CN115900655A - 一种巡检航线规划方法 - Google Patents

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王峰
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Abstract

本发明公开了一种巡检航线规划方法，本发明通过带有地理信息的裂缝的拟合多折线，自动进行采集航线的设计，其设计出的航线只针对特定裂缝进行采集，原始数据精准，数据量少且具有作业无人员安全风险、采集效率高、航线可自动重复执行等特点，非常适合后续的空三建模作业，能够非常真实准确的还原裂缝及周边各种细微的材质纹理与几何结构，为后期的计算模拟和预测预警提供数据基础。

Description

一种巡检航线规划方法
技术领域
本发明涉及无人机摄影技术领域，特别涉及一种巡检航线规划方法。
背景技术
随着近年来无人机在航空摄影测量行业中的应用逐步广泛，对精度的要求也越来越高，应用的范围也越来越广。常规的无人机航测的航线规划软件或者方法主要针对地表地形、人工建筑等进行采集，但目前的解决方法中少有针对单个目标点进行高精度近景摄影测量的航线规划方法。然而现实中有这方面的需求。。众所周知，需要进行高精度的近景摄影测量，需要将采集设备需正对目标点，且要求在整个采集过程中保持恒定的相对距离和重叠度，才能采集到符合后期进行建模分析需求的数据。
现有的测量数据采集方法往往较为依赖待测地的原始数据，从而增加了额外的测量工作，且测量精度较差，该问题亟待解决。
发明内容
本发明提供一种巡检航线规划方法，至少可以解决背景技术中所指出的一个问题。
一种巡检航线规划方法，包括如下步骤：
步骤一：根据采集设备的参数以及预期成果的分辨率GSD和预期采样重叠度，计算采集设备与被测点之间的相对距离Lrelative以及采集设备在水平方向上的采集间隔LH和在垂直方向上的采集间隔LV；
步骤二：对已有的裂缝位置数据进行重采样；
步骤三：对经过重采样的裂缝位置数据的每个点均进行对应影像覆盖面的提取，得到每个点的点云模型；
步骤四：对提取出的每个点云模型进行法向量计算，得到影像覆盖面的平均法向量；
步骤五：将平均法向量与垂直方向的夹角作为采集航点时云台的俯角；
步骤六：通过法向量以及采集设备与被测点之间的相对距离Lrelative，计算采集航点的位置；
步骤七：在垂直于重采样过程中内插采样点插入方向的方向上对多个航点分别进行整数倍的双向缓冲，得到偶数条旁向采集航线；
步骤八：将旁向航线和裂纹测量主航线按弓字顺序连接，生成裂缝测量航线。
所述步骤一中采集设备的参数为X轴的像素Px、Y轴的像素Py、镜头焦距f和像元尺寸a；预期采样重叠度为水平重叠度H％、垂直重叠度V％；其中；
Lrelative的计算公式为：
LH的计算公式为：LH＝Px×(1-％)×GSD；
LV的计算公式为：LV＝Py×(1-％)×GSD。
所述步骤二中重采样的方法如下：
将裂缝位置数据由经纬度为单位的地理坐标系转化至使用米为单位的投影坐标系下；
设定一阈值，若裂缝的位置数据中点n至点n+1的斜率大于阈值，则以水平方向的采集间隔LH计算内插采样点的位置并进行内插，反之则以垂直方向的采集间隔LV计算内插采样点的位置并进行内插；
每次内插后，计算内插采样点至点n+1的距离，直至该距离小于上一内插采样点至点n+1的距离，完成点n至点n+1的内插，再以最后一个内插点的位置代替点n+1的位置，按照上述步骤进行点n+1至点n+2的内插。
所述步骤二中，阈值的设定方法如下：
计算采集设备的长宽比，将得到的长宽比值作为阈值；
阈值的计算公式为：
裂缝的位置数据中的点n至点n+1的斜率的计算公式如下：
计算裂缝位置数据中的点n至点n+1的偏航角Headingn，计算公式如下：
若斜率大于阈值，则以水平方向的采集间隔LH计算内插采样点的位置Northi，Easti，Alititudei，并进行内插；
其中，若Altituden+1-Altituden＞0i，则Alititudei＝Altituden+LV；
若Altituden+1-Altituden≤0i，则Alititudei＝Altituden-LV；
Northi＝Northn+cos(Headingn)*DistV；
Easti＝Eastn+sin(Headingn)*DistV；
若斜率不大于阈值，则以垂直方向的采集间隔LV计算内插采样点的位置Northi，Easti，Alititudei，并进行内插；
