CN105698715A - 一种基于无人机的单光束土地面积测量***及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的单光束土地面积测量***及测量方法，其中测量***包括无人机，所述无人机上设置有用于定位自身三维位置信息的卫星定位模块，用于采集地面图像的摄像头，以及可见光发射模块，所述可见光发射模块用于发射光束至地面；应用终端，包括用于控制无人机飞行的控制装置以及用于显示测量土地图像和无人机三维位置信息的图像显示模块。该测量***利用简易无人机所发射的光束反射点作为参考，控制装置控制无人机飞行轨迹与待测土地实际边界匹配，利用若干个飞行轨迹测量点得到待测土地实际边界线的位置信息，进而求得待测土地面积，该测量***结构简单，操作方便，简化了测量流程，降低测量成本，效率较高。

Description

一种基于无人机的单光束土地面积测量***及测量方法

技术领域

本发明涉及一种无人机航测技术领域，特别涉及一种基于无人机的单光束土地面积测量***及测量方法。

背景技术

当前在土地面积测量过程中广泛采用航拍器进行测量，但当前应用过程中，航拍器需要卫星导航进行引导定位，对实际复杂形状的土地面积测量，其测量方式主要是根据航拍器所飞行轨迹来丈量待测面积区域，进而得到待测面积区域的坐标，但是航拍器在飞行的时候，由于卫星导航轨迹控制或空气阻力等因素，其控制航拍器飞行的轨迹的原理较复杂，通过判断其空间与地面对应的位置来调整期飞行轨迹，该飞行轨迹所构成的区域往往与实际待测面积边界线误差较大，其测量的待测面积精度也有限；而且为了提高航拍器的操控灵敏性，势必造成其结构更加麻烦，提高的了测量成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在采用航拍器测量土地面积时，根据调整航拍器对应地面的位置来获得对应待测面积，其构成的区域往往与实际待测面积边界线误差较大，而且航拍器控制装置结构复杂、操作也比较麻烦的上述不足，提供一种基于无人机的单光束土地面积测量***，同时还提供了一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，该测量***结构简单，操作方便，简化了测量流程，降低了测量成本，效率较高，大大方了实际工程人员的使用。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于无人机的单光束土地面积测量***，包括：

无人机，所述无人机上设置有用于定位自身三维位置信息的卫星定位模块，用于采集地面图像的摄像头，以及可见光发射模块，所述可见光发射模块用于发射光束至地面；

应用终端，包括用于控制无人机飞行的控制装置，以及用于显示测量土地图像和无人机三维位置信息的图像显示模块。

本发明所述一种基于无人机的单光束土地面积测量***，采用了控制模块控制无人机沿测量待测土地边界线飞行时，卫星定位模块可获得无人机三维位置信息，可见光发射模块发射定位光束，图像显示模块能够显示根据摄像头记录包括无人机发射光束在待测土地边界位置反射点位置的图像信息，以及对应的无人机三维位置信息，该光束反射点位置信息即对应待测土地各个实际边界点三维坐标信息，继而计算得到待测土地面积；该基于无人机的土地面积测量方式，避免了传统航拍器依赖于卫星导航，并根据航拍器路径或拍摄图片来计算其面积带来成本高昂、测量精度较低的弊端，利用简易无人机所发射的光束反射点作为参考，利用控制装置反过来控制无人机飞行轨迹与待测土地实际边界匹配，利用若干个飞行轨迹测量点得到待测土地实际边界线的位置信息，进而求得待测土地面积。该测量***结构简单，操作方便，简化了测量流程，降低了测量成本，效率较高，大大方便了实际工程人员的使用。

优选地，所述无人机上还包括用于测量其相对地面高度的高度传感器，用于对地面高度的测量。

优选地，所述卫星定位模块为GPS卫星导航模块、北斗卫星导航模块或伽利略卫星导航模块。

优选地，所述可见光发射模块发射的光束垂直于无人机。

优选地，所述可见光发射模块发射的光束的颜色为绿色、红色和黄色中任一颜色。

本发明还提供了一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，包括使用上述的一种基于无人机的单光束土地面积测量***，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、启动无人机，利用控制装置控制无人机沿待测土地上方飞行，并将无人机控制飞行至待测土地实际边界位置附近；

步骤二、保持无人机水平状态，启动所述无人机上的可见光发射模块发射光束，所述摄像头记录包括光束在待测土地表面的反射点位置的图像信息，该光束所在待测土地上反射点为测量点，并通过所述应用终端的图像显示模块进行显示，通过应用终端的控制装置控制无人机发射的光束反射点所在的位置与待测土地边界匹配；

