CN114383574A - 一种无人机双目快速三维量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机双目快速三维量测方法，首先利用室外检校场对无人机上搭载的双目相机的光学镜头畸变参数进行检校，得到检校参数；再对所搭载的双目相机进行空间后方交会的外方位元素解算，得到双目相机外方位参数；利用无人机上搭载的双目相机对监测目标进行远程拍照，得到双目影像；根据得到的双目影像、检校参数、双目相机外方位参数，在图像上量测点或直线的三维坐标和距离，实现对监测目标的三维量测和距离量测。该方法利用无人机搭载的双目相机实现对目标的快速高精度测量，能够在10米距离以内达到子毫米级量测精度。

Description

一种无人机双目快速三维量测方法

技术领域

本发明涉及无人机三维量测技术领域，尤其涉及一种无人机双目快速三维量测方法。

背景技术

无人机用于测量技术近年来逐步突破了传统航测精度的限制，结合像控技术，已经能够满足1：500、1：1000、1：2000等大比例尺地形图精度要求。过去进行测绘作业，需要大量进行地面人工打点才能获取高精度数据，不但费时费力，其合理性还高度依赖于作业员的经验，甚至当地信号、交通、地理地形等条件。在工期和成本紧张的情况下，测绘工作人员往往只能尽量减少控制点的使用量，这就对最终成果的精度产生潜在的威胁。

无人机摄影测量分为外业和内业两个部分：

外业主要流程为：前期准备、测区环境勘察、像控布设、无人机及云台搭建、航线规划、飞行作业、航测数据导出；内业主要流程有：航测数据整理、POS数据整理(ppk解算)、空三加密、刺像控平差、三维建模及生成DOM/DSM/DEM等、使用数据采集软件加载生成的模型并进行DLG线画图。无人机航测数据及pos数据整理好后进行航测数据处理。

这些传统或者新近的无人机三维建模整体上流程繁复，作业效率低下，在应急和人力成本、时间成本上投入较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人机双目快速三维量测方法，该方法利用无人机搭载的双目相机实现对目标的快速高精度测量，能够在10米距离以内达到子毫米级量测精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种无人机双目快速三维量测方法，所述方法包括：

步骤1、首先利用室外检校场对无人机上搭载的双目相机的光学镜头畸变参数进行检校，得到检校参数；

步骤2、再对所搭载的双目相机进行空间后方交会，解算出双目相机外方位参数；

步骤3、利用无人机上搭载的双目相机对监测目标进行近距离近景拍照，得到双目影像；

步骤4、根据步骤3得到的双目影像、步骤1得到的检校参数、步骤2得到的双目相机外方位参数，分别采集双目影像中同名点的像素坐标，并由任意两点的三维坐标计算出被量测物体的尺寸或者距离。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法利用无人机搭载的双目相机实现对目标的快速高精度测量，能够在10米距离以内达到子毫米级量测精度，可用来检测重点工程相应部件的尺寸、覆冰、破损和完整性等情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的无人机双目快速三维量测方法流程示意图；

图2为本发明实施例所述三维坐标测量的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明实施例提供的无人机双目快速三维量测方法流程示意图，所述方法包括：

步骤1、首先利用室外检校场对无人机上搭载的双目相机的光学镜头畸变参数进行检校，得到检校参数；

在该步骤中，具体是利用双目相机光学镜头的畸变公式，解算出光学镜头9个畸变差改正参数，具体为：

其中，△x，△y为像点改正值；x₀,y₀为像主点；r代表像点到像主点距离，可以用公式r＝√(x–x0)²+(y–y0)²计算得到；x,y为像方坐标系下的像点坐标；k1,k2为镜头的径向畸变畸变参数；p1,p2为镜头的切向畸变参数；a，p为像素的非正方形校正系数。

步骤2、再对所搭载的双目相机进行空间后方交会，解算出双目相机外方位参数；

在该步骤中，双目相机中每台相机的外方位参数包括3个位置参数和3个姿态参数，采用如下公式分别对两个相机进行单片空间后方交会解算，得出2*6＝12个外方位参数；

式中，x，y为像点的像平面坐标；x0，y0，f为相机所获得的影像的内方位元素；

XS，YS，ZS为摄站点的物方空间坐标；X，Y，Z为物方点的物方空间坐标；

ai，bi，ci(i＝1,2,3)为影像的3个外方位角元素组成的9个方向余弦；

其中，像点表示地面上的某一地物在影像上的成像；摄站点指照相机拍摄影像时候的位置；物方点表示待测物点的方位。

上式为非线性函数，为了便于计算，需要按泰勒级数级数展开，舍弃二次项，使之线性化得到：

式中，(x)，(y)为函数近似值；dXs，dYs,dZs,

dω，dk为6个外方位参数的改正值。

步骤3、利用无人机上搭载的双目相机对监测目标进行近距离近景拍照，得到双目影像；

步骤4、根据步骤3得到的双目影像、步骤1得到的检校参数、步骤2得到的双目相机外方位参数，分别采集双目影像中同名点的像素坐标，并由任意两点的三维坐标计算出被量测物体的尺寸或者距离。

