无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法、装置与介质与流程
本发明涉及建筑测绘技术领域，具体涉及一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法、装置与介质。
背景技术
地形图是一种重要的通用性地图，它是地物和地貌位置、形状等在特定水平面上的投影。具体来说，就是将地面上的地物和地貌沿铅垂线方向投影到投影面上，并按一定的比例尺缩绘而成。房屋作为重要地物，是各种地形图中的关键要素，其测绘的便捷性和精确性对于地形图至关重要。
近年来，采用无人机进行1：2000乃至1：500比例尺范围的大比例尺地形图测绘已成为全球测量领域内的热点研究。相较于传统地形图测绘方法，无人机大比例尺测绘具有自动化程度高、影像分辨率高、视角丰富等优点，在作业效率方面具有显著优势，也大大降低了外业强度。
大比例尺地形图中房屋线是由建筑外立面在投影面上的投影线构成的，因而房屋的测绘精度直接取决于其外立面及房屋边线的确定精度。然而，人工在立体影像上直接绘制房屋边线时，由于线性目标在视图中呈现尖角易产生较大的勾选偏差；同时，由于树木植被和其他地物的遮挡，大量房屋的基底、边线和角点等特征位置也并不能直接呈现在影像上，导致无法进行测绘。上述种种问题导致房屋测绘的精度不足、效率不高，并在很大程度上限制了无人机测制大比例尺地形图的推广和应用。
技术实现要素：
基于此，本发明提供了一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法、装置与介质，能够依据多视倾斜影像，准确提取建筑的轮廓，提高建筑的测绘精度和效率。
本发明实施例提供一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法，包括：
根据多视倾斜影像，构建指定建筑的实景三维模型；
从所述实景三维模型中相邻的外立面中各选取两点，并投影到预设的测量投影面上，得到相邻的所述外立面中选取的两点在所述投影平面上的投影点；
根据同一外立面对应的投影点，计算所述外立面的投影线以及相邻的所述外立面的投影交点；
根据所述投影线、所述投影交点之间的拓扑关系，连接所述投影线、所述投影交点，得到所述指定建筑的轮廓。
优选地，所述根据同一外立面对应的投影点，计算所述外立面的投影线以及相邻的所述外立面的投影交点，具体包括：
计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线；
计算相邻的所述外立面对应的投影直线的交点，作为所述投影交点；
连接同一外立面对应的两个投影交点，得到所述外立面的投影线。
优选地，所述根据多视倾斜影像，构建指定建筑的实景三维模型之前还包括：
根据所述多视倾斜影像的位置数据和姿态数据，对所述多视倾斜影像进行空中三角测量、几何校正、坐标转换以及影像拼接。
优选地，所述计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线，具体包括：
根据所述实景三维模型的外立面的相邻关系，对所述实景三维模型的外立面进行编号；
根据所述实景三维模型的外立面的编号顺序，依次计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线。
优选地，所述计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线，具体包括：
根据公式
其中，投影直线的直线方程参数
优选地，所述计算相邻的所述外立面对应的投影直线的交点，作为所述投影交点，具体包括：
根据公式
其中，
优选地，所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法还包括：
依据影像拼接后的所述多视倾斜影像中局部区域地表所在的平面，采用城市平面坐标系或高斯投影平面坐标系建立相对于所述实景三维模型的测量投影面。
本发明实施例还提供了一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置，包括：
三维模型构建模块，用于根据多视倾斜影像，构建指定建筑的实景三维模型；
投影模块，用于从所述实景三维模型中相邻的外立面中各选取两点，并投影到预设的测量投影面上，得到相邻的所述外立面中选取的两点在所述投影平面上的投影点；
投影交点计算模块，用于根据同一外立面对应的投影点，计算所述外立面的投影线以及相邻的所述外立面的投影交点；
轮廓提取模块，用于根据所述投影线、所述投影交点之间的拓扑关系，连接所述投影线、所述投影交点，得到所述指定建筑的轮廓。