步骤三、通过所述应用终端的控制装置控制无人机沿待测土地实际边界位置飞行，选择若干个测量点位置，标定待测土地边界位置每个所选测量点对应的无人机的三维坐标信息即x₀、y₀、z₀，直至所述无人机绕待测土地边界飞行一圈，完成对待测土地边界若干个测量点位置的三维坐标信息数据搜集；

步骤四、在图像显示模块中，根据所述步骤三中待测土地边界所在的若干个光束对应测量点的位置信息，连成一条轨迹，即视为待测土地的实际边界，根据各个实际边界点三维位置信息即x、y、z，计算得到待测土地面积的大小。

本发明所述一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，采用了上述的测量***，通过无人机与图像处理相结合的方式实现土地面积测量，在无人机上安装卫星定位模块、摄像头，在电脑或者智能手机等应用终端上安装图像显示模块，操作人员控制无人机起飞，使其飞行至待测土地上方，根据可见光发射模块所发射的光束在地面的反射点即为测量点，与无人机摄像头所拍摄的待测土地边界位置对比，通过控制装置操控无人机上可见光发射模块所发射的光束反射点与待测土地边界位置匹配，在图像显示模块上标记若干个光束反射点与待测土地边界位置匹配时的无人机三维坐标信息，以及光束反射点在待测土地边界上的位置信息；操作人员控制无人机以一定高度飞行，采集到若干个测量点，控制无人机沿着待测土地边界飞行一圈，可以得到待测土地边界线上反射点对应的若干个实际边界点三维坐标信息，根据待测土地各个实际边界点三维坐标信息，计算得到待测土地面积；使用该测量方法实现了土地面积测量简易化，简化了测量流程，降低了测量成本，效率较高，大大方便了实际工程人员的使用。

优选地，所述步骤二中可见光发射模块发射的光束垂直于无人机，使无人机的坐标信息x₀、y₀与待测土地边界标记点的坐标信息x、y一致，提高测量精度。

优选地，所述步骤二和所述步骤三中无人机飞行高度保持一致。

优选地，多次重复所述步骤一至步骤四，得到待测土地的多组实际边界点三维坐标信息后，对面积求平均值得到待测土地面积实际测量值。

优选地，定位模块获得的三维坐标信息采用动态相对定位方法进行修改，提高三维坐标精度,该动态相对定位方法的原理详见文献:王世进，秘金钟，李得海,基于GPS动态相对定位的数据处理方法的研究,导航定位学报,2013。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明所述一种基于无人机的单光束土地面积测量***，采用了控制模块控制无人机沿待测土地边界线飞行时，卫星定位模块可获得无人机三维位置信息，可见光发射模块发射光束，图像显示模块能够显示根据摄像头记录的包含无人机发射光束在待测土地边界位置反射点位置的图像信息，以及对应的无人机三维位置信息，该光束反射点位置信息即对应待测土地各个实际边界点三维坐标信息，继而计算得到待测土地面积；该基于无人机的土地面积测量方式，避免了传统航拍器依赖于卫星导航，并根据航拍器路径或拍摄图片来计算其面积带来成本高昂、测量精度较低的弊端，利用简易无人机所发射的光束反射点作为参考，利用控制装置反过来控制无人机飞行轨迹与待测土地实际边界匹配，利用若干个飞行轨迹测量点得到待测土地实际边界线的位置信息，进而求得待测土地面积，该测量***结构简单，操作方便，简化了测量流程，降低测量成本，效率较高，大大方了实际工程人员的使用；

2、本发明所述一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，采用了上述的测量***，通过无人机与图像处理相结合的方式实现土地面积测量，在无人机上安装卫星定位模块、摄像头，在电脑或者智能手机等应用终端上安装图像显示模块，操作人员控制无人机起飞，使其飞行至待测土地上方，根据可见光发射模块所发射的光束在地面的反射点即为测量点，与无人机摄像头所拍摄的待测土地边界位置对比，通过控制装置操控无人机上可见光发射模块所发射的光束反射点与待测土地边界位置匹配，在图像显示模块上标记若干个光束反射点与待测土地边界位置匹配时的无人机三维坐标信息，以及光束反射点在待测土地边界上的位置信息；操作人员控制无人机以一定高度飞行，采集到若干个测量点，控制无人机沿着待测土地边界飞行一圈，可以得到待测土地边界线上反射点对应的若干个实际边界点三维坐标信息，根据待测土地各个实际边界点三维坐标信息，计算得到待测土地面积；使用该测量方法实现了土地面积测量简易化，简化了测量流程，降低了测量成本，效率较高，大大方便了实际工程人员的使用。

