CN112904894A - 一种基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，包括以下步骤：前期现场实地勘测，获得边坡高度、边坡坡度、边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级；以边坡坡度选定无人机的基础飞行路径，再依顺次结合边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级，组合得到无人机倾斜摄影飞行方案；根据无人机倾斜摄影飞行方案中的无人机飞行高度，设置航向重叠率、旁向重叠率、相机倾斜角、相机高度，得到自动化图像采集方案；根据无人机倾斜摄影飞行方案控制无人机飞行，根据自动化图像采集方案控制图像采集设备拍摄边坡实景图像。本发明可以解决对边坡实景图像进行采集时无人机倾斜摄影的拍摄工作量大、拍摄效率低的技术问题。

Description

一种基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法

技术领域

本发明涉及图像采集技术领域，具体涉及一种基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法。

背景技术

我国地形地质条件复杂,频发的地质灾害给公路安全带来巨大威胁。实景三维技术以其对地形、植被的全面把握能力，已逐渐成为防灾减灾领域的重要辅助技术之一。通过无人机倾斜摄影采集影像进行实景三维建模，是近年测绘遥感领域发展起来的一项高新技术，其实现原理是通过在飞行平台上搭载一台或多台倾斜摄影相机，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，通过软件对采集到的多段影像进行解析处理，然后将解析处理后得到的坐标信息及方向角信息赋予每张影像，使得影像具有在虚拟三维空间中的位置和姿态数据，再合成高精度三维模型。

目前在通过无人机采集边坡现场的全景、实景影像时，因为边坡类型不同，无人机使用同一种航线飞行时，飞行过程中对部分类型的边坡现场影像的采集会出现较多盲点。为了最大可能的减少影像盲点，现有技术通常选用对需要采集影像的区域进行全范围覆盖叠加飞行的技术方案。按这种技术方案，无人机飞行会采用大量的叠加覆盖拍摄，飞行时间长，工作量大、工作效率低，且采集的照片数量巨大，后期图像处理要花大量的时间进行图像的筛选和排列。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，以解决现有技术中存在的对边坡实景图像进行采集时无人机倾斜摄影的拍摄工作量大、拍摄效率低的技术问题。

本发明采用的技术方案是，一种基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，包括以下步骤：

前期现场实地勘测，获得边坡高度、边坡坡度、边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级；

以边坡坡度选定无人机的基础飞行路径，再依顺次结合边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级，组合得到无人机倾斜摄影飞行方案；

根据无人机倾斜摄影飞行方案中的无人机飞行高度，设置航向重叠率、旁向重叠率、相机倾斜角、相机高度，得到自动化图像采集方案；

根据无人机倾斜摄影飞行方案控制无人机飞行，根据自动化图像采集方案控制图像采集设备拍摄边坡实景图像。

在一种可实现方式中，组合得到无人机倾斜摄影飞行方案时，优先级顺序为：边坡坡度、边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级、边坡高度。

在一种可实现方式中，以边坡坡度作为优先级时，无人机倾斜摄影飞行方案具体如下：

当边坡坡度大于35°时，为环形飞行加折线飞行；

当边坡坡度小于或等于35°时为环形飞行。

在一种可实现方式中，以边坡表面积作为优先级时，无人机倾斜摄影飞行方案具体如下：

当边坡表面积大于800平方米时，为折线飞行；

当边坡表面积大于500平方米、小于或等于800平方米时，为环形飞行加折线飞行；

当边坡表面积小于或等于500平方米时，为环形飞行。

在一种可实现方式中，以结构物密度作为优先级时，结构物包括锚杆、抗滑桩、挡墙，还包括自动化监测传感器、太阳能、仪器支架。

在一种可实现方式中，以边坡风险等级作为优先级时，无人机倾斜摄影飞行方案具体如下：

当边坡风险等级大于30时，为高空飞行或低空飞行；

当边坡风险等级小于或等于30时，为低空飞行；

高空飞行的飞行高度为高于边坡或结构物21-31米，低空飞行的飞行高度为高于边坡或结构物10-20米。

在一种可实现方式中，当无人机飞行高度高于边坡或结构物20米时，航向重叠率设为80％、旁向重叠率设为80％、相机倾斜角设为45°；

当无人机飞行高度高于边坡或结构物30米时，航向重叠率设为90％、旁向重叠率设为90％、相机倾斜角设为40°。

在一种可实现方式中，图像采集设备为航拍摄像机。

由上述技术方案可知，本发明的有益技术效果如下：

1.给出了无人机通过倾斜摄影对边坡实景图像进行采集时，各项参数的最佳取值范围，可以减小拍摄工作量、提高拍摄效率

2.同时获得较好的拍摄效果，相片数量及文件大小适合后续边坡三维建模使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例1方法流程图；