本发明实施例还提供了一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述的无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法。
相对于现有技术，本发明实施例提供的一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法的有益效果在于：所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法，包括：根据多视倾斜影像，构建指定建筑的实景三维模型；从所述实景三维模型中相邻的外立面中各选取两点，并投影到预设的测量投影面上，得到相邻的所述外立面中选取的两点在所述投影平面上的投影点；根据同一外立面对应的投影点，计算所述外立面的投影线以及相邻的所述外立面的投影交点；根据所述投影线、所述投影交点之间的拓扑关系，连接所述投影线、所述投影交点，得到所述指定建筑的轮廓。上述方法能够依据多视倾斜影像，准确提取建筑的轮廓，提高建筑的测绘精度和效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法的流程图；
图2是建筑外立面投影示意图；
图3是建筑外立面的投影交点示意图；
图4是本发明实施例提供的一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，其是本发明实施例所提供的一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法的流程图，所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法，包括：
s100：根据多视倾斜影像，构建指定建筑的实景三维模型；
s200：从所述实景三维模型中相邻的外立面中各选取两点，并投影到预设的测量投影面上，得到相邻的所述外立面中选取的两点在所述投影平面上的投影点；
s300：根据同一外立面对应的投影点，计算所述外立面的投影线以及相邻的所述外立面的投影交点；
s400：根据所述投影线、所述投影交点之间的拓扑关系，连接所述投影线、所述投影交点，得到所述指定建筑的轮廓。
在本实施例中，外立面中两点的选取可以依据所述实景三维模型中的特征位置进行指定，也可以经由设计图、现场测量等方式直接获取和输入点位坐标。外立面中两点的选取的原则是位于相应的外立面上，且具有较高影像辨识度，便于点选。同时，为提高立面计算精度，建议两点间的距离尽可能远。优选地，外立面中选取的两点间的连线大于外立面宽度的一半，且两点间的连线呈水平。进一步地，外立面中选取的两点间的高度差小于外立面高度的一半。
依照所述投影线、所述投影交点之间拓扑关系即可连接形成为所述指定建筑的轮廓线，得到所述指定建筑的轮廓。如图2所示，建筑轮廓一般为封闭图形，并可以在建筑轮廓上加注建筑属性和层数等信息。
上述方法基于指定建筑对应的实景三维模型中外立面的特性直接进行外边线构造和投影，通过多个面的约束确保了边线的精确性、严密性和稳健性。且本方法技术适应性强，即使对于由于遮挡、视角等问题而在影像上无法直接看到的建筑特征线，也可以精确进行提取，实现准确提取建筑的轮廓，提高建筑测绘的效率、便捷性和精度。在无人机低空航测、地面或空中倾斜摄影测量、大比例尺地形图快速测制等相关领域具有广泛的应用前景。
在一种可选的实施例中，如图3所示，s300：根据同一外立面对应的投影点，计算所述外立面的投影线以及相邻的所述外立面的投影交点，具体包括：
计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线；
计算相邻的所述外立面对应的投影直线的交点，作为所述投影交点；
连接同一外立面对应的两个投影交点，得到所述外立面的投影线。
在一种可选的实施例中，s100：根据多视倾斜影像，构建指定建筑的实景三维模型之前还包括：
根据所述多视倾斜影像的位置数据和姿态数据，对所述多视倾斜影像进行空中三角测量、几何校正、坐标转换以及影像拼接。
由于无人机航高较低、分辨率很高，受视角所限，针对房屋等大型建筑的测绘需通过多个测站的多角度影像采集才能完整覆盖，因此，需要采集指定建筑的多视倾斜影像，并依据多视倾斜影像的位置(gps)数据和姿态(pos)数据采用通用方法进行空中三角测量、几何校正、坐标转换和影像拼接等预处理，生成具有数据量大、重叠度高和视角丰富的特点的影像数据，以使得构建的点云和实景三维模型处于与测量投影面处于同一空间直角坐标系中，便于后续的统一处理。
在一种可选的实施例中，所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法还包括：