其中，若Altituden+1-Altituden＞0i，则Alititudei＝Altituden+LV；
若Altituden+1-Altituden≤0i，则Alititudei＝Altituden-LV；
Northi＝Northn+cos(Headingn)*DistH；
Easti＝Eastn+sin(Headingn)*DistH。
所述步骤三中的提取方法如下：
以重采样点为坐标系中心点，通过相邻两点的反正切函数计算偏航角，计算公式如下：
提取中心点沿偏航角方向与垂直偏航角方向相交的四个顶点所围合的范围内的点云数据，其中，中心点的偏航角方向为： 垂直偏航角方向为：
从上述四个顶点所围合范围内的点云数据中提取以中心点的高程为垂直方向的覆盖范围内的点云数据，其中高程为
所述步骤四中影像覆盖面的平均法向量的计算方法为：
去掉最大值和最小值的法向量后，用求平均值的函数计算剩余法向量的平均法向量。
所述步骤七中，若重采样过程中的内插采样点是以水平方向的采集间隔LH进行内插的，则在垂直方向以采集间隔LV进行整数倍的缓冲，若重采样过程中的内插采样点是以垂直平方向的采集间隔LV进行内插的，则在水平方向上以采集间隔LH进行整数倍的缓冲。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过带有地理信息的裂缝的拟合多折线，自动进行采集航线的设计，其设计出的航线只针对特定裂缝进行采集，原始数据精准，数据量少且具有作业无人员安全风险、采集效率高、航线可自动重复执行等特点，非常适合后续的空三建模作业，能够非常真实准确的还原裂缝及周边各种细微的材质纹理与几何结构，为后期的计算模拟和预测预警提供数据基础。
附图说明
图1为已有的裂缝位置数据；
图2为裂缝上重采样的点以及该点的围合四边形；
图3为图2中的围合四边形裁剪的点云数据；
图4为图3中裁剪的点云数据在三维视角上的示意图；
图5为裂缝上重采样的点在可视范围内按照高程对图3中的点云数据进行裁剪后的示意图；
图6为按照高程进行裁剪的点云数据在三维视角上的示意图；
图7为对点云模型进行法向量计算的示意图；
图8为裂纹测量主航线的若干个航点的示意图；
图9为裂纹测量主航线以及进行双向缓冲后的旁向采集航线的示意图；
图10为裂纹测量主航线和旁向采集航线经弓字顺序连接生成的裂缝测量航线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1至图10所示，本发明实施例提供的一种巡检航线规划方法，利用预先准备的裂缝的位置数据以及结构面的数字模型，通过输入的采集设备的相关参数以及采集的分辨率、重叠度等要求，对裂缝的位置数据进行重采样，结合结构面的数字模型，计算出对裂缝进行安全的、高效的、可重复的巡检航线，包括如下步骤：
步骤一：根据采集设备的参数以及预期成果的分辨率GSD和预期采样重叠度，计算采集设备与被测点之间的相对距离Lrelative以及采集设备在水平方向上的采集间隔LH和在垂直方向上的采集间隔LV；
步骤一中采集设备的参数为X轴的像素Px、Y轴的像素Py、镜头焦距f和像元尺寸a；预期采样重叠度为水平重叠度H％、垂直重叠度V％；其中；
Lrelative的计算公式为：
LH的计算公式为：LH＝Px×(1-H％)×GSD；
LV的计算公式为：LV＝Py×(1-V％)×GSD；
步骤二：对已有的裂缝位置数据进行重采样；
步骤二中重采样的方法如下：
将裂缝位置数据(裂缝的位置数据包含经纬度和高程的连续的点、按照点的顺序连接的线构成的拟合多折线，)由经纬度为单位的地理坐标系转化至使用米为单位的投影坐标系下；
设定一阈值，若裂缝的位置数据中点n至点n+1的斜率大于阈值，则以水平方向的采集间隔LH计算内插采样点的位置并进行内插，反之则以垂直方向的采集间隔LV计算内插采样点的位置并进行内插；阈值的设定方法如下：
计算采集设备的长宽比，将得到的长宽比值作为阈值；
阈值的计算公式为：
例如，分辨率为8192×5460的采集设备，其阈值为
裂缝的位置数据中的点n至点n+1的斜率的计算公式如下：
通过判断计算斜率与斜率阈值的大小，用于确定使用LV或者LH来进行内插采样点的参考计算，如果计算的Nslope＞Tslope，则使用LV作为内插采样点的计算依据，并按照该斜率计算水平方向上的间隔距离，反之则使用LH作为内插采样点的计算依据；
计算裂缝位置数据中的点n至点n+1的偏航角Headingn，计算公式如下：
若斜率大于阈值，则以水平方向的采集间隔LH计算内插采样点的位置Northi，Easti，Alititudei，并进行内插；
