CN112781563B - 一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法，该方法包括：通过地形图或卫星影像图对测区进行分析，并制定飞行航线；接收输入的影像采集技术参数，并通过计算确定与所述飞行航线对应的飞行参数；根据所述飞行航线和飞行参数实施飞行，并采集所述测区的影像数据；将所述影像数据转化为点云数据，以生成所述测区的三维模型。本发明通过在执行航摄之前先制定合适的飞行航线，并通过计算确定飞行航线中的飞行参数，实现了飞行航线优化，能够解决现有技术不满足多样化采集需求、航带重叠率高、采集精度低的问题，提高了点云采集精度与配网建模能力。

Description

一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法

技术领域

本发明涉及建筑测绘技术领域，尤其涉及一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法。

背景技术

倾斜影像是指由一定倾斜角度的航摄相机所获取的影像。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台(有人飞机或者无人机)上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。

常用的倾斜摄影技术主要有三相机和五相机组合，目前主流方案采用五相机(也有少数采用双相机或单相机的方案，但通常以采集效率降低为代价)。在五相机方案中，其中一台获取垂直影像，另外四台从前后左右四个方向同时获取地物的侧视影像。相机倾斜角度在40度到60度之间，因此可以较为完整地获取地物侧面的轮廓和纹理信息，是大场景三维建模的重要选择之一。

目前，现有的倾斜摄影技术在任意测区的飞行航线都是固定的，航带重叠率高，而且只能满足不规则区域的倾斜摄影需求，而对于地物高集中区域的倾斜摄影需求，往往难以满足，采集精度低。

发明内容

本发明提供一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法，所述方法包括：

通过地形图或卫星影像图对测区进行分析，并制定飞行航线；

接收输入的影像采集技术参数，并通过计算确定与所述飞行航线对应的飞行参数；

根据所述飞行航线和飞行参数实施飞行，并采集所述测区的影像数据；

将所述影像数据转化为点云数据，以生成所述测区的三维模型。

进一步地，所述配网倾斜摄影高精度点云采集方法中，所述飞行航线包括折线飞行航线和环绕飞行航线；

所述影像采集技术参数包括地面采样距离、航向重叠率、旁向重叠率和容许像移值；

所述飞行参数包括航高、摄影基线长度、航线间隔长度、最大飞行速度和任务执行时间。

进一步地，所述配网倾斜摄影高精度点云采集方法中，所述通过地形图或卫星影像图对测区进行分析，并制定飞行航线的步骤包括：

通过地形图或卫星影像图对测区进行分析；

对于所述测区中的不规则区域，制定所述飞行航线为折线飞行航线；

对于所述测区中的地物高集中区域，则制定所述飞行航线为环绕飞行航线。

进一步地，所述配网倾斜摄影高精度点云采集方法中，当所述飞行航线为折线飞行航线时，则所述接收输入的影像采集技术参数，并通过计算确定与所述飞行航线对应的飞行参数的步骤包括：

接收输入的影像采集技术参数；

当所述折线飞行航线为定高航线时，通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航高H_定高：

其中，D为摄影物距，即相机与地面地物的距离；p₁为长边象元数量，即相机感光元件参数；FOV为水平方向的镜头视角，镜头固定参数；GSD为地面采样距离；

当所述折线飞行航线为变高航线时，通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航高H_变高：

H_变高＝L·tanα+D·cosα；

其中，D为摄影物距，即相机与地面地物的距离；α为坡度角；L为航线长度；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的摄影基线长度B_x：

B_x＝(1-O_x)·GSD·p_x；

其中，O_x为航向重叠率；p_x为航向象元数量，即相机像素与航线平行方向的象元数量；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航线间隔长度B_y：

B_y＝(1-O_y)·GSD·p_y；

其中，O_y为旁向重叠率；p_y为旁向象元数量，即相机像素与航线垂直方向的象元数量；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的最大飞行速度V_max：

其中，t为曝光时间，来源于相机的测光值；δ_max为容许像移值；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的任务执行时间T_pre：

