CN116841305A - 一种基于无人机的高精度图斑调查系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的高精度图斑调查系统，涉及无人机应用领域，特别涉及一种基于无人机的高精度图斑调查系统和方法，可根据各个待调查图斑自动生成对应的飞行航线；无人机根据获取的飞行航线的数据，能够进行自主的飞行，同时控制云台与相机，完成正视照片和斜视照片的拍摄，并发送到遥控器中进行图像的查看、套合与上传。

Description

一种基于无人机的高精度图斑调查系统和方法

技术领域

本发明涉及无人机应用领域，特别涉及一种基于无人机的高精度图斑调查系统和方法。

背景技术

图斑调查是指指定地图的模底核查工作，以一定比例尺地形图为工作底图，将地貌、土地利用类型基本相同，水土流失类型基本一致的土地单元分为一类，以其为基础调查单元，然后将单元勾绘到地形图上成为图斑。土地管理部门会利用上一年底卫星遥感影像，提取地类变化信息，结合有关专项监测及自然资源管理成果，开展实地调查举证，全面掌握过去一个年度的地类、面积、属性及相关单独图层信息的变化情况。

一般土地管理部门使用相关的技术手段针对卫星遥感影像进行土地地类的进行自动判断，若判断为与原定的地类不匹配时，将会触发外业实地图斑调查的工作。

在现有的图斑外业调查工作方法中，具体的方法主要有两种：1、使用电子平板，到外业现场，工作人员站在地面上竖直举电子平板对着图斑进行拍摄，同时会在图斑上增加上拍摄点的坐标、拍摄角度等信息。2、使用无人机在图斑上空进行向下拍摄或从图斑斜上方进行斜视拍摄，同时会在图斑上增加上拍摄点的坐标、拍摄时的航向角度、等信息。

在拍摄的效果上，使用无人机在空中拍摄是明显优于使用电子平板的，但使用现有技术的无人机作图斑调查，仍然存在以下问题：1、系统集成度不够高，需要人工根据图传进行判断拍摄高度、镜头朝向等，而人工判断也容易出现误判，增加出错率。2、图斑需要逐个飞行确认，对于图斑的斜视的拍摄难以判断是否完全覆盖，作业效率比较低下。

因此，针对现有技术中存在的问题，亟需提供一种的能自动识别多个图斑范围，并根据图斑范围确定最佳作业参数，同时能兼顾多个图斑自动连续作业的无人机技术显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供一种能自动识别多个图斑范围，并根据图斑范围确定最佳作业参数，同时能兼顾多个图斑自动连续作业的无人机控制系统及方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

因此，根据本发明公开的一个方面，提供了一种基于无人机的高精度图斑调查方法，包括以下步骤：获取各个待调查图斑的图斑数据；确定各个待调查图斑对应的拍摄参数；拍摄参数包括拍摄方向、飞行高度范围以及斜视拍摄的拍摄范围；根据各个待调查图斑对应的拍摄参数确定实际飞行高度、云台倾斜角度以及各个待调查图斑之间的飞行次序，并结合拍摄参数生成对应的飞行航线；根据飞行航线采集实时画面，同时，把对应的图斑数据套合到实时画面中；其中，拍摄参数的确定包括以下步骤：根据等间隔旋转搜索法获取各个待调查图斑对应的最小外接矩形；通过使作业感应器的长边平行于最小外接矩形来确定拍摄方向；确定拍摄点，并根据最小外接矩形以及相机的光学变焦倍数范围，计算出拍摄高度范围值。

具体的，拍摄参数的确定还包括以下步骤：根据拍摄高度范围值计算出最近斜视拍照点和最远斜视拍照点，并确定斜视拍摄的拍摄范围以及对应的光学变焦倍数。

更具体的，拍摄参数的确定还包括以下步骤：根据拍摄高度范围值以及图斑数据中的海拔数据，计算出对应的飞行高度范围。

根据本发明公开的另一个方面，提供了一种基于无人机的高精度图斑调查系统，采用上述的一种基于无人机的高精度图斑调查方法，包括：遥控器、无人机和服务器；遥控器分别与无人机和服务器单独连接；遥控器包括通讯模块、图斑读取模块、参数设定模块、航线生成模块和实时套合模块；通讯模块用于与无人机以及服务器进行信息交互；图斑读取模块用于解析从服务器导入的各个待调查图斑的图斑数据；参数设定模块用于确定各个待调查图斑对应的拍摄参数；最短平面路线计算模块，用于确定各个待调查图斑之间的飞行次序；航线生成模块，用于根据确定的拍摄参数以及风行次序生成对应的飞行航线；实时套合模块，用于把对应的图斑数据套合到采集的实时画面中。

