CN114440836B - 一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法，包括对偏振镜片及非偏振镜片条件下，在不同场景中无人机航测精度进行验证，针对玻璃幕墙建筑立面进行无人机航测，并对无人机航测成像质量进行探究；对偏振镜片下，针对玻璃幕墙立面航摄，不同太阳光角度不同航摄角度所得影像的成像效果进行研究；对偏振镜片及非偏振镜片下，针对附有玻璃幕墙建筑，进一步验证探究结果在建模中的实际效果；进行附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模。本发明可以有效的滤除大部分玻璃幕墙对太阳光线的折射及反射，大幅降低玻璃幕墙对摄影质量的影响，使影像更清晰，其建立的倾斜模型细节表达方面更精细，明显提升机载相机成像质量和后期建模效果。

Description

一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法

技术领域

本发明属于基于无人机的测绘技术领域，具体涉及一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法。

背景技术

无人机是在没有驾驶员的情况下能够自主飞行的小型飞机，随着计算机软硬件集成技术、空间信息处理技术等学科的快速发展，基于无人机的摄影测量技术也在测绘领域得到了飞速发展和广泛应用。基础测绘规划中提出了实景三维中国建设的目标，基于新型成像系统的无人机倾斜摄影测量技术以其独有的优势得到重点关注和发展，通过倾斜摄影测量拍摄的多视角影像具有丰富的纹理信息，满足了实景三维模型构建对影像的要求。

玻璃幕墙以其重量轻、装饰美观、方便维护等优点，迅速发展成为现代城市高层建筑的主要外围护形式，也是现代高层建筑的艺术代表。然而利用无人机对玻璃幕墙进行摄影时，由于玻璃材料的透光和反光特性，影像受光照、天气、环境等因素的影响较大。根据布儒斯特原理，光线通过不同折射率的介质界面上会发生反射和折射，当折射光线与反射光线成直角时，反射光线将是线偏振光，此时的入射角称之为布儒斯特角。当入射角偏离布儒斯特角时，反射光将是部分偏振光，无人机影像中的光斑正是由于物体表面的反射光中部分偏振光(或线偏振光)造成的，会导致无人机拍摄的影像会出现光照不均匀、图像失真、倒影等现象，这会造成相邻影像间的特征识别和匹配失败，进而导致影像建模失败。

因此传统的无人机摄影测量建模方法已难以满足玻璃幕墙建筑实景三维建设的应用需求，而偏振镜能够对物体表面的反射光起到消光作用，同时在无人机立面航摄时，不同航摄角度也可以消除或减少航摄影像中的“镜面效应”“太阳热点”等影像，为航摄影像质量的提高以及影像成图提供更高质量影像，故也需要探究不同角度下立面摄影的成像质量问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法，可以最大限度的降低玻璃幕墙光线折射及反射对无人机航测摄影的影响。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法，其特征在于，包括：

步骤1：对偏振镜片及非偏振镜片条件下，在不同场景中无人机航测正射影像和倾斜摄影精度进行验证，当验证合格时进入步骤2；

步骤2：对偏振镜片及非偏振镜片下，针对玻璃幕墙建筑立面进行无人机航测，并对无人机航测成像质量进行探究，分析同一航摄角度下搭载不同镜片相机成像效果，以及成像效果与距离建筑物距离的相关性；

步骤3：对偏振镜片下，针对玻璃幕墙立面航摄，不同太阳光角度下，不同航摄角度所得影像的成像效果进行研究，探究其最佳成像角度，建立无人机相机云台立面航摄仰俯角度计算公式；

步骤4：对偏振镜片及非偏振镜片下，针对附有玻璃幕墙建筑，进一步验证步骤2和3中探究结果在建模中的实际效果；

步骤5：采用步骤2和3的探究结果进行附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤1选择日常工作常见场景1和场景2进行精度验证，场景1测试正射精度，场景2测试无人机倾斜模型精度，具体的：

步骤11、场景1设置飞行高度100米，旁向和航向重叠率均为80％，刺像控点4个，检查点4个，规划好固定航线，先后使用正常镜片及偏振镜片对目标区域进行正射影像采集，所述正常镜片即非偏振镜片；

