CN116758135A - 无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机测量计算技术领域，尤其涉及了无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法及系统，其中系统操作流程包括S1：启动无人机；S2：通过app操控无人机飞行；S3：通过app控制无人机拍摄照片；S4：利用地面投影面积计算方法计算面积。地面投影面积的计算包括步骤S1：求出BC边的长度，即求出等腰梯形BCcb的下底边；S2：求出bc边的长度，即求出等腰梯形BCcb的上底边；S3：求出eE，即求出等腰梯形的高h；S4：求出无人机斜摄影测量像片的底面投影面积。本发明可计算出无人机斜摄影测量像片在地面实际的面积，可将无人机斜摄影测量像片进行相应运用，提高无人机飞行斜摄影测量技术的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及无人机测量计算技术领域，尤其涉及了一种无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法及系统。
背景技术
无人机斜摄影（俯角摄影）技术是近年来发展迅速的无人机应用之一, 该技术通过无人机低空多位镜头摄影获取高清晰立体影像数据，自动生成三维地理信息模型，快速实现地理信息的获取。
目前无人机斜摄影技术已广泛应用于地质勘探、农业、城市规划、房地产、监测等领域；在农业领域中，无人机摄影可以用于精准农业，实现精准施肥、喷药、灌溉等，提高农作物的产量和质量；在城市规划领域中，无人机摄影可以提供高清晰度的地形图，可帮助城市规划师进行规划和设计。
在实际应用中，需要通过无人机飞行斜摄影测量技术，根据拍摄的照片分析地面投影图形，并计算出地面实际的面积以进行相应运用，提高无人机飞行斜摄影测量技的应用价值。因此，如何设计一种无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，是当下亟需解决的问题。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法及系统，可通过公式推导出无人机斜摄影测量像片在地面实际的面积，提高无人机飞行斜摄影测量技术的应用价值
为解决上述问题，本发明提出了如下方案：一种无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，斜摄影拍摄像片FGgf包括相互平行的FG边和gf边、相互平行的Ff边和Gg边；设Ff=x，FG=y；
斜摄影拍摄像片FGgf在地面上的投影图像为等腰梯形BCcb；FGgf中的FG边在地面上的投影图像为BC边，FGgf中的gf边在地面上的投影图像为cb边，BC∥cb；
等腰梯形BCcb关于BC边和cb边之间的中垂线AE对称；
相机的焦点为o点，从o点向AE线作的垂线为oA；oA为相机距离地面的高度，即oA为航高；
AE为BC边与垂线oA之间的水平距离，Ae为bc边与垂线oA之间的水平距离，oA的高度由H表示，即oA=H；其中，e位于AE上且位于bc边上；eE为等腰梯形BCcb的高h，eE=h=AE-Ae；
FGgf的中心点为o'，oo'为相机的焦距，焦距的大小由f表示，即oo'=f；
地面投影面积的计算包括如下步骤：
S1：求出BC边的长度，即求出等腰梯形BCcb的下底边；
S2：求出bc边的长度，即求出等腰梯形BCcb的上底边；
S3：求出eE，即求出等腰梯形的高h；
S4：按如下公式求出无人机斜摄影测量像片的底面投影面积：
。
进一步地，FG边的中点与fg边的中点之间的连线Dd过o'，o'D=x/2，△oFG∽△oBC，△oo'D和△oAE两个三角形为直角三角形，可以得出：
根据勾股定理得：
，即：
oE²=H²+AE²
oD²= f²+（x/2）²，则S1中BC边的长度为：。
进一步地，FG边的中点与fg边的中点之间的连线Dd过o'，o'd=x/2，△ofg∽△obc，△oo'd和△oAe两个三角形为直角三角形，可以得出：
根据勾股定理得：
，即：
oe²=H²+Ae²
od²= f²+（x/2）²，
则S2中bc边的长度为：
。
进一步地，先求出AE，再求出Ae，以此得出S3中的eE，即得出h。
进一步地，AE通过如下方法求得：
取出△oAE和△oo'D，DN为D向oA的延长线所作的垂线，o'M为o'向oA的延长线所作的垂线；o'P为o'向DN所作的垂线；o向o'P的延长线作的垂线为oS；
