CN111928825B

CN111928825B - 一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法

Info

Publication number: CN111928825B
Application number: CN202010827080.3A
Authority: CN
Inventors: 杨长丰
Original assignee: Chengdu Xuanshang Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Xuanshang Technology Co Ltd
Priority date: 2020-08-17
Filing date: 2020-08-17
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2040-08-17
Also published as: CN111928825A

Abstract

本发明涉及一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法，无人机沿若干的连续圆形航线进行绕圈飞行，连续圆形的圆心在目标区呈弓字形等距排布，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向圆心、俯仰角向下45度倾斜进行连续拍摄。本发明可实现使用普通民用无人机对目标区进行一架次连续圆形航线环绕飞行，即可完成三维建模航拍图像的数据采集，相比传统五方向倾斜摄影可减少采集照片数量，并大幅度提高建模的图像清晰度，大大提高了倾斜摄影的拍摄效率、降低了拍摄成本。

Description

一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法

技术领域

本发明涉及倾斜摄影技术领域，特别是一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法。

背景技术

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维城市模型。

目前，运用无人机进行三维地理信息重建时，需要相机以五个不同角度各拍一张相片，这五个角度分别是前45度、后45度、左45度、右45度和垂直向下。目前，传统拍摄方法有以下两种：

在飞行器上同时安装五台相机，分别调整为以上五个角度，无人机飞到拍照点时，五台相机同时曝光得到五张航片。此技术的缺点是五台相机一起安装所占体积和重量都比较大，小型无人机无法安装使用。如在大型固定翼无人机或多旋翼无人机上安装，会因大载重严重影响无人机的续航时间。

在飞行器上安装一台相机，角度调整至以上五个角度之一，飞完一个架次后，人工将相机调整至另一个角度安装，沿着上一个架次的航线再飞一遍。同一条航线飞行五个架次后即可完成数据采集，此方法的缺点是同一条航线要飞五次才能采集完各角度的相片，效率低下。

此外，采用前45度、后45度、左45度、右45度和垂直向下五个角度拍摄的照片，在目标物的两个立面交界边缘位置，会产生图像成像不足，计算机进行三维建模清晰度不够，容易出现图像拉花区的现象。

发明内容

为解决上述背景技术中的问题，本发明提供一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法，无人机沿若干连续的圆形航线进行绕圈飞行，所述连续圆形航线的圆心在目标区上呈弓字形等距均匀排布，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向当前环绕圆心、俯仰角向下45度倾斜进行等距离连续拍照。

进一步，所述连续圆环绕倾斜摄影航拍方法的具体步骤如下：

步骤1）：航线规划，在目标区设定弓字形圆心排布线，在所述弓字形圆心排布线上等距均匀排布若干同半径圆形航线的圆心；

步骤2）：无人机按航线规划，沿圆形航线逐个进行绕圈飞行，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向当前环绕圆心、俯仰角向下45度倾斜进行等距离连续拍照。

进一步，所述步骤1）中，圆形航线的半径与航高相等，设定的航高H、相邻圆形航线的圆心距L、弓字形圆心排布线的相邻平行线之间距离即旁向距离Dy的计算公式如下：

航高H：H=

相邻圆形航线的圆心距L：L=H *（1-Px）

旁向距离Dy：Dy=cos30°* L

圆形航线半径R： R=H

式中：H为航高（单位：m）；F 为相机镜头焦距（单位：mm）；a为像元尺寸（单位：mm）；GSD为地面分辨率（单位：m）；R为圆形航线半径（单位：m）；L为相邻圆形航线的圆心距（单位：m）；Px 为航向重叠度（单位：百分比%）；Dy为旁向距离（即弓字形圆心排布线的相邻平行线的间距，单位：m）；