分别对正常镜片采集影像及偏振镜片采集影像进行正射影像生成，并使用EPS对检查点及控制点进行精度验证；

步骤12、场景2设置飞行高度为80米，旁向和航向重叠率均为80％，刺像控点5个，检查点6个，规划好固定航线，先后使用正常镜片及偏振镜片对目标区域进行五向倾斜摄影；

分别对正常镜片采集影像及偏振镜片采集影像进行建模，并使用EPS对检查点及控制点进行精度验证；

步骤13、根据步骤11和12的精度验证结果，分析换装偏振镜片对无人机航测精度的影响，当影响小于设置阈值时验证合格。

上述的步骤2选用场景为装饰有玻璃幕墙的大楼，楼高160米，设定无人机相机为固定参数，光圈：5，快门：500，曝光率：100；

在距离建筑物15m、30m、45m的距离上，分别在0度、10度、20度、30度、40度、50度、60度的相机角度下，拍摄照片，并进行照片比对；

根据照片对比结果，分析得到：同一航摄角度下搭载偏振镜片相机成像效果越好，成像效果与距离建筑物距离无明显相关性。

上述的步骤3太阳光线经过玻璃幕墙反射后产生的不同反射角度下的成像效果，以确定最佳航摄角度范围，具体的：

步骤31、建立太阳高度角的计算公式：

所述太阳高度角是指某地太阳光线与通过该地与地心相连的地表切面的夹角，计算公式为：

公式1：H＝90°-|纬差|

纬差是指某地的地理纬度与当日直射点所在纬度之间的差值；

步骤32、定义航测对象所在地纬度为Y，太阳直射点纬度为W：

已知太阳直射点在北回归线：北纬23°26'，与南回归线：南纬23°26'之间，可知：

当航测对象与太阳直射点位于同一南北半球时(春天～秋天)：H＝90°-|Y-W|

当航测对象与太阳直射点位于不同南北半球时，即秋天～春天：H＝90°-|Y+W|

步骤33、太阳光线经玻璃幕墙反射，入射角与反射角之间的关系为：

公式2：反射角b＝入射角a＝太阳高度角H

步骤34、记G为相机垂直视场角，云台角度X＝-c，结合公式2，可得：

公式3：X≤b-G/2

结合公式1可得无人机相机云台立面航摄仰俯角度计算公式为：

公式4：春天～秋天X≤90°-|Y-W|-G/2

秋天～春天X≤90°-|Y+W|-G/2

其中，X：无人机云台角度，Y：航测对象所在纬度，W：太阳直射点纬度，G：相机垂直视场角，-90°＜X≤0°。

上述的步骤4采用相同的飞行器参数，在45度相机角度，分别使用偏振镜片及普通镜片采集倾斜影像及立面影像，建立倾斜模型，观察模型精细程度，验证步骤2和3中探究结果在建模中的实际效果，确定对玻璃幕墙的立面航测过程中，使用偏振镜并采取合适的相机云台偏转角度可以明显提升成像以及后期建模效果。

上述的步骤5在对附有玻璃幕墙建筑立面进行摄影测量时，利用步骤3公式计算俯仰角，使机载镜头保持该角度，以避免玻璃幕墙对太阳光的反射光线直射入镜头，将太阳光反射光线对相机成像效果的影响降到最低。

本发明具有以下有益效果：

本发明，可以有效的滤除大部分玻璃幕墙对太阳光线的折射及反射，最大限度的降低玻璃幕墙光线折射及反射对无人机航测摄影的影响，使影像更清晰，其建立的倾斜模型(即公式4)，细节表达方面更精细，明显提升机载相机成像质量和后期建模效果。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为普通镜片下正射影像点位精度比对结果；