进一步地，所述配网倾斜摄影高精度点云采集方法中，当所述飞行航线为环绕飞行航线时，则所述接收输入的影像采集技术参数，并通过计算确定与所述飞行航线对应的飞行参数的步骤包括：

接收输入的影像采集技术参数；

通过如下公式计算确定与所述环绕飞行航线对应的航高H_环饶和环绕半径R_环绕：

H_环绕＝D·cosθ_pitch；

R_环绕＝D·cosθ_pitch；

其中，D为摄影物距，即相机与地面地物的距离；θ_pitch为相机俯视角，来源于相机云台；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的摄影基线长度B_x：

B_x＝(1-O_x)·GSD·p_x；

其中，O_x为航向重叠率；GSD为地面采样距离；p_x为航向象元数量，即相机像素与航线平行方向的象元数量；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航线间隔长度B_y：

B_y＝(1-O_y)·GSD·p_y；

其中，O_y为旁向重叠率；p_y为旁向象元数量，即相机像素与航线垂直方向的象元数量；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的最大飞行速度V_max：

其中，t为曝光时间，来源于相机的测光值；δ_max为容许像移值；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的任务执行时间T_pre：

进一步地，所述配网倾斜摄影高精度点云采集方法中，在所述接收输入的影像采集技术参数的步骤之后，所述方法还包括：

根据起飞点与采集区域的关系，采用以下方式调整预设的重叠率：

若起飞点在测区地面，且采集区域平坦开阔，则无需调整预设的重叠率；

若起飞点在测区地面，且采集高楼密集的城区，则将预设的重叠率0调整为：

其中，O为重叠率，H为航高，h为定高，o为旁向重叠度；

若起飞点高于测区地面，且采集平坦地区，则无需调整预设的重叠率；

若起飞点低于测区地面，且采集平坦地区，则将预设的重叠率0调整为：

其中，O为重叠率，S1为相邻两个航点的距离，L为航线长度，H为航高，l为航线间距。

本发明提供的一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法，通过在执行航摄之前先制定合适的飞行航线，并通过计算确定飞行航线中的飞行参数，实现了飞行航线优化，能够解决现有技术不满足多样化采集需求、航带重叠率高、采集精度低的问题，提高了点云采集精度与配网建模能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一提供的一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

请参阅附图1，附图1为本发明实施例一提供的一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法的流程示意图，该方法适用于利用无人机或有人飞机进行航摄的场景。该方法具体包括如下步骤：

S101、通过地形图或卫星影像图对测区进行分析，并制定飞行航线。

其中，所述飞行航线包括折线飞行航线和环绕飞行航线。

需要说明的是，执行每一次航摄之前，通过地形图、卫星影像图等参考资料对测区进行较为详细的分析，如测区地理位置、测区地物等，必要时进行实地勘察，从而全方位了解测区信息。

S102、接收输入的影像采集技术参数，并通过计算确定与所述飞行航线对应的飞行参数。

其中，所述影像采集技术参数包括地面采样距离、航向重叠率、旁向重叠率和容许像移值；

所述飞行参数包括航高、摄影基线长度、航线间隔长度、最大飞行速度和任务执行时间。

具体的，地面采样距离GSD：指数字影像中用地面距离单位表示的像素大小，即地面分辨率，单位为米/像素，这是衡量影像分辨率的重要指标。GSD与航线参数最直接的关系就是航高，航高决定了相机的曝光高度，决定了采集影像的像素也就是GSD。在无人机倾斜影像采集中，以正射影像的GSD为准进行计算；

航向重叠率O_x：无人机在飞行方向上相邻影像重叠的比例(％)，用于计算摄影基线长度B_x；

旁向重叠率O_y：相邻航线间的影像重叠的比例(％)，用于计算航线间隔长度B_y；

容许像移值δ_max：在曝光时间中，焦平面上镜头成像的最大值是像素大小与像素大小(无单位)的比率。该参数描述图像的动态模糊程度，并通过无人机参数和相机参数计算出无人机的最大巡航速度。