附图说明：

图1为本发明所述一种基于无人机的单光束土地面积测量***的面积测量原理图；

图2为本发明所述一种基于无人机的单光束土地面积测量***测量方法光束反射点与对待测土地实际边界匹配时的原理图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种基于无人机的单光束土地面积测量***，包括：

无人机，所述无人机上设置有用于定位自身三维位置信息的卫星定位模块，用于采集地面图像的摄像头，以及可见光发射模块，所述可见光发射模块用于发射光束至地面；

应用终端，包括用于控制无人机飞行的控制装置，以及用于显示测量土地图像和无人机三维位置信息的图像显示模块。

上述卫星定位模块为GPS卫星导航模块、北斗卫星导航模块或伽利略卫星导航模块。该无人机上还包括用于测量其相对地面高度的高度传感器，用于对地面高度的测量，可以针对地面起伏较大具有坡度或沟槽的测量点进行高度的测量，提高测量精度。

另外，上述可见光发射模块发射光束垂直于无人机。具体的，可见光发射模块发射的光束颜色包括绿色、红色和黄色中任意其中一种颜色。

该一种基于无人机的单光束土地面积测量***，采用了控制模块控制无人机沿测量待测土地边界线飞行时，卫星定位模块可获得无人机三维位置信息，可见光发射模块发射光束，图像显示模块能够显示根据摄像头记录的包括无人机发射光束在待测土地边界位置反射点位置的图像信息，以及对应的无人机三维位置信息，该光束反射点位置信息即对应待测土地各个实际边界点三维坐标信息，继而计算得到待测土地面积；该基于无人机的土地面积测量方式，避免了传统航拍器依赖于卫星导航，并根据航拍器路径或拍摄图片来计算其面积带来成本高昂、测量精度较低的弊端，而且航拍器控制装置结构复杂、操作也比较麻烦的弊端，利用简易无人机所发射的光束反射点作为参考，利用控制装置反过来控制无人机飞行轨迹与待测土地实际边界匹配，利用若干个飞行轨迹测量点得到待测土地实际边界线的位置信息，进而求得待测土地面积，该测量***结构简单，操作方便，简化了测量流程，降低了测量成本，效率较高，大大方便了实际工程人员的使用。

实施例2

如图1、2所示，本发明还提供了一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，包括使用如实施例1中的一种基于无人机的单光束土地面积测量***，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、启动无人机，利用控制装置控制无人机沿待测土地上方飞行，并将无人机控制飞行至待测土地实际边界位置附近；

步骤二、保持无人机水平状态，启动所述无人机上的可见光发射模块发射光束，所述摄像头记录光束在待测土地表面的反射点位置信息，该光束所在待测土地上反射点为测量点B，并通过所述应用终端的图像显示模块进行显示，通过应用终端的控制装置控制无人机发射的光束反射点所在的位置B与待测土地边界匹配；

步骤三、通过所述应用终端的控制装置控制无人机沿待测土地实际边界位置飞行，选择若干个测量点B位置，标定待测土地边界位置每个所选测量点B对应的无人机的三维坐标点C的信息即x₀、y₀、z₀，直至所述无人机绕待测土地边界飞行一圈，完成对待测土地边界若干个测量点B位置的三维坐标信息数据搜集；

步骤四、在图像显示模块中，根据所述步骤三中待测土地边界所在的若干个光束对应测量点B的位置信息，考虑无人机对应的测量点B无法完全与实际边界点A重合，但是AB之间的间距l相对无人机相对地面的高度h非常小，可以忽略不计，因此可以考虑无人机对应的测量点B连成的一条轨迹，即视为待测土地的实际边界线，根据各个实际边界点A的三维位置信息即x、y、z，如图1中A₁-A₁₆中16个测量点，即：

$\left\{\begin{array}{c}x=x_0\\ y=y_0\\ z=z_0-h\end{array}\right.$

由此，计算可得到计算得到待测土地面积的大小。

其中，上述考虑所计算的实际边界点A与测量点B位于同一高度的情况，即待测量土地表面是处于比较水平的状态，因此所使用的水平二维坐标信息数据x、y即可，此时无人机的坐标C的信息x₀、y₀与待测土地边界点A的坐标信息x、y一致；而h是通过设置在无人机上的高度传感器用来对地面高度进行测量得来的，适用于实际边界点A与测量点B位于同一高度的情况，即待测量土地表面是处于比较水平的状态。

另外，为了保证测量结果的准确性，在上述步骤二和步骤三中无人机飞行高度保持一致。同时，还可以通过多次重复步骤一至步骤四，得到待测土地的多组实际边界点A三维坐标信息后，对面积求平均值得到待测土地面积实际测量值。