△oND∽△oAE，可以得出：
，其中oN = oM - MN；
o点在AE上的投影为O点，oA与oO之间的夹角α为相机倾角，则o'P与oo'之间的夹角为α，o'D与DN之间的夹角为α，oo'与MN之间的夹角为α，可以得出：
oM=fcosα，MN= o'P=o'Dsinα，
则ON= fcosα-x/2·sinα；
ND=NP+PD,其中NP=fsinα，PD=o'Dcosα= x/2·cosα；则
ND= fsinα+x/2·cosα
可以得出：
。
进一步地，Ae通过如下方法求得：
取出△oAe和△oo'd，HL为d向oA的延长线所作的垂线，o'K为o'向oA的延长线所作的垂线；o'H为o'向HL所作的垂线；
△oLd∽△oAe，可以得出：
，其中oL = oK+KL；
o点在AE上的投影为O点，oA与oO之间的夹角α为相机倾角，则oL与oo'之间的夹角为α，o'd与o'K之间的夹角为α，o'd与dH之间的夹角为α，可以得出：
oK=fcosα，kL= o'H=o'dsinα=x/2·sinα，
则oL= fcosα+x/2·sinα；
Ld=LH-dH,其中LH=o'K=fsinα，dH=o'dcosα= x/2·cosα；则
Ld= fsinα-x/2·cosα
可以得出：
。
进一步地，h=eE=AE-Ae，
。
无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的系统，由上述无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法进行计算，系统的操作流程包括如下步骤：
S1：启动无人机；
S2：通过app操控无人机飞行；
S3：通过app控制无人机拍摄照片；
S4：利用地面投影面积计算方法计算面积。
进一步地，S1中启动无人机包括启动无人机手柄和将手柄连接app进行配准。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：本发明可通过无人机斜摄影相片分析地面投影图形，结合数学图形、定理公式计算出地面实际面积的方法，并可利用计算机开发技术封装成算法，基于算法开发无人机斜射影测量面积计算系统软件。本方法可以支持多种无人机拍摄像片，相较于当前流行的处理计算方法，本专利具有更加快速便捷的优势，且误差相对较小，可将误差控制在可以接受的范围内。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供斜摄影测量在地面上投影的图形；
图2是根据本发明实施例提供的△oo'D和△oAE的示意图；
图3是根据本发明实施例提供的△oAO和△oo'd的示意图；
图4是根据本发明实施例提供的系统的操作流程示意图；
图5-图8是根据本发明实施例提供的实际测试中选择一块农田并对农田进行多次拍摄测量的示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图1-8描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-8及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
一种无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，如图1所示，斜摄影拍摄像片FGgf包括相互平行的FG边和gf边、相互平行的Ff边和Gg边；设Ff=x，FG=y；
斜摄影拍摄像片FGgf在地面上的投影图像为等腰梯形BCcb；FGgf中的FG边在地面上的投影图像为BC边，FGgf中的gf边在地面上的投影图像为cb边，BC∥cb；
等腰梯形BCcb关于BC边和cb边之间的中垂线AE对称；
相机的焦点为o点，从o点向AE线作的垂线为oA；oA为相机距离地面的高度，即oA为航高；
AE为BC边与垂线oA之间的水平距离，Ae为bc边与垂线oA之间的水平距离，oA的高度由H表示，即oA=H；其中，e位于AE上且位于bc边上；eE为等腰梯形BCcb的高h，eE=h=AE-Ae；
FGgf的中心点为o'，oo'为相机的焦距，焦距的大小由f表示，即oo'=f；
地面投影面积的计算包括如下步骤：
S1：求出BC边的长度，即求出等腰梯形BCcb的下底边；
S2：求出bc边的长度，即求出等腰梯形BCcb的上底边；
S3：求出eE，即求出等腰梯形的高h；
S4：按如下公式求出无人机斜摄影测量像片的底面投影面积：
。