图3为偏振镜片下正射影像点位精度比对结果；

图4为普通镜片下倾斜模型点位精度比对结果；

图5为偏振镜片下倾斜模型点位精度比对结果；

图6为步骤2拍摄照片进行比对参数；

图7为太阳光线经过玻璃幕墙反射后会产生不同反射角度的光线示意图；

图8为太阳高度角示意图；

图9为太阳光线经玻璃幕墙反射，入射角与反射角之间关系示意图；

图10为步骤3拍摄照片比对参数表格；

图11为实施例中实际效果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

根据图1所示的方法流程：

步骤1：对偏振镜片及非偏振镜片条件下，在不同场景中无人机航测正射影像和倾斜摄影精度进行验证，当验证合格时进入步骤2；

实施当天天气为晴天，选择太阳光线最强烈的中午进行数据采集，外业作业选用无人机设备为大疆精灵4RTK，一台华测i90RTK，内业作业使用大疆智图及EPS进行数据处理。

首先是精度验证。

实施过程选择日常工作常见场景进行精度验证，场景1测试正射精度，场景2测试倾斜模型精度。

步骤11、场景1设置飞行高度100米，旁向和航向重叠率均为80％，刺像控点4个，检查点4个，规划好固定航线，先后使用正常镜片及偏振镜片对目标区域进行正射影像采集；

内业使用大疆智图分别对正常镜片采集影像及偏振镜片采集影像进行正射影像生成，并使用EPS对检查点及控制点进行精度验证，验证结果如下(图2、图3)：

步骤12、场景2设置飞行高度为80米，旁向和航向重叠率均为80％，刺像控点5个，检查点6个，规划好固定航线，先后使用正常镜片及偏振镜片对目标区域进行五向倾斜摄影，内业使用大疆智图分别对正常镜片采集影像及偏振镜片采集影像进行建模，并使用EPS对检查点及控制点进行精度验证。

验证结果如图4，图4有未匹配点位原因是飞行过程中2号点、7号点被人为遮挡。

步骤13、由图2、图3、图4、图5所示数据可以判断，偏振镜片下模型精度未见异常，可见换装偏振镜片对无人机航测精度不会产生较大影响。

步骤2：对偏振镜片及非偏振镜片下，针对玻璃幕墙建筑立面进行无人机航测，并对无人机航测成像质量进行探究，分析同一航摄角度下搭载不同镜片相机成像效果，以及成像效果与距离建筑物距离的相关性；

进行正常镜片及偏振镜片下无人机航测成像效果问题的探究，并探索其规律。

因太阳光线的折射及反射作用主要影响无人机对玻璃幕墙等物体的测量，故选用场景为装饰有玻璃幕墙的大楼，楼高160米，设定无人机相机为固定参数，光圈：5，快门：500，曝光率：100，在距离建筑物15m、30m、45m的距离上，分别在0度、10度、20度、30度、40度、50度、60度的相机角度下，拍摄照片，进行比对，参数如图6所示。

影像对比结果为，同一航摄角度下搭载偏振镜片相机成像效果越好，影像成像效果与距离建筑物距离无明显相关性。

步骤3：对偏振镜片下，针对玻璃幕墙立面航摄，不同太阳光角度下，不同航摄角度所得影像的成像效果进行研究，探究其最佳成像角度，建立无人机相机云台立面航摄仰俯角度计算公式；

如图7所示，不同时间段的太阳光线经过玻璃幕墙反射后会产生不同反射角度的光线，当反射光线进入相机镜头，会影响影像效果，解决办法就使镜头与反射光线形成一个角度，使太阳光反射光线不能直接射入镜头，则需要探究不同角度下的成像效果，以确定最佳航摄角度范围。

步骤31、建立太阳高度角的计算公式：

太阳高度角，是指对地球上的某个地点太阳光入射方向河地平面的夹角，专业上讲，太阳高度角是指某地太阳光线与通过该地与地心相连的地表切面的夹角，如图8。

太阳高度角的计算公式为：

公式1：H＝90°-|纬差|

纬差是指某地的地理纬度与当日直射点所在纬度之间的差值；

步骤32、定义航测对象所在地纬度为Y，太阳直射点纬度为W：

已知太阳直射点在北回归线(北纬23°26')与南回归线(南纬23°26')之间，可知：

当航测对象与太阳直射点位于同一南北半球时(春天～秋天)：H＝90°-|Y-W|

当航测对象与太阳直射点位于不同南北半球时(秋天～春天)：H＝90°-|Y+W|

步骤33、因玻璃幕墙建筑大多与地面垂直，根据图9，太阳光线经玻璃幕墙反射，入射角与反射角之间的法线可理解为与地平面平行，则根据太阳高度角的定义以及反射光线的物理学定义，可得：