图2为本发明实施例1对于某一边坡无人机倾斜摄影飞行方案效果图；

图3为本发明实施例1航向重叠、旁向重叠示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

本实施例提供的基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，如图1所示，包括以下步骤：

前期现场实地勘测，获得边坡高度、边坡坡度、边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级；

以边坡坡度选定无人机的基础飞行路径，再依顺次结合边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级，组合得到无人机倾斜摄影飞行方案；

根据无人机倾斜摄影飞行方案中的无人机飞行高度，设置航向重叠率、旁向重叠率、相机倾斜角、相机高度，得到自动化图像采集方案；

根据无人机倾斜摄影飞行方案控制无人机飞行，根据自动化图像采集方案控制图像采集设备拍摄边坡实景图像。

无人机倾斜摄影飞行方案、自动化图像采集方案的制定，具体如下：

1、无人机倾斜摄影飞行方案

在本实施例中，为取得更优的拍摄效果，对于不同的边坡类型、不同的边坡规模，分别制定无人机倾斜摄影飞行方案进行拍摄。对于边坡类型，根据土质、岩质进行分类；对于边坡规格，根据几何特征参数进行分类，几何特征参数具体如下：

(1)边坡高度

由于无人机是采用飞行航拍，因此边坡高度在不同飞行模式下的效果和对飞行的影响较小，因此坡高作为次要评判要素，仅在建模过程中作为参数依据。在本实施例中，为保证拍摄过程中的安全作业，同时兼顾拍摄影像的高精度分辨率，设定无人机的飞行高度为大于边坡高度或边坡结构物高度的10-31米范围内的某一个高度值；即边坡高度为22米，设置无人机的飞行高度为32-53米范围内的某一个高度值。

边坡高度通过前期现场实地勘测得到。

(2)边坡坡度

由于无人机拍摄的采用的高空平面拍摄，因此边坡坡度直接决定建模的效果，边坡坡度越平缓，采集到的影像在建模时速度越快，此时可选用的飞行方式可以相对简单化。具体的，在本实施例中：

当边坡坡度较小时，设定无人机为环线飞行。环绕飞行就是无人机围绕着要建模的物体做环形飞行，并让相机对准被建模的主体进行拍摄。这种拍摄方法特别适合对单栋建筑或者标志物的拍摄，三维重建效果好，同时所需的图像也很少，非常经济实用。

当边坡坡度较大时，设定无人机为环线加折线组合飞行。折线飞行是让无人机机走“之字型”的路径，分别从正上、前、后、左、右五个角度，扫描拍摄整个需要建模的区域，这种方式比较适合拍摄大面积的场景。

边坡坡度通过前期现场实地勘测得到。

(3)边坡表面积

由于边坡表面积的大小会直接影响到无人机的飞行里程，实际操作时需要依据使用的无人机型号，结合无人机实际续航里程，设置无人机的拍摄次数。

边坡表面积通过前期现场实地勘测得到。

(4)结构物密度

结构物密度决定对无人机低空飞行要求较多，主要是对边坡表面的结构物进行定位拍摄。边坡表面的结构物包括锚杆、抗滑桩、挡墙，还包括自动化监测传感器、太阳能、仪器支架等设施。

结构物密度通过前期现场实地勘测，结合边坡坡面结构物密度等级，按照实际建模的服务对象的要求进行定量划分。

(5)边坡风险等级

边坡风险等级SLCI表示边坡已发生或预期发生地质灾害的可能性。当边坡风险等级较低，表示边坡此时未发生或发生地质灾害的可能性较小，无人机可低空近距离边坡进行拍摄。当边坡风险等级较高时，无人机则要高空远距离边坡进行拍摄，同时对边坡上的变形部位进行重点拍摄。

边坡风险等级根据前期现场实地勘测的数据评估得到。具体的，在本实施例中，依据《重庆公路边坡养护技术指南》(CQJTG/T D03-2017)得到。

因边坡高度对于飞行模式的选定影响很小，所以在本实施例中，优先以边坡坡度选定无人机的基础飞行路径，再依顺次结合边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级，组合得到最终的无人机倾斜摄影飞行方案。具体见下表表1：