这些参数都是影响影像采集精度的关键指标，通常人为在任务执行前指定。在航线规划中，航高H、摄影基线长度B_x、航线间隔长度B_y、最大飞行速度V_max、任务执行时间T_pre等都基于这些参数进行计算和确定。

S103、根据所述飞行航线和飞行参数实施飞行，并采集所述测区的影像数据。

S104、将所述影像数据转化为点云数据，以生成所述测区的三维模型。

在本实施例中，针对不规则区域和地物高集中区，设计了无人机的两种飞行航线：折线飞行航线和环线飞行航线。测区折线飞行航线同时适用于不规则区域的竖直和倾斜摄影，在每条航线的起止点设置航点，无人机在飞行过程中按照航摄参数预设的拍摄间隔进行影像采集，直至所有航线都飞行完成；对于地物高集中区域的倾斜影像，无人机使用环绕飞行航线在特定高度和固定点的固定半径飞行，按照任务参数预设的拍摄间隔进行影像采集，并依次等差的提升航高，直至采集测区全部影像数据，对于地物的顶部信息，可以设置一条单独的航线来采集。

优选的，所述步骤S101进一步包括：

通过地形图或卫星影像图对测区进行分析；

对于所述测区中的不规则区域，制定所述飞行航线为折线飞行航线；

对于所述测区中的地物高集中区域，或者是独立地物，如高楼区、大型雕像、山顶等，则制定所述飞行航线为环绕飞行航线。

优选的，当所述飞行航线为折线飞行航线时，则所述步骤S102进一步包括：

接收输入的影像采集技术参数；

在实际影像采集中，测区地面的实际情况如水平地面和坡度地面，相对航高与摄影物距D之间的关系也不一样。

当所述折线飞行航线为定高航线时，通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航高H_定高：

其中，D为摄影物距，即相机与地面地物的距离；p₁为长边象元数量，即相机感光元件参数；FOV为水平方向的镜头视角，镜头固定参数；GSD为地面采样距离；

当所述折线飞行航线为变高航线时，测区的地面具有一定坡度，无人机相机的主光轴垂直于地面，通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航高H_变高：

H_变高＝L·tanα+D·cosα；

其中，D为摄影物距，即相机与地面地物的距离；α为坡度角，若主光轴和坡面近乎垂直，则

L为航线长度；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的摄影基线长度B_x(摄影基线长度B_x用于确定在一条航线上飞行，无人机采集相邻两张影像的飞行距离，从而确定相机的曝光时间)：

B_x＝(1-O_x)·GS D·p_x；

其中，O_x为航向重叠率；GSD为地面采样距离；p_x为航向象元数量，即相机像素与航线平行方向的象元数量；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航线间隔长度B_y(航线间隔长度By用于确定两条相邻航线之间的间隔距离，从而确定测区的航带数量)：

B_y＝(1-O_y)·GSD·p_y；

其中，O_y为旁向重叠率；p_y为旁向象元数量，即相机像素与航线垂直方向的象元数量；

依据航高与地面采样距离GSD的关系，可以得到航高H(H表示H_定高或H_变高)与摄影基线长度Bx之间的关系：

如果无人机相机采用等时间间隔的方式采集影像，只需计摄影基线长度B_x与无人机允许范围内的航速v的比值即可，则相机曝光时间间隔T_inteval，与航高H、航向重叠率Ox之间的关系为：

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的最大飞行速度V_max：

其中，t为曝光时间，来源于相机的测光值；δ_max为容许像移值；

相机最长曝光时间(快门安全速度)与无人机飞行速度阈值之间有以下的关系：

式中，

最大飞行速度V_max为无人机能够达到的最大速度，这是无人机的硬件参数。

通过综合无人机硬件参数与相机硬件参数，可以找到飞行速度与快门速度之间的平衡值，通过设置曝光时间阈值，有效的避免像移值超限。

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的任务执行时间T_pre(在进行航线规划时，通过计算任务执行时间T_pre可以合理的安排任务执行。将航线长度除以容许无人机最大飞行速度就可以得到该参数)：

