[發明專利]基于運動與結構重建的無人機測繪方法

在審

• 申請號: 201911342979.X
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111006645A
• 公開（公告）日: 2020-04-14
• 發明（設計）人: 宋娟;董麗;劉培學;張玉良;劉紀新;姜寶華;曹愛霞;邵瑞影;劉娜;李華光;曾實現;楊曉白
• 申請（專利權）人: 青島黃海學院
• 主分類號: G01C11/06
• 分類號: G01C11/06;G06T7/80
• 代理公司: 濟南知來知識產權代理事務所(普通合伙) 37276
• 代理人: 崔靜

本發明公開了一種基于運動與結構重建的無人機測繪方法，具體涉及極端地形的測繪和重建領域。該測繪方法執行了三個方面的測繪：水平方向相機拍攝、45度傾斜的相機拍攝和前面兩者的組合。為了生成點云和正射影像，通過合并的圖像集合得到最終的攝影測量結果。另外，開發一個繪制等高線和垂直截面的軟件程序，以表示測繪地形的幾何特征。結果表明，所提方法的地貌形態表征方面更準確高效。測試飛行高度在100米左右，X、Y和Z方向的標準誤差(RMSE)分別為0.055m、0.071m和0.062m，且測量項目實施的難度明顯高于同類方法。

技術領域

本發明涉及極端地形的測繪和重建領域，具體涉及一種基于運動與結構重建的無人機測 繪方法。

背景技術

近幾年，數字高程建模相關技術得到迅速發展。對于大部分地貌應用，地形測量主要是 通過機器人全站儀或差分全球導航衛星系統(GNSS)來完成。地面激光掃描(TLS)和航空激 光掃描(ALS)等新技術明顯提高了數字高程模型(DEM)的精度，但這些新技術通常耗時較 久且成本較高，且不適用于一些極端復雜或動態的地形。

為克服技術的局限性，研究人員結合計算機視覺和圖像分析，提出了運動與結構重建 (SfM)技術，該技術能夠自動解決場景幾何形狀和相機位置與朝向的問題。而使用將UAV成 像和SfM技術用于地貌和地形測繪，則效果更佳。與傳統的載人飛機和衛星相比，UAV成本 低、操作靈活、空間和時間分辨率更高，優勢明顯，在危險地域勘探方面具有重大意義。目 前已有一些研究成果，如比較了不同的SfM衍生地形數據集，這些數據集來自相同觀測，大 多數情況下的測量精度均為厘米級，這表明基于SfM算法的UAV地形重建具有可再現性。利 用50m的飛行高度和10個地面控制點，通過UAV攝影測量得到DSM和正射影像，分析了飛行 高度、地面控制點數量以及地貌形態等因素對DSM和正射影像的影響。

發明內容

本發明的目的是提出一種基于運動與結構重建的無人機測繪方法。該方法執行了三個方 面的測繪：水平方向相機拍攝、45度傾斜的相機拍攝和前面兩者的組合，為了生成點云和正 射影像，通過合并的圖像集合得到最終的攝影測量結果。

本發明具體采用如下技術方案：

基于運動與結構重建的無人機測繪方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，采用無人機進行圖像采集，將飛行計劃加載到無人機中，無人機執行兩次攝像 軸不同的飛行，飛行的攝像軸分別為水平方向和軸下傾斜45度；

步驟2，對采集的圖像進行圖像處理，具體處理過程如下：

2.1，計算初步的3D模型，其結果包括初始相機標定參數，對應每幅圖像的相機相對位 置和朝向，以及稀疏點云的3D相對坐標；

2.2，實現點云的致密化，并得到比2.1更詳細的3D模型，利用測得的地面控制點和控 制點坐標作為點云的地理坐標參考；

2.3，以特定網格大小生成網格DSM，并以預先選擇的分辨率輸出正射影像；

步驟3，從垂直平面和與目標區域任意點的擬合平面相垂直的平面所生成的原始點云中 生成等高線和橫斷面；

步驟4，對控制點坐標進行評價。

優選地，步驟1中，水平攝影軸的飛行包括不同高度處的4次長度為150m的飛行，圖像之間的重疊率分別為90％和60％；軸下傾斜45度的飛行中包括2次長度為150m的飛行，圖像分辨率為調整為4240×2832像素，地面采樣間距為1.86cm。

優選地，步驟2.1中計算的初步的3D模型，包括初始相機標定參數，對應每幅圖像的相 機相對位置和朝向，以及稀疏點云的3D相對坐標。

優選地，步驟2.3中，使用5個測量點作為地面控制點，其他18個點作為控制點。