表1根据边坡参数划分无人机飞行路径方案对应表

根据上表进行飞行方案的组合时，边坡参数优先级顺序为：边坡坡度＞边坡表面积＞结构物密度＞边坡风险等级＞边坡高度，当两种边坡参数对应的飞行模式不一致时，以优先级高的边坡参数对应的飞行模式作为无人机的飞行模式。以下根据上表对某一飞行方案进行举例说明：

对于某一边坡，其边坡类型是土质边坡，边坡高度为23米，边坡坡度为42°，边坡表面积为435m²，结构物密度为密集，边坡风险等级SLCI为52。首先根据边坡坡度，选择飞行模式为环形飞行加折线飞行。接下来根据边坡表面积，飞行模式应为环形飞行，但环形飞行与优先级更高的边坡坡度对应的环形飞行加折线飞行不一致，所以继续保持飞行模式为环形飞行加折线飞行。再根据结构物密度，选择飞行模式为高空飞行。然后根据边坡风险等级，飞行模式应为高空飞行或低空飞行，但高空飞行或低空飞行与优先级更高的结构物密度对应的高空飞行不一致，所以继续保持飞行模式为高空飞行。最后根据边坡高度结合边坡类型，选择无人机的飞行高度为21-31米。这样，就得出了对于某一边坡，无人机倾斜摄像飞行方案为：环形飞行加折线飞行、高空飞行、飞行高度为21-31米。根据无人机倾斜摄像飞行方案控制无人机进行飞行的软件不作限定，在本实施例中举例说明，采用Altizure APP。Altizure APP支持智能任务管理及智能续飞，可创建、存储和加载多个飞行任务。飞行前可以把任务先设置好，然后到现场之后再加载任务。若遇到突发情况还可中断任务并存储，下次继续该任务进度进行飞行。

通过上述技术方案，可以使无人机进行倾斜摄像时，在拍摄到建模需要的足够影像数据时，优化飞行路线，减少拍摄时长，提高工作效率，降低工作量。对于某一边坡，无人机倾斜摄影飞行方案效果图如图2所示

2、自动化图像采集方案

在本实施例中，使用的图像采集设备不作限定，举例说明：选用航拍摄像机。在进行自动化图像采集时，涉及到的主要参数如下：航向重叠率、旁向重叠率、相机倾斜角、高度。上述参数与飞行时长、资源消耗、建模效果有直接影响。

(1)航向重叠率

航向重叠是指像片重叠是指相邻像片相同影像的重叠。其中，同一航线上两相邻像片的重叠称航向重叠。由于相邻像片是从空中不同位置拍摄的，故重叠部分虽是同一地面，但影像不完全相同。沿航向重叠部分与像片长度之比，称为“航向重叠度”，以百分数表示。简而言之，就是同一条线路，照片与照片之间的重叠部分。航向重叠示意图如图2所示。

航拍影像属中心投影，随着投影距离的变化，投影面积的倾斜，和地形的起伏都会产生投影距离的误差，为保证航拍影像的解析精度，应尽可能利用航拍影像中接近垂直投影的部分，这就要求同一航线的航拍影像保持部分航向重叠。航摄内容的不同，航向重叠度也有所不同。在本实施例中，当无人机的飞行高度高于边坡20米时，设置航向重叠度为80％；当无人机的飞行高度高于边坡30米时，设置航向重叠度为90％。自动化图像采集方案按上述航向重叠度进行设置，可以获得较好的拍摄效果。

(2)旁向重叠率

航空摄影中，沿两条相邻航线所摄的相邻像片上有同一地面影像部分。两相邻航带之间的重叠称为旁向重叠。简而言之，就是航线线路与航线线路之间照片的重叠部分。旁向重叠示意图如图3所示。

在本实施例中，当无人机的飞行高度高于边坡20米时，设置旁向重叠度为70％；当无人机的飞行高度高于边坡30米时，设置旁向重叠度为90％。自动化图像采集方案按上述旁向重叠度进行设置，可以获得较好的拍摄效果。

(3)相机倾斜角

相机倾斜角是指通过无人机倾斜不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。垂直地面角度拍摄获取的是垂直向下的一组影像，称为正片，镜头朝向与地面成一定夹角拍摄(即相机倾斜角)获取的四组影像分别指向东、南、西、北，称为斜片。

在本实施例中，当无人机的飞行高度高于边坡20米时，设置相机倾斜角45°；当无人机的飞行高度高于边坡30米时，设置相机倾斜角40°。自动化图像采集方案按上述相机倾斜角进行设置，可以获得较好的拍摄效果。

(4)相机高度

相机高度表示相机相对于拍摄物的高度，在本实施例中等同于无人机的飞行高度。高度过高将影响相片质量，过低将增加拍摄时长及资源消耗。在本实施例中，相机高度设为高于边坡或边坡上的结构物最高点10-31米，和无人机的高度设置保持一致，都是10-31米。