其中，航线长度L可通过调用地理底图如高德地图SDK、百度地图SDK的API就可以获取到直线/折线类型的航线长度；

优选的，当所述飞行航线为环绕飞行航线时，则所述步骤S102进一步包括：

接收输入的影像采集技术参数；

通过如下公式计算确定与所述环绕飞行航线对应的航高H_环饶和环绕半径R_环绕：

H_环绕＝D·Cosθ_pitch；

R_环绕＝D·cos θ_pitch；

其中，D为摄影物距，即相机与地面地物的距离；θ_pitch为相机俯视角，来源于相机云台；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的摄影基线长度B_x：

B_x＝(1-O_x)·GSD·p_x；

其中，O_x为航向重叠率；p_x为航向象元数量，即相机像素与航线平行方向的象元数量；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航线间隔长度B_y：

B_y＝(1-O_y)·GSD·p_r；

其中，O_y为旁向重叠率；p_y为旁向象元数量，即相机像素与航线垂直方向的象元数量；

依据航高与地面采样距离GSD的关系，可以得到航高H(H表示H_环绕)与摄影基线长度Bx之间的关系：

如果无人机相机采用等时间间隔的方式采集影像，只需计摄影基线长度B_x与无人机允许范围内的航速v的比值即可，则相机曝光时间间隔T_inteval，与航高H、航向重叠率O_x之间的关系为：

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的最大飞行速度V_max：

其中，t为曝光时间，来源于相机的测光值；δ_max为容许像移值；

相机最长曝光时间(快门安全速度)与无人机飞行速度阈值之间有以下的关系：

式中，

最大飞行速度V_max为无人机能够达到的最大速度，这是无人机的硬件参数。

通过综合无人机硬件参数与相机硬件参数，可以找到飞行速度与快门速度之间的平衡值，通过设置曝光时间阈值，有效的避免像移值超限。

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的任务执行时间T_pre：

在本实施例中，无人机实际工作的测区通常是复杂多变的，测区可能包括城市高建筑群、复杂起伏山体等，无人机的起飞高度也通常不是平坦地面，这时候预设影像重叠率与实际影像重叠率很有可能不一致，导致采集的影像重叠率不符合质量要求，这时可针对测区和起飞点的实际情况，实时的调整预设重叠率，可以采集到更符合质量要求的影像，可以获得更好的效果与精度。

优选的，在所述接收输入的影像采集技术参数的步骤之后，所述方法还包括：

根据起飞点与采集区域的关系，采用以下方式调整预设的重叠率：

若起飞点在测区地面，且采集区域平坦开阔，则无需调整预设的重叠率。

这种情况为常规的航摄飞行，可以按照预设的航高和重叠率直接设置航线，完成飞行。

若起飞点在测区地面，且采集高楼密集的城区，则将预设的重叠率0调整为：

其中，O为重叠率，H为航高，h为定高，o为旁向重叠度。

这种情况下，直接设置重叠率，地面的低矮地物可以满足重叠率的要求，但对于高层建筑，屋顶影像的重叠率会降低。

若起飞点高于测区地面，且采集平坦地区，则无需调整预设的重叠率。

依据

可以确定，预设的重叠率大于待调整的重叠率，这种情况下，无需进行预设重叠率的调整。

若起飞点低于测区地面，且采集平坦地区，则将预设的重叠率0调整为：

其中，O为重叠率，S1为相邻两个航点的距离，L为航线长度，H为航高，l为航线间距。

本发明实施例提供的一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法，通过在执行航摄之前先制定合适的飞行航线，并通过计算确定飞行航线中的飞行参数，实现了飞行航线优化，能够解决现有技术不满足多样化采集需求、航带重叠率高、采集精度低的问题，提高了点云采集精度与配网建模能力。

至此，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 (3)