所述步骤2）中，无人机在连续环绕航拍过程中，设定的相机等距离连续拍照的拍照距离PL的计算公式如下：

拍照距离PL：PL=β*（1-Pj）*2πR/360

式中：PL为两次拍照之间飞行距离（单位：m）；β为相机镜头视场角（单位：度）；Pj为环绕航拍的照片重叠度（单位：百分比%）。

圆形航线的半径与航高相等，无人机在连续环绕航拍过程中，相机镜头的轴心线与地面的交点保持在其环绕圆形航线的圆心正下方，实现无人机连续环绕航拍照片的重叠区均在设定的弓字形圆心排布线区域，可对目标区均匀覆盖拍摄，当采用片间重叠度大于50％以上进行航拍时，采集的图像即可满足清晰的三维成像建模要求，无人机相机等距离连续拍照功能在大多数民用无人机上都可实现。

进一步，所述步骤1）中，在弓字形圆心排布线上，不同行的圆心呈均匀交错排列，同行的两个相邻圆心与相邻行交错的一个圆心构成等边三角形，环绕航拍实现在弓字形圆心排布线区域对目标区完整均匀覆盖拍照。

进一步，所述步骤2）中，无人机沿圆形航线逐个进行绕圈飞行过程中，相邻的圆形航线通过最小路径相连，提高环绕航拍的效率。

进一步，无人机为固定翼无人机时，相机镜头俯仰角向下倾斜45度、方向角与机头方向垂直并朝向当前环绕圆心方向进行环绕航拍，固定翼无人机沿圆形航线环绕飞行时，机身侧的相机方向角始终朝向当前环绕圆心方向。

进一步，无人机为多旋翼式无人机时，相机镜头俯仰角向下倾斜45度、方向角与机头方向相同，多旋翼式无人机在每个圆形航线上飞行时机头都朝向当前环绕圆心方向进行环绕航拍。

进一步，无人机沿连续圆形航线进行绕圈飞行时，为顺时针方向环绕，也可为逆时针方向环绕飞行，实现同样航拍效果。

实施过程：步骤1）：航线规划，在目标区设定弓字形圆心排布线，在所述弓字形圆心排布线上等距均匀排布若干同半径圆形航线的圆心；

首先根据相机、镜头、重叠度以及航拍任务分辨率要求，计算圆形航线的半径、圆心距和航高：

航高H： H=

相邻圆形航线的圆心距L：L＝H *（1-Px）

旁向距离Dy：Dy=cos30°* L

圆形航线半径R： R=H

设定的相机等距离连续拍照的拍照距离PL，计算公式如下：

拍照距离：PL=β*（1-Pj）*2πR/360

无人机实际实施过程是将以上完整航线参数和照片拍摄间距数据融合得到无人机的全部飞行参数命令，无人机即可自主执行航拍任务，无人机对目标区进行一架次连续圆形航线环绕航拍飞行，即可完成三维建模航拍图像的数据采集。

本发明的有益效果是：无人机沿若干的连续圆形航线进行绕圈飞行，连续圆航线的圆心在目标区呈弓字形等距排布，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向当前环绕圆心、俯仰角向下45度倾斜进行等距离连续拍摄，实现无人机连续环绕航拍照片的重叠区完整均匀覆盖弓字形圆心排布线的下方的目标区。

无人机在连续环绕航拍过程中，圆形航线的半径与航高设定为相等，使得相机镜头的轴心线与地面的交点保持在其环绕圆形航线的圆心正下方，实现无人机连续环绕航拍照片的重叠区均沿设定的弓字形圆心排布线完整对目标区均匀覆盖，航向重叠度大于50％以上时，采集的图像即可满足清晰的三维成像建模，本发明的环绕航拍和相机等距离连续拍照功能在大多数民用无人机上都可实现。

在弓字形圆心排布线上，不同行的圆心呈均匀交错排列，同行的两个相邻圆心与相邻行交错的一个圆心构成等边三角形，实现了航拍的图像采集在弓字形圆心排布线行间区域对目标区的完整均匀覆盖。

本发明方法可实现使用普通民用无人机对目标区进行一架次连续圆形航线环绕飞行，即可完成三维建模航拍图像的数据采集，相比传统五方向倾斜摄影可减少采集照片数量，并大幅度提高建模图像清晰度，大大提高了倾斜摄影的拍摄效率、降低了拍摄成本，尤其大幅度提高了目标物的两个立面交界边缘位置成像清晰度。

