基于无人机技术快速精准采集低空遥感影像的方法与流程

本发明属于无人机航摄采集技术领域，具体设计一种基于无人机技术快速精准采集低空遥感影像的方法。

背景技术：

目前无人机航空摄影技术在测绘勘探、国土资源、电力巡检、精准农业等行业广泛应用。要进行无人机航摄采集应该包括无人机系统、app飞控系统、中央图像处理系统、地图图层服务系统、流媒体服务系统、影像存储系统。其中的app飞控系统则是重点，常见app飞控系统一般包括：

任务管理模块，用于航摄任务的远程同步，航摄任务创建、保存、加载等管理操作。通过航线设置功能，生成详细的飞行航线，包括航线、航路点、相机自动拍摄频率、影像格式、影像宽长比等等。任务设置是保证影像采集质量的关键环节，具体包括：采集区生成功能，用于采集区范围的确定。航摄参数设置功能，根据不同采集需求和经验值，系统预设相应的航摄参数；同时提供调整入口。设置的参数包括：航线重叠率、旁向重叠率、航高/gsd、相机倾角、飞行速度、照片格式等等。航线生成功能，根据采集区域几何轮廓和航摄参数，经系统的航线算法自动生成航路点，并同步在地图上可视化渲染，保证测区被完整覆盖在航点航线之下；

任务执行模块，用于航线任务设置完成后，执行该次任务；

地图管理模块，用于提供了测区范围选择的地图依据，包括自行采集的低空遥感影像，由远程地图图层服务系统提供。

所述远程服务，为app飞控系统提供参数数据服务、空间数据服务、影像处理服务、流媒体服务和影像存储管理服务等。其中，参数数据包括航摄任务数据、飞行参数数据、飞行轨迹数据等；媒体数据包括原始影像、正射影像、飞行视频数据等等；空间数据包括测区矢量图层、测区低空遥感影像图层数据、三维模型数据等等。

无人机制造厂商提供了基础功能的移动app，用于小场景，低精度的影像采集。基于无人机厂商提供的通用技术解决方案，绝大多数企业的研发成果无法达到工业生产水准，也无法适应外业实地多变的作业环境。比如，在偏远山区，无有效的卫星遥感影像和矢量地图。面对此类无可参考的地理信息数据问题，如何完成目标区域（测区）的选定和航线规划就是一个急需解决的问题。

业内完成无人机航空摄影工作，通常需要经过目标区域（测区）选定、航线规划、空域申请和执行航飞任务等几个关键步骤。通过长期以来的无人机航空摄影工作，我们发现在水利、电力、测绘、农业等行业中，航空摄影技术和地理信息技术深度结合时，一直存在以下几个客观问题：

1、大比例尺的卫星遥感影像定位测区误差大，高精度、高时效的卫星影像获取成本高；

2、城市郊区、农村、山区等卫星遥感影像缺失，人工采集周期长、危险性大、经济成本高；

3、无人机能源续航有限，单次航飞无法大面积作业；

4、自由飞行模式下，驾驶员容易出现驾驶疲劳、遗漏和重复采集、飞行器姿态失控等问题。

现有无人机飞控app的测区选定方法，所依赖卫星遥感影像和商业化的矢量地图，在精度和时效性上，均无法满足实际的生产要求，仍需预先投入大量人力，对目标区域进行勘测。

在倾斜摄影方面，市面上无人机飞控app采用的是：单镜头五视角，多航线切换法。但是，多航线切换所带来的问题仍未解决：

1、结合不同视角设计的多航线间“起-终”点空间隔离；

2、多航线切换前，未计算无人机巡航至下一航线起始点的最佳巡航路径；

3、多航线切换后，无人机巡航过程中“空载”。

上述问题，直接导致无人机设备利用率不高，增加无人机使用成本，增加人力成本，增加坠机风险，降低采集效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无人机技术快速精准采集低空遥感影像的方法，主要用于解决无人机航空摄影活动中，无可用卫星遥感影像数据或卫星遥感影像数据无效的情况下，如何快速地、准确地、自动化地完成目标区域的航线规划，并一体化的自动采集正射影像问题。有效保障航摄外业作业顺利完成。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于无人机技术快速精准采集低空遥感影像的方法，其特征在于。