具体的，参数设定模块包括拍拍摄方向计算单元、斜视拍摄范围计算单元和飞行高度计算单元；拍摄方向计算单元，用于根据等间隔旋转搜索法获取各个待调查图斑对应的最小外接矩形，并通过使作业感应器的长边平行于图斑最小外接矩形来确定拍摄方向；飞行高度计算单元，用于根据最小外接矩形以及相机的光学变焦倍数范围计算出拍摄高度范围值，并图斑数据中的海拔数据，计算出对应的飞行高度范围；斜视拍摄范围计算单元用于根据拍摄高度范围值计算出最近斜视拍照点和最远斜视拍照点，并确定斜视拍摄的拍摄范围以及对应的光学变焦倍数。

更具体的，无人机包括控制模块，用于根据获取的飞行航线控制无人机进行自主飞行。

更具体的，无人机还包括云台和相机；无人机与云台的固定端连接，相机与云台的活动端连接；控制模块与云台以及相机连接，用于控制云台的倾斜角度以及控制相机进行拍摄。

以上的，遥控器还包括相片套合模块；相片套合模块用于在无人机拍摄的照片中套合对应的待调查图斑的范围线。

进一步的，航线生成模块还包括模拟飞行单元，用于根据卫星发布的数字高程模型数据进行模拟飞行。

更进一步的，无人机还包括返航模块，用于实时计算与预计降落点的距离，并判断当前电量是否满足返航要求，若不满足，生成返航航线。

本发明的有益效果：本申请的一种基于无人机的高精度图斑调查系统可根据各个待调查图斑自动生成对应的飞行航线；无人机根据获取的飞行航线的数据，能够进行自主的飞行，同时控制云台与相机，完成正视照片和斜视照片的拍摄，并发送到遥控器中进行图像的查看、套合与上传。

附图说明

通过结合附图对于本发明公开的示例性实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示的是根据本发明公开实施例一的一种基于无人机的高精度图斑调查系统的模块方框示意图；

图2所示的是根据本发明公开实施例一的一种基于无人机的高精度图斑调查方法示意性流程图；

图3所示的是根据本发明公开实施例一的一种基于无人机的高精度图斑调查方法的拍摄参数的确定流程图。

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本发明揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明的内容不充分。

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。

实施例一

请参阅图1，本实施例提出一种基于无人机的高精度图斑调查系统，包括：遥控器、无人机和服务器；遥控器分别与无人机和服务器单独连接。其中，无人机具备有电台硬件，可以基于电台协议与遥控器进行双向的通信。

具体的，遥控器包括通讯模块、图斑读取模块、参数设定模块、航线生成模块、实时套合模块和相片套合模块。

通讯模块用于与无人机以及服务器进行信息交互。

图斑读取模块用于解析从服务器导入的各个待调查图斑的图斑数据。如shape、KML等格式的面状图形，可以扩展到各种通用或专用的图形表达格式。

参数设定模块用于确定各个待调查图斑对应的拍摄参数。其中，参数设定模块包括拍拍摄方向计算单元、斜视拍摄范围计算单元和飞行高度计算单元。拍摄方向计算单元，用于根据等间隔旋转搜索法获取各个待调查图斑对应的最小外接矩形，并通过使作业感应器的长边平行于图斑最小外接矩形来确定拍摄方向；飞行高度计算单元，用于根据最小外接矩形以及相机的光学变焦倍数范围计算出拍摄高度范围值，并图斑数据中的海拔数据，计算出对应的飞行高度范围；斜视拍摄范围计算单元用于根据拍摄高度范围值计算出最近斜视拍照点和最远斜视拍照点，并确定斜视拍摄的拍摄范围以及对应的光学变焦倍数。

最短平面路线计算模块，用于确定各个待调查图斑之间的飞行次序。

航线生成模块，用于根据确定的拍摄参数以及风行次序生成对应的飞行航线。其中，航线生成模块还包括模拟飞行单元，用于根据卫星发布的数字高程模型数据进行模拟飞行。

实时套合模块，用于把对应的图斑数据套合到采集的实时画面中。

相片套合模块用于在无人机拍摄的照片中套合对应的待调查图斑的范围线。

在本实施例中，为方便核对，相片套合模块会把相片相关要求的拍摄坐标、角度、作业人员等信息写入相片exif信息中，同时也实现把相关信息作为水印写入照片。

另外，遥控器还具备有4G模块，实时下载好拍摄的调查照片后，即可以实时上传至调查验证平台，不符合要求时可以及时补拍。

在本实施例中，遥控器平台内置安卓系统，可以运行基于Android平台开发的App，该App运行时，可实现如上所述的各个模块功能。

在本实施中，无人机采用多旋翼无人机，其特有飞行方式可以方便进行随时悬停和转弯，以及方便进行飞行高度的调整。

进一步的，无人机包括控制模块和返航模块。

控制模块用于根据获取的飞行航线控制无人机进行自主飞行。

返航模块用于实时计算与预计降落点的距离，并判断当前电量是否满足返航要求，若不满足，生成返航航线，同时触发返航动作，未完成的图斑调查可以在更换电池或充电后继续执行。