附图说明

图1是本发明的航线规划实施示意图；

图2是本发明环绕航拍时等距离连续拍照示意图；

图3是本发明实施例1施圆心均匀交错排列示意图；

图4是本发明实施例1的航线规划实施示意图；

图5是本发明实施例1的圆形航线半径R与航高H相等的空间位置示意图；

图6是本发明实施例1圆形航线环绕拍摄时成像示意图；

图7是本发明实施例1圆形航线环绕连续拍摄时成像区重叠示意图；

图8是本发明的实施例2实施示意图。

图中零部件及编号：

10-圆心；11-圆形航线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法，无人机沿若干连续的圆形航线进行绕圈飞行，所述连续圆形航线的圆心在目标区上呈弓字形等距均匀排布，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向当前环绕圆心、俯仰角向下45度倾斜进行等距离连续拍照，无人机对目标区进行一架次连续圆形航线环绕飞行，即可完成三维建模航拍图像的数据采集，连续圆环绕倾斜摄影航拍方法的具体步骤如下：

步骤1）：航线规划，在目标区设定弓字形圆心排布线，在所述弓字形圆心排布线上等距均匀排布若干同半径圆形航线的圆心10，如图1所示；

步骤2）：无人机按航线规划，沿圆形航线11逐个进行绕圈飞行，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向当前环绕圆心10、俯仰角向下45度倾斜进行等距离连续拍照，如图2所示。

如图3所示，在所述步骤1）中，在弓字形圆心排布线上，不同行的圆心10呈均匀交错排列，同行的两个相邻圆心10与相邻行交错的一个圆心10构成等边三角形。

所述步骤2）中，无人机沿圆形航线逐个进行绕圈飞行过程中，相邻的圆形航线11通过最小路径相连。

实施例1

如图4所示，具体实施过程，先进行步骤1）：航线规划，在目标区设定弓字形圆心排布线，在所述弓字形圆心排布线上等距均匀排布若干同半径圆形航线的圆心10。

首先根据相机、镜头、重叠度以及航拍任务分辨率要求，计算圆形航线的半径、圆心距与航高：

航高H：H=

相邻圆形航线的圆心距L：L=H *（1-Px）

旁向距离Dy：Dy=cos30°* L

圆形航线半径R： R=H

步骤2）：无人机按航线规划，沿圆形航线11逐个进行绕圈飞行，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向当前环绕圆心10、俯仰角向下45度倾斜进行等距离连续拍照，如图4所示。

设定的相机等距离连续拍照的拍照距离PL，计算公式如下：

拍照距离PL：PL=β*（1-Pj）*2πR/360

本实施例1中图4的环绕航拍的航向重叠度Px设定为65％，像元尺寸a根据相机感光元参数确定，地面分辨率GSD根据项目要求确定。

如图5所示，圆形航线11的半径R与航高H相等，无人机在连续环绕航拍过程中，相机镜头的轴心线与地面的交点保持在其环绕圆形航线11的圆心10正下方；如图6所示，相机在环绕拍摄时成像区在圆形航线11圆心10正下方；如图7所示，无人机连续环绕航拍照片的重叠区可完全均匀覆盖圆形航线11正下方，无人机进行一架次连续圆形航线11环绕航拍飞行，即可对弓字形圆心排布线区域下方的目标区均匀完整覆盖拍摄，完成三维建模图像采集，采集的图像即可满足清晰的三维成像建模要求，相机等距离连续拍照功能在大多数民用无人机上都可实现。