无人机飞行到一定高度，相机垂直朝向地面，相机的成像范围将目标区域完全覆盖，即采集区域范围；

通过无人机飞飞行高度与相机广角计算出成像范围的宽度，在通过相机宽长比计算出成像范围的长度；

根据无人机当前的gps定位点的经纬度计算出成像范围四个顶点的经纬度，确定目标区域；

根据目标区域规划无人机的任务航线，无人机按照任务航线飞行完成航摄任务。

进一步地，调整无人机飞行姿态，使得所述成像范围形成目标区域的最小外接矩形，即所述相机位于最小外接矩形的中心。

进一步地，当无人机的飞行高度为h时，无人机的相机广角为fov时，由此可以得出成像范围的宽度w，

；

成像范围的长度h，

h=rw，其中r为相机的宽长比。

进一步地，所述根据无人机当前的gps定位点的经纬度计算出成像范围四个顶点的经纬度，确定目标区域，具体包括：

（1）以相机为原点，正北方向为y轴，正东方向为x轴，构成平面的坐标系；

（2）计算相机到成像范围四个顶点的距离d，四个顶点左上、右上、右下和左下分别为定位点1、定位点2、定位点3和定位点4，

；

（3）其中定位点2的相位角α为：

，

则定位点1的相位角为α+270°，定位点3的相位角为α+90°，定位点4的相位角为α+180°；

（4）已知当前gps定位点点1的经纬度long1，lat1，gps定位点点1到定位点2的平移距离分别为d*sinα，d*cosα；

定位点2的经纬度long2，lat2，

其中，arc为赤道圆的半径；

再根据上述方法计算，可以获取定位点1、定位点3和定位点4的经纬度。

进一步地，根据任务需求计算在目标区域的任务航线：

根据旁向重叠率计算任务航线的总行数，假设旁向重叠率为a，已知相机成像范围的宽度w、长度h，旁向间隔=（1-a）*w，则总行数=w/旁向间隔+1条；

假设航向重叠率为b，航向间隔=（1-b）*h，假设无人机的飞行速度为v，无人机的拍摄时间间隔=航向间隔/v。

进一步地，所述无人机的任务航线为弓形航线。

进一步地，所述航向重叠率为53%~90%，旁向重叠率为30%~90%。

进一步地，所述无人机为单镜头相机，模拟五镜头采集，在任务航线的一行航线上来回飞行五遍，通过调整相机镜头的朝下及角度实现同一行航线上五个方向的拍摄。

进一步地，同一行航线上五个方向的拍摄分别为：

第一遍，飞行方向正东，机头朝向正东，镜头90度向下；

第二遍，飞行方向正西，机头朝向正北，镜头60度向下；

第三遍，飞行方向正东，机头朝向正西，镜头60度向下；

第四遍，飞行方向正西，机头朝向正南，镜头60度向下；

第五遍，飞行方向正东，机头朝向正东，镜头60度向下。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明可以在无可用卫星遥感影像数据或卫星遥感影像数据无效的情况下，快速地、准确地、自动化地完成目标区域的航线规划；

2.本发明通过单镜头模拟多镜头飞行拍摄，解决传统无人机“单镜头+多航线”倾斜摄影作业技术中，多航线间巡航路径和航线间巡航过程“空载”问题，综合提高作业效率和无人机利用率。

附图说明

图1是实施例中相机广角fov和飞行高度h的关系示意图。

图2是实施例中无人机gps定位点点1与定位点1、2、3、4之间的投影关系示意图。

图3是实施例中以无人机gps定位点点1为原点建立坐标系的示意图。

图4是实施例中以无人机gps定位点点1与定位点2经纬关系的示意图。

图5是实施例中无人机gps定位点点1的经纬示意图。

图6是实施例中任务航线的（航向、旁向）重叠率示意图。

图7是实施例中航线s1与航线s2之间的航线间隔示意图。

图8是实施例中弓形任务航线的示意图。

图9是实施例中基于无人机技术快速精准采集低空遥感影像的方法的示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例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做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。