更进一步的，无人机还包括云台和相机；无人机与云台的固定端连接，相机与云台的活动端连接；控制模块与云台以及相机连接，用于控制云台的倾斜角度以及控制相机进行拍摄。云台可以接收无人机的控制模块生成的调整指令，并根据调整指令调整云台水平或垂直角度到指定的值。相机可以接收无人机的控制模块生成的拍摄指令，以指定的焦距进行自动对焦和曝光操作；同时，相机可以接受无人机飞控的下载请求指令，以文件二进制流的方式提供拍摄成果的下载。

另外，由于相机镜头可能会存在畸变，因此相机在使用前可使用张正友标定法做畸变校正。

根据本发明公开的另一个方面，还提供了一种基于无人机的高精度图斑调查方法，应用于上述的一种基于无人机的高精度图斑调查系统，如图2所示，该方法包括以下步骤S1至S4：

S1：获取各个待调查图斑的图斑数据；

S2：确定各个待调查图斑对应的拍摄参数；拍摄参数包括拍摄方向、飞行高度范围以及斜视拍摄的拍摄范围；

S3：根据各个待调查图斑对应的拍摄参数确定实际飞行高度、云台倾斜角度以及各个待调查图斑之间的飞行次序，并结合拍摄参数生成对应的飞行航线；

S4：根据飞行航线采集实时画面，同时，把对应的图斑数据套合到实时画面中。

如图3所示，拍摄参数的确定(即步骤S2)包括以下步骤S21至S24：

S21：根据等间隔旋转搜索法获取各个待调查图斑对应的最小外接矩形；通过使作业感应器的长边平行于最小外接矩形来确定拍摄方向；

在本实施例中，具体方法为：将图斑在90度范围内等间隔地旋转，每次记录其轮廓坐在坐标系方向上的外接矩形参数，通过计算外接矩形面积求取最小外接矩形；获取成功后记录该矩形的长短边方向。

进一步的，在本实施例中使用的镜头是光学变焦镜头，其COMS感应器尺寸固定，镜头支持光学变焦，以作业感应器长边平行于图斑最小外接矩形拍摄时的方向作为拍摄方向。

S22：确定拍摄点，并根据最小外接矩形以及相机的光学变焦倍数范围，计算出拍摄高度范围值；

根据焦距计算公式f＝v*D/V,f＝h*D/H,其中f是镜头的焦距长度，V是拍摄对象的纵向尺寸，在本实施例中可等同于最小外接矩形的短边长度，H是拍摄对象的横向尺寸，在本实施例中可等同于最小外接矩形的长边长度。根据焦距计算公式和镜头的光学变焦倍数据范围，计算出该图斑正视照片的最高可拍摄高度Hz-max和最低可拍摄高度Hz-min，两点之间的范围都是可工作的拍摄范围，同时也计算出各点对应使用的焦距倍数Fz，计算出的拍摄点一般直接使用最小外接矩形的中心点Pz。

S23：根据拍摄高度范围值计算出最近斜视拍照点和最远斜视拍照点，并确定斜视拍摄的拍摄范围以及对应的光学变焦倍数；

为减少无人机频繁的升高和降低损失动力，同一个图斑的正视照片和斜视(斜视照片是指使用45度角拍摄整个图斑)照片使用同一拍摄高度，为保证斜视照片可以完全覆盖图斑，本发明中将沿着Pz点向最小外接矩形短边方向双向延伸，根据焦距计算公式，计算出最近斜视拍照点Px-min和最远斜视拍照点Px-max，这两个点之间的范围均是可拍摄范围，并且以Pz点为对称点两边对称，同时也计算出各点对应使用的焦距倍数Fx。

S24：根据拍摄高度范围值以及图斑数据中的海拔数据，计算出对应的飞行高度范围；

使用上述步骤S21至S24的算法计算出每个图斑的可拍摄高度和范围等参数后，还需要叠加各个图斑的海拨高度，因为每个图斑实际的海拨是存在不同的。本实施例中，取用ASTER GDEM卫星发布的全球30M精度DEM数据，通过图斑坐标计算该图斑的实际海拨Hh，因此每个图斑的实际拍摄高度变为Hz’＝Hz+Hh；