以下对基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法的工作原理进行详细说明：

在获取当地飞行许可的前提下，首先利用无人机官方控制软件检查无人机安全，固件版本，确保无人机各项参数正常，并配置好相机曝光、快门、对焦等参数；同时对禁飞区数据进行更新。然后打开无人机、航拍摄像机的控制软件，在软件中设置并使用本实施例前文提供的无人机倾斜摄影飞行方案、自动化图像采集方案；无人机按飞行方案飞行，同时航拍摄像机按自动化图像采集方案进行边坡影像的采集，这样就实现了基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集。

采集到的边坡实景图像，是供后续边坡三维建模使用的。按照工程实际要求，一般情况下边坡的三维模型建模的时间控制在4小时以内，以2-3小时为宜，这样就要求用于建模的边坡实景图像相片数量，应控制在400张以内，以200-300张为宜；全部相片的数据大小控制在2GB以内。同时考虑到现有技术中，使用电池供电的无人机一个续航周期时间一般在30分钟以内，虽然可以实现换电池续飞，但出于人员成本及成像效果，一般将单次飞行时长控制在一个续航周期内，即30分钟以内，以进一步提高拍摄效率，减少换电池的等待时间。

按本实施例的技术方案，对边坡进行图像采集实际操作，飞行时长、相片数量、影像文件大小如下表表2：

表2无人机倾斜摄像边坡实景图像采集效果表

从上表中可以看出，采用本实施例的技术方案，可以满足前文提到的工程实际要求，包括单次飞行时长控制在30分钟内，相片数量在在400张以内，全部相片的数据大小控制在2GB以内。

本实施例的技术方案，给出了无人机通过倾斜摄影对边坡实景图像进行采集时，各项参数的最佳取值范围，可以减小拍摄工作量、提高拍摄效率；同时获得较好的拍摄效果，相片数量及文件大小适合后续边坡三维建模使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

前期现场实地勘测，获得边坡高度、边坡坡度、边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级；

以边坡坡度选定无人机的基础飞行路径，再依顺次结合边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级，组合得到无人机倾斜摄影飞行方案；

根据无人机倾斜摄影飞行方案中的无人机飞行高度，设置航向重叠率、旁向重叠率、相机倾斜角、相机高度，得到自动化图像采集方案；

根据无人机倾斜摄影飞行方案控制无人机飞行，根据自动化图像采集方案控制图像采集设备拍摄边坡实景图像。

2.根据权利要求1所述的基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，其特征在于，所述组合得到无人机倾斜摄影飞行方案时，优先级顺序为：边坡坡度、边坡表面积、结构物密度、边坡风险等级、边坡高度。

3.根据权利要求2所述的基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，其特征在于，以边坡坡度作为优先级时，无人机倾斜摄影飞行方案具体如下：

当边坡坡度大于35°时，为环形飞行加折线飞行；

当边坡坡度小于或等于35°时为环形飞行。

4.根据权利要求2所述的基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，其特征在于，以边坡表面积作为优先级时，无人机倾斜摄影飞行方案具体如下：

当边坡表面积大于800平方米时，为折线飞行；

当边坡表面积大于500平方米、小于或等于800平方米时，为环形飞行加折线飞行；

当边坡表面积小于或等于500平方米时，为环形飞行。

5.根据权利要求2所述的基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，其特征在于，以结构物密度作为优先级时，所述结构物包括锚杆、抗滑桩、挡墙，还包括自动化监测传感器、太阳能、仪器支架。

6.根据权利要求2所述的基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，其特征在于，以边坡风险等级作为优先级时，无人机倾斜摄影飞行方案具体如下：

当边坡风险等级大于30时，为高空飞行或低空飞行；

当边坡风险等级小于或等于30时，为低空飞行；

所述高空飞行的飞行高度为高于边坡或结构物21-31米，所述低空飞行的飞行高度为高于边坡或结构物10-20米。

7.根据权利要求1所述的基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，其特征在于：

当无人机飞行高度高于边坡或结构物20米时，所述航向重叠率设为80％、旁向重叠率设为80％、相机倾斜角设为45°；

当无人机飞行高度高于边坡或结构物30米时，所述航向重叠率设为90％、旁向重叠率设为90％、相机倾斜角设为40°。

8.根据权利要求1所述的基于无人机倾斜摄影的边坡实景图像采集方法，其特征在于：所述图像采集设备为航拍摄像机。

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