针对现有技术的缺陷和改进需求，利用无人机高精度的gps定位系统，及相机、云台强大的灵活性和精准性，在地图无影像数据或影像数据不精准情况下，实现高精准的，自动化的设置航摄任务。

如图9，本实施例是通过无人机的精准定位系统，在通过无人机的相机云台获取成像范围，再来计算所采集的目标区域，在根据所计算的目标区域范围，计算航摄任务，具体如下。

第一步：使无人机飞行到一定高度，通过调整无人机偏航角度及位置，相机的成像范围（无人机云台相机所成像的图片）将目标区域完全覆盖，即采集区域范围；所述成像范围形成目标区域的最小外接矩形，即所述相机位于最小外接矩形的中心，可以加设最小外接矩形的一条边对应经线或者纬线，方便后续计算。

第二步：计算无人机云台相机所成像的图片所覆盖地面的实际大小（宽长）；

如图1所示当无人机的飞行高度为h时，无人机的相机广角为fov时，由此可以得出成像范围所覆盖地面的实际大小的宽度w，

由于现在无人机的云台相机图像的宽长比是4:3或者是16:9，根据不同云台相机比例，这里使用4:3比例（16:9计算方式方法相同），由此可得出成像范围所覆盖地面的实际大小的长度h，

。

第三步：以相机为原点，正北方向为y轴，正东方向为x轴，构成平面的坐标系，如图3所示，

根据无人机当前gps定位点点1的经纬度long1，lat1，计算点1距离相机成像范围四个顶点定位点1、定位点2、定位点3和定位点4的距离d，四个定位点是在地面投影到点1同一平面的四个点，如图2所示，

已知距离d和宽度w，由此可以计算出定位点2的相位角α，所以可以得出定位点1的相位角α+270°，定位点3的相位角α+90°，定位点4的相位角α+180°，

已知点1的经纬度（long1，lat1）、距离d和相位角，可以获取到四个定位点的经纬度具体如下（以定位点2为例）：

定位点2的相位角是α，从点1到定位点2的平移距离分别是d*sinα，d*cosα，如图4所示，这里正北为0度，

假设定位点2的经纬度（long2，lat2），如图4，赤道圆的半径是arc，φ是点1的纬度。则当前的纬度的切面半径arc=arc*cos(φ)，其中φ其实就是当前方位的纬度值，即arc=arc*cos(lat1)，如图5，

计算定位点2的经度，就是水平平移的距离（d*sinα）除以当前纬度切面周长（2π*arc），再每乘以360度，就知道了水平横向平移了多少度，再加上long1，就是long2的值，

计算定位点2的纬度，就是垂直平移的距离（d*cosα）除以地球纵向周长，再乘上360度，就知道纵向平移了多少度，再加上lat1，就知道lat2的值，

定位点2的经纬度long2，lat2：

四个定位点的相位角不同，由此可以计算出四个定位点的获取四个定位点经纬度，在根据获得到的四个定位点得到采集区域范围。

第四步：计算出采集区域范围后，系统根据任务需求、目标区域和采集的参数等，自动规划无人机快速采集正射原始影像的任务航线：

如图6，根据采集倾斜数据需要采集图片达到一定的重合度，处理出来的数据质量才能达标；

航向重叠率53%~90%，航向重叠率：按照航摄任务航线飞行的方向；

旁向重叠率30%~90%，旁向重叠率：垂直与航向重叠率；

如图7，根据旁向重叠率计算任务航线的总行数，假设第一条航线为s1第二条航线为s2，s1和s2之间的间隔为旁向间隔，旁向重叠率为a，已知相机成像范围的宽度w、长度h，旁向间隔=（1-a）*w，则总行数=w/旁向间隔+1条：