如图2所示，S1中BC边的求取方法如下：
FG边的中点与fg边的中点之间的连线Dd过o'，o'D=x/2，△oFG∽△oBC，△oo'D和△oAE两个三角形为直角三角形，可以得出：
根据勾股定理得：
，即：
oE²=H²+AE²
oD²= f²+（x/2）²，
则S1中BC边的长度为：。
S2中bc边根据如下方法求取：
如图2所示，FG边的中点与fg边的中点之间的连线Dd过o'，o'd=x/2，△ofg∽△ obc，△oo'd和△oAe两个三角形为直角三角形，可以得出：
根据勾股定理得：
、od²= oo'²+o'd²，即：
oe²=H²+Ae²
od²= f²+（x/2）²，
则S2中bc边的长度为：
。
S3中的eE通过如下方法求取：
先求出AE，再求出Ae，以此得出eE，即得出h。
如图3所示，AE通过如下方法求得：
取出△oAE和△oo'D，DN为D向oA的延长线所作的垂线，o'M为o'向oA的延长线所作的垂线；o'P为o'向DN所作的垂线；o向o'P的延长线作的垂线为oS；
△oND∽△oAE，可以得出：
，其中oN = oM - MN；
o点在AE上的投影为O点，oA与oO之间的夹角α为相机倾角，则o'P与oo'之间的夹角为α，o'D与DN之间的夹角为α，oo'与MN之间的夹角为α，可以得出：
oM=fcosα，MN= o'P=o'Dsinα，
则ON= fcosα-x/2·sinα；
ND=NP+PD,其中NP=fsinα，PD=o'Dcosα= x/2·cosα；则
ND= fsinα+x/2·cosα
可以得出：
。
Ae通过如下方法求得：
取出△oAe和△oo'd，HL为d向oA的延长线所作的垂线，o'K为o'向oA的延长线所作的垂线；o'H为o'向HL所作的垂线；
△oLd∽△oAe，可以得出：
，其中oL = oK+KL；
o点在AE上的投影为O点，oA与oO之间的夹角α为相机倾角，则oL与oo'之间的夹角为α，o'd与o'K之间的夹角为α，o'd与dH之间的夹角为α，可以得出：
oK=fcosα，kL= o'H=o'dsinα=x/2·sinα，
则oL= fcosα+x/2·sinα；
Ld=LH-dH,其中LH=o'K=fsinα，dH=o'dcosα= x/2·cosα；则
Ld= fsinα-x/2·cosα
可以得出：
。
h=eE=AE-Ae，
。
无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的系统，由上述无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法进行计算，系统的操作流程包括如下步骤：
S1：启动无人机；启动无人机包括启动无人机手柄和将手柄连接app进行配准。
S2：通过app操控无人机飞行。
S3：通过app控制无人机拍摄照片。
S4：利用地面投影面积计算方法计算面积。
传统常用的处理计算方式为外业飞行结束，取得数据并使用专业软件进行处理，处理之后再使用专业地理信息软件对数据进行测量，整套处理流程的周期较长。本方案中的计算方法相比于当前流行的处理计算方式，要更加迅速便捷，本方案可使用移动终端软件连接无人机，拍摄结束之后，将照片直接传到移动终端，再利用本方案中的算法计算，直接计算出结果，在速度、效率大幅度提高的情况下依然可以保持很低的计算误差。
实际测试中，选择一块农田（如图5中箭头所示），使用无人机在不同的高度角度下进行拍摄并计算面积，图5-图8为多次拍摄测量计算的结果的示意图，其中图5中为6.57亩，图6中为6.6亩，图7中为6.44亩，图8中为6.53亩，误差基本保持在百分之5以内，实际测量面积值为6.5亩，误差也保持在百分之5以内。该过程只需拍摄照片后把照片传输至移动端app，直接在app上标绘量算即可，效率较高，即拍即算。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，其特征在于，斜摄影拍摄像片FGgf包括相互平行的FG边和gf边、相互平行的Ff边和Gg边；设Ff=x，FG=y；
斜摄影拍摄像片FGgf在地面上的投影图像为等腰梯形BCcb；FGgf中的FG边在地面上的投影图像为BC边，FGgf中的gf边在地面上的投影图像为cb边，BC∥cb；
等腰梯形BCcb关于BC边和cb边之间的中垂线AE对称；
相机的焦点为o点，从o点向AE线作的垂线为oA；oA为相机距离地面的高度，即oA为航高；
AE为BC边与垂线oA之间的水平距离，Ae为bc边与垂线oA之间的水平距离，oA的高度由H表示，即oA=H；其中，e位于AE上且位于bc边上；eE为等腰梯形BCcb的高h，eE=h=AE-Ae；