其中，若Altituden+1-Altituden＞0i，则Alititudei＝Altituden+LV；
若Altituden+1-Altituden≤0i，则Alititudei＝Altituden-LV；
Northi＝Northn+cos(Headingn)*DistV；
Easti＝Eastn+sin(Headingn)*DistV；
若斜率不大于阈值，则以垂直方向的采集间隔LV计算内插采样点的位置Northi，Easti，Alititudei，并进行内插；
其中，若Altituden+1-Altituden＞0i，则Alititudei＝Altituden+LV；
若Altituden+1-Altituden≤0i，则Alititudei＝Altituden-LV；
Northi＝Northn+cos(Headingn)*DistH；
Easti＝Eastn+sin(Headingn)*DistH；
对内插点即内插采样点是以水平方向内插或者是垂直方向内插设立属性标识，后续的航点的旁向缓冲会依据这个标识进行计算，以水平方向内插的航点需按照垂直方向间隔进行缓冲，以垂直方向内插的航点需按照水平方向间隔进行缓冲；
每次内插后，计算内插采样点至点n+1的距离，直至该距离小于上一内插采样点至点n+1的距离，完成点n至点n+1的内插，再以最后一个内插点的位置代替点n+1的位置，按照上述步骤进行点n+1至点n+2的内插；
步骤三：对经过重采样的裂缝位置数据的每个点均进行对应影像覆盖面的提取，得到每个点的点云模型；
上述步骤三中的提取方法如下：
以重采样点为坐标系中心点，通过相邻两点的反正切函数计算偏航角，计算公式如下：
提取中心点沿偏航角方向与垂直偏航角方向相交的四个顶点所围合的范围(图2为四个顶点构成的围合四边形)内的点云数据(图3为通过四边形对点云裁切后，仅保留围合四边形内部的点)，其中，中心点的偏航角方向为：垂直偏航角方向为： (CoverageRatio默认为1，如果结构特别复杂或倾斜的角度较大，则可以增加CoverageRatio以取得更多的点云数据参与计算)；
如图5和图6所示，从上述四个顶点所围合范围内的点云数据中提取以中心点的高程为垂直方向的覆盖范围内的点云数据，其中高程为
步骤四：对提取出的每个点云模型进行法向量计算(如图7所示)，得到影像覆盖面的平均法向量；
影像覆盖面的平均法向量的计算方法为：去掉最大值和最小值的法向量后，用求平均值的函数计算剩余法向量的平均法向量。
步骤五：将平均法向量与垂直方向的夹角作为采集航点时云台的俯角；
步骤六：通过法向量以及采集设备与被测点之间的相对距离，计算采集航点的位置；
到达步骤六就得到了正对裂缝的多个连续的航点，将多个连续的航点(内插采样点)以及重采样的点连成的航线即为裂纹测量主航线；
步骤七：在垂直于重采样过程中内插采样点插入方向的方向上对多个航点分别进行整数倍(正整数)的双向缓冲，得到偶数条旁向采集航线；若重采样过程中的内插采样点是以水平方向的采集间隔LH进行内插的，则在垂直方向以采集间隔LV进行整数倍的缓冲，若重采样过程中的内插采样点是以垂直平方向的采集间隔LV进行内插的，则在水平方向上以采集间隔LH进行整数倍的缓冲(图9中展示的是得到两条旁向采集航线时的示意图)；
步骤八：将旁向航线(旁向航线为缓冲后的多个点组成)和裂纹测量主航线按弓字顺序连接，生成裂缝测量航线(如图10所示)。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种巡检航线规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据采集设备的参数以及预期成果的分辨率GSD和预期采样重叠度，计算采集设备与被测点之间的相对距离Lrelative以及采集设备在水平方向上的采集间隔LH和在垂直方向上的采集间隔LV；
步骤二：对已有的裂缝位置数据进行重采样；
步骤三：对经过重采样的裂缝位置数据的每个点均进行对应影像覆盖面的提取，得到每个点的点云模型；
步骤四：对提取出的每个点云模型进行法向量计算，得到影像覆盖面的平均法向量；
步骤五：将平均法向量与垂直方向的夹角作为采集航点时云台的俯角；
步骤六：通过法向量以及采集设备与被测点之间的相对距离Lrelative，计算采集航点的位置；
步骤七：在垂直于重采样过程中内插采样点插入方向的方向上对多个航点分别进行整数倍的双向缓冲，得到偶数条旁向采集航线；
步骤八：将旁向航线和裂纹测量主航线按弓字顺序连接，生成裂缝测量航线。