依据影像拼接后的所述多视倾斜影像中局部区域地表所在的平面，采用城市平面坐标系或高斯投影平面坐标系建立相对于所述实景三维模型的测量投影面。其中，所述测量投影面对应的高程基准面为似大地水准面。
大比例尺测图的坐标系统采用平面和高程相分离的形式。在本实施例中，采用影像拼接后的所述多视倾斜影像中局部区域地表看作平面，采用平面坐标，例如城市平面坐标系或高斯投影平面坐标系，建立相对于所述实景三维模型的测量投影面。而大比例尺测图的高程基准面可采用城市高程基准或国家高程基准。优选地，在本实施例中采用似大地水准面作为高程基准面，z坐标轴是沿地面铅垂线的方向向上的由于建筑的外立面是可以表征建筑物外轮廓的多个平面，而这些外立面都是与铅垂线方向一致的，也即与z坐标轴是平行的。
在一种可选的实施例中，所述计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线，具体包括：
根据所述实景三维模型的外立面的相邻关系，对所述实景三维模型的外立面进行编号；
根据所述实景三维模型的外立面的编号顺序，依次计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线。
在一种可选的实施例中，所述计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线，具体包括：
根据公式
其中，投影直线的直线方程参数
建筑的外立面边线是由一个外立面与其两个相邻外立面形成的直线。在本实施例中，依据外立面的相邻关系，依次选取外立面上的两点，并采用上述公式对建筑所有具有轮廓特征的外立面求取外立面的投影直线，通过两个平面的约束，可以提高建筑测绘的精确性、严密性和稳健性。将需要处理的所有外立面依照它们之间的相邻关系进行编号，并按照编号顺序依次计算，可以避免错漏。
在一种可选的实施例中，s400：计算相邻的所述外立面对应的投影直线的交点，作为所述投影交点，具体包括：
根据公式
其中，
如图3所示，例如：两个相邻外立面的两点分别为p1(x1，y1)、p2(x2，y2)；p′1(x3，y3)、p′2(x4，y4)；则，求得点p1、p2对应所述测量投影面m的投影直线为l1:y＝k1x+b1；点p′1、p′2对应所述测量投影面m的投影直线为l2:y＝k2x+b2；并求得两投影直线的交点为p0。
请参阅图4，其是本发明实施例提供的一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置的示意图，所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置，包括：
三维模型构建模块1，用于根据多视倾斜影像，构建指定建筑的实景三维模型；
投影模块2，用于从所述实景三维模型中相邻的外立面中各选取两点，并投影到预设的测量投影面上，得到相邻的所述外立面中选取的两点在所述投影平面上的投影点；
投影交点计算模块3，用于根据同一外立面对应的投影点，计算所述外立面的投影线以及相邻的所述外立面的投影交点；
轮廓提取模块4，用于根据所述投影线、所述投影交点之间的拓扑关系，连接所述投影线、所述投影交点，得到所述指定建筑的轮廓。
在本实施例中，外立面中两点的选取可以依据所述实景三维模型中的特征位置进行指定，也可以经由设计图、现场测量等方式直接获取和输入点位坐标。外立面中两点的选取的原则是位于相应的外立面上，且具有较高影像辨识度，便于点选。同时，为提高立面计算精度，建议两点间的距离尽可能远。优选地，外立面中选取的两点间的连线大于外立面宽度的一半，且两点间的连线呈水平。进一步地，外立面中选取的两点间的高度差小于外立面高度的一半。
依照所述投影线、所述投影交点之间拓扑关系即可连接形成为所述指定建筑的轮廓线，得到所述指定建筑的轮廓。如图2所示，建筑轮廓一般为封闭图形，并可以在建筑轮廓上加注建筑属性和层数等信息。
上述装置基于指定建筑对应的实景三维模型中外立面的特性直接进行外边线构造和投影，通过多个面的约束确保了边线的精确性、严密性和稳健性。且本装置技术适应性强，即使对于由于遮挡、视角等问题而在影像上无法直接看到的建筑特征线，也可以精确进行提取，实现准确提取建筑的轮廓，提高建筑测绘的效率、便捷性和精度。在无人机低空航测、地面或空中倾斜摄影测量、大比例尺地形图快速测制等相关领域具有广泛的应用前景。
在一种可选的实施例中，投影模块4包括：
投影直线计算单元，用于计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线；
投影交点计算单元，用于计算相邻的所述外立面对应的投影直线的交点，作为所述投影交点；
投影线连接单元，用于连接同一外立面对应的两个投影交点，得到所述外立面的投影线。
