CN109901601A - 一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法，基本步骤为：现场踏勘，确定障碍物空间分布情况；获取岩层露头的高度和倾角；根据岩层露头模型的毫米级精度需求及相机参数确定无人机飞行参数；根据飞行参数规划飞行方案进行采集，得到岩层露头多角度、高重叠率、毫米级的影像数据；剔除模糊、色彩异常的影像数据。本发明提供的方法具有科学合理、易于实现、采集速度快、影像分辨率高、应用范围广等优点，通过多旋翼无人机采集岩层露头多角度、高重叠率、毫米级的影像，实现岩层露头毫米级精度三维模型构建。

Description

一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法

技术领域

本发明涉及摄影测量学领域，尤其涉及地质露头中的岩层露头可视化应用领域，具体的说是一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法。

背景技术

地下岩体、地层和矿床等露出地表后形成野外露头，其中蕴含有丰富的地质信息。对野外露头的观察、研究能够最直接、最有效的获取地下地层信息，为地质科学研究提供了有利的线索，对科学、社会的发展都具有重要意义。

在现阶段对地质露头中岩层露头的野外考察过程中，主要是以岩石样本采集、局部相机拍照等方式采集信息。无法详细的观察较高处的岩层信息，无法做到宏观上对整个岩层形态进行观察与野外剖面解译，且野外考察的过程中存在较大安全风险。此外，传统数据采集成本高，后期的数据重复利用率低、共享难度大，也不能形象直观的展现整个岩层露头真实情况，对地质研究及教学都具有极大的阻碍。因此，找到一种有效的解决办法显得很有必要。

目前，已有的倾斜摄影方法不能满足地质领域对于岩层露头模型的毫米级精度要求，无法通过模型对岩层露头进行精细的分类和解译。本发明使用小巧、灵活的多旋翼无人机，通过确定所需构建的岩层露头精细模型精度及岩层露头空间几何信息，计算飞行参数规划飞行方案，近距离采集影像，提出一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法，实现了多角度、高重叠率、毫米级的岩层露头影像采集。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法，依据模型毫米级精度需求及岩层空间几何信息，计算飞行参数并规划飞行方案，通过保持多旋翼无人机与岩层露头距离不变，实现多旋翼无人机近距离影像采集，从而获取到多角度、高重叠率、毫米级的岩层露头影像。

(二)技术方案

本发明至少包含以下步骤：

(1)现场踏勘，确定障碍物空间分布情况；

(2)获取岩层露头的高度H₀和倾角i；

(3)根据岩层露头模型的毫米级精度需求及相机参数，确定无人机飞行参数L、α、v₁、v₂和D(其中，L为无人机与岩壁的距离，α为镜头角度，v₁、v₂分别为水平、垂直两个方向的最大飞行速度，D为无人机横移距离)；

(4)根据飞行参数规划飞行方案进行采集，得到岩层露头多角度、高重叠率、毫米级的影像数据；

(5)剔除模糊、色彩异常的影像数据；

优选的，所述步骤(2)中岩层露头高度H₀为无人机从岩层露头底部垂直上升至顶端的高度，岩层露头倾角i的范围为0°≤i≤120°。

进一步，所述步骤(3)中为达到毫米级采集精度，无人机与岩壁的距离L计算公式为：

L＝(GSD×f)/d

其中，GSD为地面分辨率(单位为mm)，f为相机焦距(单位为mm)，d为相机传感器像元大小(单位为um)，L为无人机与岩壁的距离(单位为m)；

镜头角度α的计算公式为：

α＝i-90°

其中，i为岩层露头倾角，α为镜头角度范围为30°≤α≤-90°；

更进一步的，

无人机头部正对岩层露头，采集时间间隔为t秒时，为保证航向重叠度，无人机最大飞行速度计算公式为：

当无人机上升时：

当无人机下降时：

其中，sgn为指出参数正负号的符号函数(cos(i)为负时sgn(cos(i))返回-1，cos(i)为正时sgn(cos(i))返回1，cos(i)为0时sgn(cos(i))返回0)，imH为采集的影像高度(像素)，v₁为水平方向上的速度(前为正后为负，单位为m/s)，v₂为垂直方向上的速度(上为正下为负，单位为m/s)；

为保证旁向重叠度，无人机横移距离D计算公式为：

D＝(imW×d×L)/(3000×f)

其中，imW为采集的影像宽度(像素)，D为无人机横移距离(单位为m)。

进一步，所述步骤(4)中规划的无人机飞行方案为：

1)无人机从岩层露头一侧底部开始，头部正对岩层露头进行采集；

2)根据步骤(3)中的飞行参数，调整无人机距离岩壁为L，镜头角度α；

3)以t秒间隔采集影像，以水平v₁、垂直v₂的速度向斜上方飞行，高度达到H₀时停止采集并向另一侧横移距离D；

4)继续以t秒间隔采集影像，以水平v₁、垂直v₂的速度向斜下方飞行，下降到岩层露头底部时停止采集并向另一侧横移距离D；

5)持续步骤3)和4)，完成对整个岩层露头的影像采集。

(三)有益效果

本发明以倾斜摄影测量为基础，具有流程严密准确，实现过程简单易懂的特点。通过该方法使用小巧、灵活的多旋翼无人机对岩层露头进行影像采集，可以实现多角度、高重叠率、毫米级的影像采集，提高后续的岩层露头精细建模的精度，满足地质领域对毫米级精度岩层露头模型的需求。