FGgf的中心点为o'，oo'为相机的焦距，焦距的大小由f表示，即oo'=f；
地面投影面积的计算包括如下步骤：
S1：求出BC边的长度，即求出等腰梯形BCcb的下底边；
S2：求出bc边的长度，即求出等腰梯形BCcb的上底边；
S3：求出eE，即求出等腰梯形的高h；
S4：按如下公式求出无人机斜摄影测量像片的底面投影面积：
。
2.根据权利要求1所述的无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，其特征在于，FG边的中点与fg边的中点之间的连线Dd过o'，o'D=x/2，△oFG∽△oBC，△oo'D和△oAE两个三角形为直角三角形，可以得出：
根据勾股定理得：
，即：
oE²=H²+AE²
oD²= f²+（x/2）²，则S1中BC边的长度为：。
3.根据权利要求2所述的无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，其特征在于，FG边的中点与fg边的中点之间的连线Dd过o'，o'd=x/2，△ofg∽△obc，△oo'd和△oAe两个三角形为直角三角形，可以得出：
根据勾股定理得：
，即：
oe²=H²+Ae²
od²= f²+（x/2）²，
则S2中bc边的长度为：
。
4.根据权利要求3所述的无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，其特征在于，先求出AE，再求出Ae，以此得出S3中的eE，即得出h。
5.根据权利要求4所述的无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，其特征在于，AE通过如下方法求得：
取出△oAE和△oo'D，DN为D向oA的延长线所作的垂线，o'M为o'向oA的延长线所作的垂线；o'P为o'向DN所作的垂线；o向o'P的延长线作的垂线为oS；
△oND∽△oAE，可以得出：
，其中oN = oM - MN；
o点在AE上的投影为O点，oA与oO之间的夹角α为相机倾角，则o'P与oo'之间的夹角为α，o'D与DN之间的夹角为α，oo'与MN之间的夹角为α，可以得出：
oM=fcosα，MN= o'P=o'Dsinα，
则oN= fcosα-x/2·sinα；
ND=NP+PD,其中NP=fsinα，PD=o'Dcosα= x/2·cosα；则
ND= fsinα+x/2·cosα
可以得出：
。
6.根据权利要求5所述的无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，其特征在于，Ae通过如下方法求得：
取出△oAe和△oo'd，HL为d向oA的延长线所作的垂线，o'K为o'向oA的延长线所作的垂线；o'H为o'向HL所作的垂线；
△oLd∽△oAe，可以得出：
，其中oL = oK+KL；
o点在AE上的投影为O点，oA与oO之间的夹角α为相机倾角，则oL与oo'之间的夹角为α，o'd与o'K之间的夹角为α，o'd与dH之间的夹角为α，可以得出：
oK=fcosα，kL= o'H=o'dsinα=x/2·sinα，
则oL= fcosα+x/2·sinα；
Ld=LH-dH,其中LH=o'K=fsinα，dH=o'dcosα= x/2·cosα；则
Ld= fsinα-x/2·cosα
可以得出：
。
7.根据权利要求6所述的无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法，其特征在于，h=eE=AE-Ae，
。
8.无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的系统，由权利要求1-7中任一项所述的无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的方法进行计算，其特征在于，系统的操作流程包括如下步骤：
S1：启动无人机；
S2：通过app操控无人机飞行；
S3：通过app控制无人机拍摄照片；
S4：利用地面投影面积计算方法计算面积。
9.根据权利要求8所述的无人机斜摄影测量像片计算地面投影面积的系统，其特征在于，S1中启动无人机包括启动无人机手柄和将手柄连接app进行配准。
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