在一种可选的实施例中，所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置还包括：
数据预处理模块，用于根据所述多视倾斜影像的位置数据和姿态数据，对所述多视倾斜影像进行空中三角测量、几何校正、坐标转换以及影像拼接。
由于无人机航高较低、分辨率很高，受视角所限，针对房屋等大型建筑的测绘需通过多个测站的多角度影像采集才能完整覆盖，因此，需要采集指定建筑的多视倾斜影像，并依据多视倾斜影像的位置(gps)数据和姿态(pos)数据采用通用装置进行空中三角测量、几何校正、坐标转换和影像拼接等预处理，生成具有数据量大、重叠度高和视角丰富的特点的影像数据，以使得构建的点云和实景三维模型处于与测量投影面处于同一空间直角坐标系中，便于后续的统一处理。
在一种可选的实施例中，所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置包括：
投影面建立模块，用于依据影像拼接后的所述多视倾斜影像中局部区域地表所在的平面，采用城市平面坐标系或高斯投影平面坐标系建立相对于所述实景三维模型的测量投影面。其中，所述测量投影面对应的高程基准面为似大地水准面。
大比例尺测图的坐标系统采用平面和高程相分离的形式。在本实施例中，采用影像拼接后的所述多视倾斜影像中局部区域地表看作平面，采用平面坐标，例如城市平面坐标系或高斯投影平面坐标系，建立相对于所述实景三维模型的测量投影面。而大比例尺测图的高程基准面可采用城市高程基准或国家高程基准。优选地，在本实施例中采用似大地水准面作为高程基准面，z坐标轴是沿地面铅垂线的方向向上的。由于建筑的外立面是可以表征建筑物外轮廓的多个平面，而这些外立面都是与铅垂线方向一致的，也即与z坐标轴是平行的。
在一种可选的实施例中，所述投影直线计算单元包括：
编号单元，用于根据所述实景三维模型的外立面的相邻关系，对所述实景三维模型的外立面进行编号；
直线计算单元，用于根据所述实景三维模型的外立面的编号顺序，依次计算连接同一外立面对应的投影点的投影直线。
在一种可选的实施例中，所述直线计算单元，用于根据公式
其中，投影直线的直线方程参数
建筑的外立面边线是由一个外立面与其两个相邻外立面形成的直线。在本实施例中，依据外立面的相邻关系，依次选取外立面上的两点，并采用上述公式对建筑所有具有轮廓特征的外立面求取外立面的投影直线，通过两个平面的约束，可以提高建筑测绘的精确性、严密性和稳健性。将需要处理的所有外立面依照它们之间的相邻关系进行编号，并按照编号顺序依次计算，可以避免错漏。
在一种可选的实施例中，所述投影交点计算模块4，用于根据公式
其中，
本发明实施例还提供了一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置中的执行过程。例如，所述计算机程序可以被分割成图4所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置的功能模块。
所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置可以是手机、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置可包括，但不仅限于，处理器、存储器。例如所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘装置集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述的无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法。
相对于现有技术，本发明实施例提供的一种无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法的有益效果在于：所述无人机大比例尺地形图房屋外立面测绘方法，包括：根据多视倾斜影像，构建指定建筑的实景三维模型；从所述实景三维模型中相邻的外立面中各选取两点，并投影到预设的测量投影面上，得到相邻的所述外立面中选取的两点在所述投影平面上的投影点；根据同一外立面对应的投影点，计算所述外立面的投影线以及相邻的所述外立面的投影交点；根据所述投影线、所述投影交点之间的拓扑关系，连接所述投影线、所述投影交点，得到所述指定建筑的轮廓。上述方法能够依据多视倾斜影像，准确提取建筑的轮廓，提高建筑的测绘精度和效率。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
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