实际航拍执行过程是将以上完整航线参数和照片拍摄间距数据融合得到全部飞行参数命令，无人机即可自主执行航拍任务。

无人机采用固定翼无人机时，相机镜头俯仰角向下倾斜45度、方向角与机头方向垂直并朝向当前环绕圆心10方向进行环绕航拍。

无人机采用多旋翼式无人机时，相机镜头俯仰角向下倾斜45度、方向角与机头方向相同，多旋翼式无人机在每个圆形航线上飞行时机头都朝向当前环绕圆心10方向进行环绕航拍。

无人机对目标区进行一架次连续圆形航线11环绕飞行，即可完成三维建模航拍图像的数据采集，相比传统五方向倾斜摄影方法可减少采集照片数量，并大幅度提高建模图像清晰度。

实施例2

如图8所示，本实施例的环绕航拍的航向重叠度Px为50％时，圆形航线11的相互重叠密度相比实施例1的航向重叠度Px为65％时低，环绕航拍仍可满足三维建模的图像采集的要求，具体实施过程步骤仍按实施例1进行，在此不再敷述，请见谅。

本发明的航拍方法是无人机沿若干的连续圆形航线11进行绕圈飞行，连续圆的圆心10在目标区呈弓字形等距排布，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向当前环绕圆心10、俯仰角向下45度倾斜进行等距离连续拍摄，实现无人机连续环绕航拍照片的重叠区均匀完全覆盖设定的弓字形圆心排布线的下方的目标区。无人机对目标区进行一架次连续圆形航线环绕飞行，即可完成三维建模航拍图像的数据采集，相比传统五方向倾斜摄影可减少采集照片数量，并大幅度提高建模图像清晰度，大大提高了倾斜摄影的拍摄效率、降低了拍摄成本，尤其大幅度提高了目标物的两个立面交界边缘位置成像清晰度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法，其特征在于，无人机沿若干连续的圆形航线进行绕圈飞行，所述连续圆形航线的圆心在目标区上呈弓字形等距均匀排布，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向当前环绕圆心、俯仰角向下45度倾斜进行等距离连续拍照；

所述连续圆环绕倾斜摄影航拍方法的具体步骤如下：

步骤2）：无人机按航线规划，沿圆形航线逐个进行绕圈飞行，无人机在连续环绕航拍过程中相机镜头方向角朝向当前环绕圆心、俯仰角向下45度倾斜进行等距离连续拍照；

所述步骤1）中，圆形航线的半径与航高相等，设定航高H、相邻圆形航线的圆心距L、弓字形圆心排布线的相邻平行线之间距离即旁向距离Dy的计算公式如下：

航高H：H=

相邻圆形航线的圆心距L：L=H *（1-Px）

旁向距离Dy：Dy=cos30°* L

圆形航线半径R： R=H

式中：H为航高，单位：m；F 为相机镜头焦距，单位：mm；a为像元尺寸，单位：mm；GSD为地面分辨率，单位：m；R为圆形航线半径，单位：m；L为相邻圆形航线的圆心距，单位：m；Px 为航向重叠度，单位：百分比%；Dy为旁向距离，即弓字形圆心排布线的相邻平行线的间距，单位：m；

拍照距离PL：PL=β*(1-Pj)*2πR/360

式中：PL为两次拍照之间飞行距离，单位：m；β为相机镜头视场角，单位：度；Pj为环绕航拍的照片重叠度，单位：百分比%。

2.根据权利要求1所述的一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法，其特征在于，所述步骤1）中，在弓字形圆心排布线上，不同行的圆心呈均匀交错排列，同行的两个相邻圆心与相邻行交错的一个圆心构成等边三角形。

3.根据权利要求1所述的一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法，其特征在于，所述步骤2）中，无人机沿圆形航线逐个进行绕圈飞行过程中，相邻的圆形航线通过最小路径相连。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法，其特征在于，无人机为固定翼无人机时，相机镜头俯仰角向下倾斜45度、方向角与机头方向垂直并朝向当前环绕圆心方向进行环绕航拍。

5.根据权利要求1～3任一项所述的一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法，其特征在于，无人机为多旋翼式无人机时，相机镜头俯仰角向下倾斜45度、方向角与机头方向相同，多旋翼式无人机在每个圆形航线上飞行时机头都朝向当前环绕圆心方向进行环绕航拍。

6.根据权利要求1～3任一项所述的一种无人机连续圆环绕倾斜摄影航拍方法，其特征在于，无人机沿连续圆形航线进行绕圈飞行时，为顺时针方向环绕，也可为逆时针方向环绕飞行。