2.如权利要求1所述的一种巡检航线规划方法，其特征在于，所述步骤一中采集设备的参数为X轴的像素Px、Y轴的像素Py、镜头焦距f和像元尺寸a；预期采样重叠度为水平重叠度H％、垂直重叠度V％；其中：
Lrelative的计算公式为：
Figure FDA0003926331960000011
LH的计算公式为：LH＝Px×(1-H％)×GSD；
LV的计算公式为：LV＝Py×(1-V％)×GSD。
3.如权利要求1所述的一种巡检航线规划方法，其特征在于，所述步骤二中重采样的方法如下：
将裂缝位置数据由经纬度为单位的地理坐标系转化至使用米为单位的投影坐标系下；
设定一阈值，若裂缝的位置数据中点n至点n+1的斜率大于阈值，则以水平方向的采集间隔LH计算内插采样点的位置并进行内插，反之则以垂直方向的采集间隔LV计算内插采样点的位置并进行内插；
每次内插后，计算内插采样点至点n+1的距离，直至该距离小于上一内插采样点至点n+1的距离，完成点n至点n+1的内插，再以最后一个内插点的位置代替点n+1的位置，按照上述步骤进行点n+1至点n+2的内插。
4.如权利要求3所述的一种巡检航线规划方法，其特征在于，所述步骤二中，阈值的设定方法如下：
计算采集设备的长宽比，将得到的长宽比值作为阈值；
阈值的计算公式为：
Figure FDA0003926331960000021
裂缝的位置数据中的点n至点n+1的斜率的计算公式如下：
Figure FDA0003926331960000022
计算裂缝位置数据中的点n至点n+1的偏航角Headingn，计算公式如下：
Figure FDA0003926331960000023
若斜率大于阈值，则以水平方向的采集间隔LH计算内插采样点的位置Northi，Easti，Alititudei，并进行内插；
其中，若Altituden+1-Altituden＞0i，则Alititudei＝Altituden+LV；
若Altituden+1-Altituden≤0i，则Alititudei＝Altituden-LV；
Northi＝Northn+cos(Headingn)*DistV；
Easti＝Eastn+sin(Headingn)*DistV；
若斜率不大于阈值，则以垂直方向的采集间隔LV计算内插采样点的位置Northi，Easti，Alititudei，并进行内插；
其中，若Altituden+1-Altituden＞0i，则Alititudei＝Altituden+LV；
若Altituden+1-Altituden≤0i，则Alititudei＝Altituden-LV；
Northi＝Northn+cos(Headingn)*DistH；
Easti＝Eastn+sin(Headingn)*DistH。
5.如权利要求1所述的一种巡检航线规划方法，其特征在于，所述步骤三中的提取方法如下：
以重采样点为坐标系中心点，通过相邻两点的反正切函数计算偏航角，计算公式如下：
Figure FDA0003926331960000031
提取中心点沿偏航角方向与垂直偏航角方向相交的四个顶点所围合的范围内的点云数据，其中，中心点的偏航角方向为：
Figure FDA0003926331960000032
Figure FDA0003926331960000033
垂直偏航角方向为：
Figure FDA0003926331960000034
从上述四个顶点所围合范围内的点云数据中提取以中心点的高程为垂直方向的覆盖范围内的点云数据，其中高程为
Figure FDA0003926331960000035
6.如权利要求1所述的一种巡检航线规划方法，其特征在于，所述步骤四中影像覆盖面的平均法向量的计算方法为：
去掉最大值和最小值的法向量后，用求平均值的函数计算剩余法向量的平均法向量。
7.如权利要求1所述的一种巡检航线规划方法，其特征在于，所述步骤七中，若重采样过程中的内插采样点是以水平方向的采集间隔LH进行内插的，则在垂直方向以采集间隔LV进行整数倍的缓冲，若重采样过程中的内插采样点是以垂直平方向的采集间隔LV进行内插的，则在水平方向上以采集间隔LH进行整数倍的缓冲。
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CN116126028A (zh) * 2023-04-13 2023-05-16 四川腾盾科技有限公司 一种大型无人直升机任务推演方法
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