进一步的，步骤S3还包括以下步骤：

根据每个图斑的位置，最佳斜视拍摄的位置范围，计算出多个图斑之间的飞行顺序关系；

根据最短路径原则确定每个图斑的斜视拍摄选取指定一边的拍摄位置，确定每个图斑是先拍摄正视照片还是先拍摄斜视照片；

根据各图斑的实际可飞行高度范围，依据高度落差变化最小原则，确定每个图斑的实际飞行高度；

根据确定的每个图斑的飞行高度H，斜视拍摄的位置点Px,斜视拍摄的云台航向角Ax，斜视拍摄的焦距Fx；正视拍摄的位置点Pz，正视拍摄的云台航向角Az，正视拍摄的焦距Fz，以及确定的飞行顺序，最终生成飞行航线文件。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

流程图中或在此以其它方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

本技术领域的普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于无人机的高精度图斑调查方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取各个待调查图斑的图斑数据；

确定各个待调查图斑对应的拍摄参数；所述拍摄参数包括拍摄方向、飞行高度范围以及斜视拍摄的拍摄范围；

根据所述各个待调查图斑对应的拍摄参数确定实际飞行高度、云台倾斜角度以及所述各个待调查图斑之间的飞行次序，并结合所述拍摄参数生成对应的飞行航线；

根据所述飞行航线采集实时画面，同时，把对应的图斑数据套合到所述实时画面中；

其中，所述拍摄参数的确定包括以下步骤：

根据等间隔旋转搜索法获取各个待调查图斑对应的最小外接矩形；

通过使作业感应器的长边平行于所述最小外接矩形来确定所述拍摄方向；

确定拍摄点，并根据所述最小外接矩形以及相机的光学变焦倍数范围，计算出拍摄高度范围值。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的高精度图斑调查方法，其特征在于，所述拍摄参数的确定还包括以下步骤：

根据所述拍摄高度范围值计算出最近斜视拍照点和最远斜视拍照点，并确定所述斜视拍摄的拍摄范围以及对应的光学变焦倍数。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机的高精度图斑调查方法，其特征在于，所述拍摄参数的确定还包括以下步骤：

根据所述拍摄高度范围值以及所述图斑数据中的海拔数据，计算出对应的飞行高度范围。

4.一种基于无人机的高精度图斑调查系统，采用权利要求1至3任一项所述的一种基于无人机的高精度图斑调查方法，其特征在于，包括：遥控器、无人机和服务器；所述遥控器分别与所述无人机和服务器单独连接；

所述遥控器包括通讯模块、图斑读取模块、参数设定模块、航线生成模块和实时套合模块；

所述通讯模块用于与所述无人机以及服务器进行信息交互；

所述图斑读取模块用于解析从所述服务器导入的各个待调查图斑的图斑数据；

所述参数设定模块用于确定各个待调查图斑对应的拍摄参数；

所述最短平面路线计算模块，用于确定各个待调查图斑之间的飞行次序；

所述航线生成模块，用于根据确定的拍摄参数以及风行次序生成对应的飞行航线；

所述实时套合模块，用于把对应的图斑数据套合到采集的实时画面中。

5.根据权利要求4所述的一种基于无人机的高精度图斑调查系统，其特征在于：

所述参数设定模块包括拍拍摄方向计算单元、斜视拍摄范围计算单元和飞行高度计算单元；

所述拍摄方向计算单元，用于根据等间隔旋转搜索法获取各个待调查图斑对应的最小外接矩形，并通过使作业感应器的长边平行于所述图斑最小外接矩形来确定所述拍摄方向；

所述飞行高度计算单元，用于根据所述最小外接矩形以及相机的光学变焦倍数范围计算出拍摄高度范围值，并所述图斑数据中的海拔数据，计算出对应的飞行高度范围；

所述斜视拍摄范围计算单元用于根据所述拍摄高度范围值计算出最近斜视拍照点和最远斜视拍照点，并确定所述斜视拍摄的拍摄范围以及对应的光学变焦倍数。

6.根据权利要求5所述的一种基于无人机的高精度图斑调查系统，其特征在于：

所述无人机包括控制模块，用于根据获取的飞行航线控制无人机进行自主飞行。

7.根据权利要求6所述的一种基于无人机的高精度图斑调查系统，其特征在于：

所述无人机还包括云台和相机；所述无人机与所述云台的固定端连接，所述相机与所述云台的活动端连接；

所述控制模块与所述云台以及相机连接，用于控制所述云台的倾斜角度以及控制所述相机进行拍摄。

8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于无人机的高精度图斑调查系统，其特征在于：

所述遥控器还包括相片套合模块；

所述相片套合模块用于在无人机拍摄的照片中套合对应的待调查图斑的范围线。

9.根据权利要求8所述的一种基于无人机的高精度图斑调查系统，其特征在于：

所述航线生成模块还包括模拟飞行单元，用于根据卫星发布的数字高程模型数据进行模拟飞行。

10.根据权利要求9所述的一种基于无人机的高精度图斑调查系统，其特征在于：

所述无人机还包括返航模块，用于实时计算与预计降落点的距离，并判断当前电量是否满足返航要求，若不满足，生成返航航线。