公式2：反射角b＝入射角a＝太阳高度角H

步骤34、根据上文中提到的无人机对玻璃幕墙立面航摄的要求，不能使反射光线直射进入相机镜头，相机有视场角FOV，要使反射光线不直射进入相机镜头，则需要控制反射直射光线在相机垂直视场以外，根据图9所示，G为相机垂直视场角，当视场角上边线与反射光线平行时恰好反射光线正好无法直射进入镜头，由图可知当e≤180°-G/2时，太阳光反射光线无法直射入镜头，无人机相机云台角度为0°～-90°，即图9中角度c的相反数-c，定义云台角度X＝-c，结合公式2，可得：

公式3：X≤b-G/2

结合公式1可得：

公式4：春天～秋天X≤90°-|Y-W|-G/2

秋天～春天X≤90°-|Y+W|-G/2

其中，X：无人机云台角度，Y：航测对象所在纬度，W：太阳直射点纬度，G：相机垂直视场角，-90°＜X≤0°；

以下通过实施进行验证：

实施日期为2021年11月13日，经网上查询，当天太阳直射纬度为南纬23°6′，选用场景为装饰有玻璃幕墙的大楼，楼高160米，地点位于南京建邺区，纬度为北纬32°，使用无人机为大疆精灵4RTK，经查询参数可知，其相机垂直视场角为84°。

根据公式计算可得无人机云台角度应为X≤-7°6′；

设定无人机相机为固定参数，光圈：5，快门：500，曝光率：100，在距离建筑物15m、30m、45m的距离上，分别在0度、-10度、-20度、-30度、-40度、-50度、-60度的相机角度下，拍摄照片，进行比对，参数表格如图10。

影像对比结果表明，影像成像效果与距离建筑物距离无明显相关性，在云台角度小于等于10°情况下，可见无太阳反射光线直射入无人机镜头。

步骤4：对偏振镜片及非偏振镜片下，针对附有玻璃幕墙建筑，进一步验证步骤2和3中探究结果在建模中的实际效果；

相同的飞行器参数(同航线、同航高)，在45度相机角度，分别使用偏振镜片及普通镜片采集场景2的倾斜影像及立面影像，建立倾斜模型，观察模型精细程度，采集立面影像时，为了实施效果，仅对建筑南面进行了立面影像采集，实际效果如图11所示。

由此可以确定对玻璃幕墙的立面航测过程中，使用偏振镜并采取合适的相机云台偏转角度可以明显提升成像以及后期建模效果。

步骤5：采用步骤2和3的探究结果进行附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模：在对附有玻璃幕墙建筑立面进行摄影测量时，利用步骤3公式计算俯仰角，使机载镜头保持该角度，以避免玻璃幕墙对太阳光的反射光线直射入镜头，将太阳光反射光线对相机成像效果的影响降到最低。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法，其特征在于，包括：

步骤1：对偏振镜片及非偏振镜片条件下，在不同场景中无人机航测正射影像和倾斜摄影精度进行验证，当验证合格时进入步骤2；

步骤2：对偏振镜片及非偏振镜片下，针对玻璃幕墙建筑立面进行无人机航测，并对无人机航测成像质量进行探究，分析同一航摄角度下搭载不同镜片相机成像效果，以及成像效果与距离建筑物距离的相关性；

步骤3：对偏振镜片下，针对玻璃幕墙立面航摄，不同太阳光角度下，不同航摄角度所得影像的成像效果进行研究，探究其最佳成像角度，建立无人机相机云台立面航摄仰俯角度计算公式；

