大小为dmax与d1的最小值；
当
Figure FDA0002732189860000024
时，计算五镜头倾斜相机完整采集建筑物B底部影像和一半道路影像的最大航线间隔d2，公式如下：
Figure FDA0002732189860000025
此时，航线间隔d的大小为dmax与d2的最小值；
(4)利用步骤(1)得到的现场踏勘数据、步骤(2)得到的航线高度H0和步骤(3)得到的航线间隔d，计算得到旁向重叠度β和航向重叠度γ；
其中，旁向重叠度β和航向重叠度γ的计算公式为：
Figure FDA0002732189860000026
式中，当
Figure FDA0002732189860000031
时，f取f1；当
Figure FDA0002732189860000032
时，f取f2；
若β和γ的计算值小于0.53，β和γ都定为0.53；若β和γ的计算值大于等于0.53，β和γ则为上式取值；
(5)确定航线方向
Figure FDA0002732189860000033
获取无人机飞行航线范围构成多边形的最长边e、e距离起飞点较近的顶点D和较远的顶点E，确定航线方向
Figure FDA0002732189860000034
为
Figure FDA0002732189860000035
指向的方向。
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