该定位模块获得的无人机三维坐标信息点，即(x₀，y₀，z₀)采用动态相对定位方法进行修改，提高三维坐标精度，详细原理见文献:王世进，秘金钟，李得海,基于GPS动态相对定位的数据处理方法的研究,导航定位学报,2013。

该一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，采用了上述的测量***，通过无人机与图像处理相结合的方式实现土地面积测量，在无人机上安装卫星定位模块、摄像头，在电脑或者智能手机等应用终端上安装图像显示模块，操作人员控制无人机起飞，使其飞行至待测土地上方，根据可见光发射模块所发射的光束在地面的反射点即为测量点B，与无人机摄像头所拍摄的待测土地边界位置对比，通过控制装置操控无人机上可见光发射模块所发射的光束反射点与待测土地边界位置匹配，在图像显示模块上标记若干个光束反射点与待测土地边界位置匹配时的无人机三维坐标信息，以及光束反射点在待测土地边界上的位置信息；操作人员控制无人机以一定高度飞行，采集到若干个测量点，控制无人机沿着待测土地边界飞行一圈，可以得到待测土地边界线上反射点对应的若干个实际边界点A的三维坐标信息，根据待测土地各个实际边界点A的三维坐标信息，计算得到待测土地面积；使用该测量方法实现了土地面积测量简易化，简化了测量流程，降低了测量成本，效率较高，大大方便了实际工程人员的使用。

实施例3

本发明还提供了一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，该测量方法与实施例2中基本相同。不同点在于当待测土地表面明显不处于同一水平状态，即具有较大起伏，为了准确测量其表面面积，在实施例2中对待测土地边界进行三维坐标信息测量之后，对边界内部具有较大起伏的点分别进行三维坐标信息标定，以得到一个接近于待测土地的曲面形状，最后计算该曲面面积，即为待测土地面积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于无人机的单光束土地面积测量***，其特征在于，包括：

无人机，所述无人机上设置有用于定位自身三维位置信息的卫星定位模块，用于采集地面图像的摄像头，以及可见光发射模块，所述可见光发射模块用于发射光束至地面；

应用终端，包括用于控制无人机飞行的控制装置，以及用于显示测量土地图像和无人机三维位置信息的图像显示模块。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的单光束土地面积测量***，其特征在于，所述无人机上还包括用于测量其相对地面高度的高度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的单光束土地面积测量***，其特征在于，所述卫星定位模块为GPS卫星导航模块、北斗卫星导航模块或伽利略卫星导航模块。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的单光束土地面积测量***，其特征在于，所述可见光发射模块发射的光束垂直于无人机。

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的单光束土地面积测量***，其特征在于，所述可见光发射模块发射的光束的颜色为绿色、红色和黄色中任一颜色。

6.一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，其特征在于，包括使用上述权利要求1-5任一所述的一种基于无人机的单光束土地面积测量***，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、启动无人机，利用控制装置控制无人机沿待测土地上方飞行，并将无人机控制飞行至待测土地实际边界位置附近；

步骤二、保持无人机水平状态，启动所述无人机上的可见光发射模块发射光束，所述摄像头记录包括光束在待测土地表面的反射点位置的图像信息，该光束所在待测土地上反射点为测量点，并通过所述应用终端的图像显示模块进行显示，通过应用终端的控制装置控制无人机发射的光束反射点所在的位置与待测土地边界匹配；

步骤三、通过所述应用终端的控制装置控制无人机沿待测土地实际边界位置飞行，选择若干个测量点位置，标定待测土地边界位置每个所选测量点对应的无人机的三维坐标信息即x₀、y₀、z₀，直至所述无人机绕待测土地边界飞行一圈，完成对待测土地边界若干个测量点位置的三维坐标信息数据搜集；

步骤四、在图像显示模块中，根据所述步骤三中待测土地边界所在的若干个光束对应测量点的位置信息，连成一条轨迹，即视为待测土地的实际边界，根据各个实际边界点三维位置信息即x、y、z，计算得到待测土地面积的大小。

7.根据权利要求6所述的一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，其特征在于，所述步骤二中可见光发射模块发射的光束垂直于无人机。

8.根据权利要求6所述的一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，其特征在于，所述步骤二和所述步骤三中无人机飞行高度保持一致。

9.根据权利要求6所述的一种基于无人机的单光束土地面积测量***的测量方法，其特征在于，多次重复所述步骤一至步骤四，得到待测土地的多组实际边界点三维坐标信息后，对面积求平均值得到待测土地面积实际测量值。