在该步骤中，如图2所示为本发明实施例所述三维坐标测量的示意图，在双目影像的外方位参数解算出来以后，双目影像的外方位参数就是已知的，然后由这个已知的外方位参数来求解地面任意点的三维坐标；

对双目影像上的一对同名点列出4个如下方程，而未知数为X,Y,Z这三个，故采用最小二乘法进行求解，公式如下：

式中，x，y为像点的像平面坐标；x0，y0，f为影像的内方位元素；

XS，YS，ZS为摄站点的物方空间坐标；X，Y，Z为待求物方点的物方空间坐标；

ai，bi，ci(i＝1,2,3)为影像的3个外方位角元素组成的9个方向余弦；

将上面的公式线性化后用矩阵的形式表示为：

对每一个像点，可以列出两个误差方程；

若某个点出现在n幅序列影像中，则可以列出2n个方程，用矩阵的形式表示为：

V＝AX–L

式中，

其法方程的解为：

X＝(A^TA)^-1A^TL

未知数X,Y,Z的初值可以通过双相前方交会求得，依照上式可以得到空间点的坐标值(X,Y,Z)为：

(X,Y,Z)^T＝(X0,Y0,Z0)^T+(ΔX,ΔY,ΔZ)^T

通过迭代解算可以求得待定的坐标。

具体实现中，最终得到的量测数据可通过文本方式输出，并根据不同业务需要输出特定的数据格式。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

综上所述，本发明实施例所述方法可以在原始影像上直接量测，不需要过多的数据处理环节，效率较高，节约了人力和时间成本，且操作简便，特别适合推广应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种无人机双目快速三维量测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、首先利用室外检校场对无人机上搭载的双目相机的光学镜头畸变参数进行检校，得到检校参数；

步骤2、再对所搭载的双目相机进行空间后方交会，解算出双目相机外方位参数；

步骤3、利用无人机上搭载的双目相机对监测目标进行近距离近景拍照，得到双目影像；

步骤4、根据步骤3得到的双目影像、步骤1得到的检校参数、步骤2得到的双目相机外方位参数，分别采集双目影像中同名点的像素坐标，并由任意两点的三维坐标计算出被量测物体的尺寸或者距离。

2.根据权利要求1所述无人机双目快速三维量测方法，其特征在于，所述步骤1的过程具体为：

利用双目相机光学镜头的畸变公式，解算出光学镜头9个畸变差改正参数，具体为：

其中，△x，△y为像点改正值；x₀,y₀为像主点；r代表像点到像主点距离，可以用公式r＝√(x–x0)²+(y–y0)²计算得到；x,y为像方坐标系下的像点坐标；k1,k2为镜头的径向畸变畸变参数；p1,p2为镜头的切向畸变参数；a，p为像素的非正方形校正系数。

3.根据权利要求1所述无人机双目快速三维量测方法，其特征在于，在步骤2中，双目相机中每台相机的外方位参数包括3个位置参数和3个姿态参数，采用如下公式分别对两个相机进行单片空间后方交会解算，得出2*6＝12个外方位参数；

式中，x，y为像点的像平面坐标；x0，y0，f为影像的内方位元素；

XS，YS，ZS为摄站点的物方空间坐标；X，Y，Z为物方点的物方空间坐标；

ai，bi，ci(i＝1,2,3)为影像的3个外方位角元素组成的9个方向余弦；

上式为非线性函数，为了便于计算，需要按泰勒级数级数展开，舍弃二次项，使之线性化得到：

式中，(x)，(y)为函数近似值；dXs，dYs,dZs,

dω，dk为6个外方位参数的改正值。

4.根据权利要求1所述无人机双目快速三维量测方法，其特征在于，在步骤4中，在双目影像的外方位参数解算出来以后，双目影像的外方位参数就是已知的，然后由这个已知的外方位参数来求解地面任意点的三维坐标；

对双目影像上的一对同名点列出4个如下方程，而未知数为X,Y,Z这三个，采用最小二乘法进行求解，公式如下：

式中，x，y为像点的像平面坐标；x0，y0，f为影像的内方位元素；

XS，YS，ZS为摄站点的物方空间坐标；X，Y，Z为待求物方点的物方空间坐标；

ai，bi，ci(i＝1,2,3)为影像的3个外方位角元素组成的9个方向余弦；

将上面的公式线性化后用矩阵的形式表示为：

对每一个像点，列出两个误差方程；

若某个点出现在n幅序列影像中，则列出2n个方程，用矩阵的形式表示为：

V＝AX–L

式中，

其法方程的解为：

X＝(A^TA)^-1A^TL

未知数X,Y,Z的初值通过双相前方交会求得，依照上式得到空间点的坐标值(X,Y,Z)为：

(X,Y,Z)^T＝(X0,Y0,Z0)^T+(ΔX,ΔY,ΔZ)^T

通过迭代解算求得待定的坐标。

5.根据权利要求1所述无人机双目快速三维量测方法，其特征在于，所述方法还包括：

最终得到的量测数据可通过文本方式输出，并根据不同业务需要输出特定的数据格式。

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