步骤3中为确定最佳航摄角度范围，具体为：

步骤31、建立太阳高度角的计算公式：

所述太阳高度角是指某地太阳光线与通过该地与地心相连的地表切面的夹角，计算公式为：

公式1：H＝90°-|纬差|

纬差是指某地的地理纬度与当日直射点所在纬度之间的差值；

步骤32、定义航测对象所在地纬度为Y，太阳直射点纬度为W：

已知太阳直射点在北回归线：北纬23°26'，与南回归线：南纬23°26'之间，可知：

当航测对象与太阳直射点位于同一南北半球时(春天～秋天)：H＝90°-|Y-W|

当航测对象与太阳直射点位于不同南北半球时，即秋天～春天：H＝90°-|Y+W|

步骤33、太阳光线经玻璃幕墙反射，入射角与反射角之间的关系为：

公式2：反射角b＝入射角a＝太阳高度角H

步骤34、记G为相机垂直视场角，云台角度X＝-c，结合公式2，可得：

公式3：X≤b-G/2

结合公式1可得无人机相机云台立面航摄仰俯角度计算公式为：

公式4：春天～秋天X≤90°-|Y-W|-G/2

秋天～春天X≤90°-|Y+W|-G/2

其中，X：无人机云台角度，Y：航测对象所在纬度，W：太阳直射点纬度，G：相机垂直视场角，-90°＜X≤0°；

步骤4：对偏振镜片及非偏振镜片下，针对附有玻璃幕墙建筑，进一步验证步骤2和3中探究结果在建模中的实际效果；

步骤5：采用步骤2和3的探究结果进行附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模。

2.根据权利要求1所述的一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法，其特征在于，所述步骤1选择日常工作常见场景1和场景2进行精度验证，场景1测试正射精度，场景2测试无人机倾斜模型精度，具体的：

步骤11、场景1设置飞行高度100米，旁向和航向重叠率均为80％，刺像控点4个，检查点4个，规划好固定航线，先后使用正常镜片及偏振镜片对目标区域进行正射影像采集，所述正常镜片即非偏振镜片；

分别对正常镜片采集影像及偏振镜片采集影像进行正射影像生成，并使用EPS对检查点及控制点进行精度验证；

步骤12、场景2设置飞行高度为80米，旁向和航向重叠率均为80％，刺像控点5个，检查点6个，规划好固定航线，先后使用正常镜片及偏振镜片对目标区域进行五向倾斜摄影；

分别对正常镜片采集影像及偏振镜片采集影像进行建模，并使用EPS对检查点及控制点进行精度验证；

步骤13、根据步骤11和12的精度验证结果，分析换装偏振镜片对无人机航测精度的影响，当影响小于设置阈值时验证合格。

3.根据权利要求1所述的一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法，其特征在于，所述步骤2选用场景为装饰有玻璃幕墙的大楼，楼高160米，设定无人机相机为固定参数，光圈：5，快门：500，曝光率：100；

在距离建筑物15m、30m、45m的距离上，分别在0度、10度、20度、30度、40度、50度、60度的相机角度下，拍摄照片，并进行照片比对；

根据照片对比结果，分析得到：同一航摄角度下搭载偏振镜片相机成像效果越好，成像效果与距离建筑物距离无明显相关性。

4.根据权利要求1所述的一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法，其特征在于，所述步骤4采用相同的飞行器参数，在45度相机角度，分别使用偏振镜片及普通镜片采集倾斜影像及立面影像，建立倾斜模型，观察模型精细程度，验证步骤2和3中探究结果在建模中的实际效果，确定对玻璃幕墙的立面航测过程中，使用偏振镜并采取合适的相机云台偏转角度可以明显提升成像以及后期建模效果。

5.根据权利要求1所述的一种附有玻璃幕墙建筑的无人机摄影测量建模方法，其特征在于，所述步骤5在对附有玻璃幕墙建筑立面进行摄影测量时，利用步骤3公式计算俯仰角，使机载镜头保持该角度，以避免玻璃幕墙对太阳光的反射光线直射入镜头，将太阳光反射光线对相机成像效果的影响降到最低。

Images