1.一种配网倾斜摄影高精度点云采集方法，其特征在于，所述方法包括：

通过地形图或卫星影像图对测区进行分析，并制定飞行航线；

接收输入的影像采集技术参数，并通过计算确定与所述飞行航线对应的飞行参数；

根据所述飞行航线和飞行参数实施飞行，并采集所述测区的影像数据；

将所述影像数据转化为点云数据，以生成所述测区的三维模型；

当所述飞行航线为折线飞行航线时，则所述接收输入的影像采集技术参数，并通过计算确定与所述飞行航线对应的飞行参数的步骤包括：

接收输入的影像采集技术参数；

当所述折线飞行航线为定高航线时，通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航高H_定高：

其中，D为摄影物距，即相机与地面地物的距离；p₁为长边像元数量，即相机感光元件参数；FOV为水平方向的镜头视角，镜头固定参数；GSD为地面采样距离；

当所述折线飞行航线为变高航线时，通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航高H_变高：

H_变高＝L·tanα+D·cosα；

其中，D为摄影物距，即相机与地面地物的距离；α为坡度角；L为航线长度；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的摄影基线长度B_x：

B_x＝(1-O_x)·GSD·p_x；

其中，O_x为航向重叠率；p_x为航向像元数量，即相机像素与航线平行方向的像元数量；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的航线间隔长度B_y：

B_y＝(1-O_y)·GSD·p_y；

其中，O_y为旁向重叠率；p_y为旁向像元数量，即相机像素与航线垂直方向的像元数量；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的最大飞行速度V_max：

其中，t为曝光时间，来源于相机的测光值；δ_max为容许像移值；

通过如下公式计算确定与所述折线飞行航线对应的任务执行时间T_pre：

或者，当所述飞行航线为环绕飞行航线时，则所述接收输入的影像采集技术参数，并通过计算确定与所述飞行航线对应的飞行参数的步骤包括：

接收输入的影像采集技术参数；

通过如下公式计算确定与所述环绕飞行航线对应的航高H_环绕和环绕半径R_环绕：

H_环绕＝D·cosθ_pitch；

R_环绕＝D·cosθ_pitch；

其中，D为摄影物距，即相机与地面地物的距离；θ_pitch为相机俯视角，来源于相机云台；

通过如下公式计算确定与所述环绕飞行航线对应的摄影基线长度B_x：

B_x＝(1-O_x)·GSD·p_x；

其中，O_x为航向重叠率；GSD为地面采样距离；px为航向像元数量，即相机像素与航线平行方向的像元数量；

通过如下公式计算确定与所述环绕飞行航线对应的航线间隔长度B_y：

B_y＝(1-O_y)·GSD·p_y；

其中，O_y为旁向重叠率；p_y为旁向像元数量，即相机像素与航线垂直方向的像元数量；

通过如下公式计算确定与所述环绕飞行航线对应的最大飞行速度V_max：

其中，t为曝光时间，来源于相机的测光值；δ_max为容许像移值；

通过如下公式计算确定与所述环绕飞行航线对应的任务执行时间T_pre：

2.根据权利要求1所述的配网倾斜摄影高精度点云采集方法，其特征在于，所述通过地形图或卫星影像图对测区进行分析，并制定飞行航线的步骤包括：

通过地形图或卫星影像图对测区进行分析；

对于所述测区中的不规则区域，制定所述飞行航线为折线飞行航线；

对于所述测区中的地物高集中区域，则制定所述飞行航线为环绕飞行航线。

3.根据权利要求1所述的配网倾斜摄影高精度点云采集方法，其特征在于，在所述接收输入的影像采集技术参数的步骤之后，所述方法还包括：

根据起飞点与采集区域的关系，采用以下方式调整预设的重叠率：

若起飞点在测区地面，且采集区域平坦开阔，则无需调整预设的重叠率；

若起飞点在测区地面，且采集高楼密集的城区，则将预设的重叠率O调整为：

其中，O为重叠率，H为航高，h为定高，o为旁向重叠度；

若起飞点高于测区地面，且采集平坦地区，则无需调整预设的重叠率；

若起飞点低于测区地面，且采集平坦地区，则将预设的重叠率O调整为：

其中，O为重叠率，S1为相邻两个航点的距离，L为航线长度，H为航高，l为航线间距。

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