假设航向重叠率为b，航向间隔=（1-b）*h，假设无人机的飞行速度为v，无人机的拍摄时间间隔=航向间隔/v；

由于让无人机最小飞行路径，所以为弓形航线，如图8所示。

第五步：对于现有的单镜头模拟五镜头进行了优化，在任务航线的一行航线上来回飞行五遍，通过改变无人机的镜头，实现五镜头的效果（前后左右60度拍摄以及正下90度）：

如图9，同一行航线上五个方向的拍摄分别为：

第一遍，飞行方向正东，机头朝向正东，镜头90度向下；

第二遍，飞行方向正西，机头朝向正北，镜头60度向下；

第三遍，飞行方向正东，机头朝向正西，镜头60度向下；

第四遍，飞行方向正西，机头朝向正南，镜头60度向下；

第五遍，飞行方向正东，机头朝向正东，镜头60度向下。

实施例1

在山区采集一宗正射面积大约9亩的地貌数据。在偏远山区，高德、百度、腾讯、天地图等都无该区域高分辨率卫星遥感影像和矢量地图数据。按以下流程进行采集数据。

1、打开无人机和无人机遥控器。

2、飞行无人机一定高度，使预采集区域在无人机的云台相机的界面中，这里假设为50m。

3、点击生成航线，软件会自动生成航线，具体计算如下：

（1）先计算无人机在50m的高度，所成像的实际区域范围大小，

宽度w=2*tan（84/2）*50≈90.04，

图片高度h=3*w/4=67.53，

距离四个定位点的距离≈112.55，

相位角=23.57°；

（2）然后在根据相位角计算出四个定位点的经纬度，

假设无人机点1的经纬度long1，lat1分别是，114.318433，30.581524，

定位点2的经纬度：

定位点4的经纬度：

同理可以的出：

定位点1的经纬度：（114.3189031，30.582527），

定位点3的经纬度：（114.317355，30.582527），

（3）获取了四个定位点的经纬度，计算任务航线，

假设设定航向重叠率为50%，旁向重叠率为80%，

可以的计算出航摄任务的总行数

旁向间隔=（1-0.8）*w=18.008

航摄行数=w/18.008+1=6

(30.582527-30.582544)/6=2.833e-6得出每条航线的纬度间隔

航向间隔=h*0.5=33.765

无人机的拍摄时间间隔为航线间隔/无人机的速度，假设无人机的速度为5m/s所以拍摄时间间隔为33.760/5=6.753。

实施例2

在山区采集一处正射面积大约36亩的农业水利工程数据。在偏远山区，高德、百度、腾讯、天地图等都无该区域高分辨率卫星遥感影像和矢量地图数据。按以下流程进行采集数据。

1、打开无人机和无人机遥控器。

2、飞行无人机一定高度，使预采集区域在无人机的云台相机的界面中，这里假设为100m。

3、点击生成航线，软件会自动生成航线，具体计算如下：

（1）先计算无人机在100m的高度，所成像的实际区域范围大小，

宽度w=2*tan（84/2）*100≈180.08，

图片高度h=3*w/4=135.06，

距离四个定位点的距离≈225.1，

相位角=23.57°，

（2）然后在根据相位角计算出四个定位点的经纬度，

假设无人机点1的经纬度long1，lat1分别是，114.318433，30.581524，

定位点2的经纬度：

定位点4的经纬度：

同理可以的出：

定位点1的经纬度：（114.315929，30.581514），

定位点3的经纬度：（114.320588，30.583679），

（3）获取了四个定位点的经纬度，计算任务航线，

假设设定航向重叠率为50%，旁向重叠率为80%，

可以的计算出航摄任务的总行数

旁向间隔=（1-0.8）*w=36.016

航摄行数=w/36.016+1=6

(30.583679-30.5815144)/6=3.60766e-4得出每条航线的纬度间隔

航向间隔=h*0.5=67.53

无人机的拍摄时间间隔为航线间隔/无人机的速度，假设无人机的速度为5m/s所以拍摄时间间隔为67.53/5=13.506。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。