附图说明

图1为本发明实施的步骤流程图，

图2为规划的飞行方案具体实施示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述：

参照图1，本发明的具体实施步骤为：

(1)现场踏勘，确定岩层露头周围障碍物的空间分布情况，为后续方案制定做准备。

(2)获取岩层露头的高度H₀和倾角i；其中，岩层露头高度H₀是通过无人机从岩层露头底部垂直上升至顶端得到的高度差值；岩层露头倾角i通过坡度测量仪获取，其可采集范围为0°≤i≤120°。

(3)根据岩层露头模型的毫米级精度需求及相机参数，确定无人机飞行参数L、α、v₁、v₂和D，具体的参数计算公式为：

为达到毫米级采集精度，无人机与岩壁的距离L计算公式为：

L＝(GSD×f)/d

其中，GSD为地面分辨率(单位为mm)，f为相机焦距(单位为mm)，d为相机传感器像元大小(单位为um)，L为无人机与岩壁的距离(单位为m)；

镜头角度α的计算公式为：

α＝i-90°

其中，i为岩层露头倾角，α为镜头角度范围为30°≤α≤-90°；

无人机头部正对岩层露头，采集时间间隔为t秒时，为保证航向重叠度，无人机最大飞行速度计算公式为：

当无人机上升时：

当无人机下降时：

其中，sgn为指出参数正负号的符号函数(cos(i)为负时sgn(cos(i))返回-1，cos(i)为正时sgn(cos(i))返回1，cos(i)为0时sgn(cos(i))返回0)，imH为采集的影像高度(像素)，v₁为水平方向上的速度(前为正后为负，单位为m/s)，v₂为垂直方向上的速度(上为正下为负，单位为m/s)；

为保证旁向重叠度，无人机横移距离D计算公式为：

D＝(imW×d×L)/(3000×f)

其中，imW为采集的影像宽度(像素)，D为无人机横移距离(单位为m)。

(4)根据飞行参数L、α、v₁、v₂和D规划飞行方案并使用无人机开始影像进行采集，得到岩层露头多角度、高重叠率、毫米级的影像数据；

参见图2，其中影像采集的具体飞行方案为：

1)无人机从岩层露头一侧底部开始，头部正对岩层露头进行采集；

2)根据步骤(3)中的飞行参数，调整无人机距离岩壁为L，镜头角度α；

3)以t秒间隔采集影像，以水平v₁、垂直v₂的速度向斜上方飞行，高度达到H₀时停止采集并向另一侧横移距离D；

4)继续以t秒间隔采集影像，以水平v₁、垂直v₂的速度向斜下方飞行，下降到岩层露头底部时停止采集并向另一侧横移距离D；

5)持续步骤3)和4)，完成对整个岩层露头的影像采集。

(5)影像采集完成后，对采集到的岩层露头多角度的、高重叠率、毫米级的影像数据进行检查，剔除模糊、色彩异常的影像数据。

Claims (4)

1.一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)现场踏勘，确定障碍物空间分布情况；

(2)获取岩层露头的高度H₀和倾角i；

(3)根据岩层露头模型的毫米级精度需求及相机参数，确定无人机飞行参数L、α、v₁、v₂和D(其中，L为无人机与岩壁的距离，α为镜头角度，v₁、v₂分别为水平、垂直两个方向的最大飞行速度，D为无人机横移距离)；

(4)根据飞行参数规划飞行方案进行采集，得到岩层露头多角度、高重叠率、毫米级的影像数据；

(5)剔除模糊、色彩异常的影像数据；

2.根据权利要求1所述的一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法，其特征在于：所述步骤(2)中岩层露头高度H₀为无人机从岩层露头底部垂直上升至顶端的高度，岩层露头倾角i的范围为0°≤i≤120°。

3.根据权利要求1所述的一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法，其特征在于：所述步骤(3)中为达到毫米级采集精度，无人机与岩壁的距离L计算公式为：

L＝(GSD×f)/d

其中，GSD为地面分辨率(单位为mm)，f为相机焦距(单位为mm)，d为相机传感器像元大小(单位为um)，L为无人机与岩壁的距离(单位为m)；

镜头角度α的计算公式为：

α＝i-90°

其中，i为岩层露头倾角，α为镜头角度范围为30°≤α≤-90°；

无人机头部正对岩层露头，采集时间间隔为t秒时，为保证航向重叠度，无人机最大飞行速度计算公式为：

当无人机上升时：

当无人机下降时：

其中，sgn为指出参数正负号的符号函数(cos(i)为负时sgn(cos(i))返回-1，cos(i)为正时sgn(cos(i))返回1，cos(i)为0时sgn(cos(i))返回0)，imH为采集的影像高度(像素)，v₁为水平方向上的速度(前为正后为负，单位为m/s)，v₂为垂直方向上的速度(上为正下为负，单位为m/s)；

为保证旁向重叠度，无人机横移距离D计算公式为：

D＝(imW×d×L)/(3000×f)

其中，imW为采集的影像宽度(像素)，D为无人机横移距离(单位为m)。

4.根据权利要求1所述的一种用于岩层露头精细建模的多旋翼无人机影像采集方法，其特征在于：所述步骤(4)中规划的无人机飞行方案为：

1)无人机从岩层露头一侧底部开始，头部正对岩层露头进行采集；

2)根据步骤(3)中的飞行参数，调整无人机距离岩壁为L，镜头角度α；

3)以t秒间隔采集影像，以水平v₁、垂直v₂的速度向斜上方飞行，高度达到H₀时停止采集并向另一侧横移距离D；

4)继续以t秒间隔采集影像，以水平v₁、垂直v₂的速度向斜下方飞行，下降到岩层露头底部时停止采集并向另一侧横移距离D；

5)持续步骤3)和4)，完成对整个岩层露头的影像采集。