面向水利工程的无人机贴近摄影方法技术

本发明专利技术公开了一种面向水利工程的无人机贴近摄影方法，涉及水利工程领域。它包括以下步骤：步骤1：得到水利工程目标范围内的低分辨率无人机影像；步骤2：利用步骤1得到水利工程目标初始的地形信息；步骤3：根据步骤2计算得到无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹；步骤4：将步骤3得到得到高分辨率的水利工程目标影像；步骤5：根据步骤4得到精细高精度的水利工程地理信息产品。本发明专利技术能够获取高分辨率影像并进行高精度三维重建，且本方法自动化运行，操作简便，整体效率非常高。

【技术实现步骤摘要】
面向水利工程的无人机贴近摄影方法
本专利技术涉及水利工程领域，更具体地说它是一种面向水利工程的无人机贴近摄影方法。
技术介绍
水利工程是调控水资源时空分布、优化水资源配置的重要工程设施。我国是世界上水利工程建设规模最庞大的国家之一，水利工程遍布全国各地，在防洪、灌溉、发电、供水等方面发挥着巨大效益。然而大多数水利工程都建设于复杂的水文地质和工程地质环境中，在实际运行过程中会受到河流冲击和温度荷载的影响，有些更可能受到地震的强烈冲击，使水利工程产生变形。且我国大部分水利工程修建于几十年前，由于当时的防洪标准低、施工质量差，经过几十年的使用，均存在不同程度的老化和变形。一旦工程变形超过允许限值，会造成裂缝、渗漏和溃坝的危险。因此，对水利工程进行高精度、精细化的三维重建，是符合国计民生的重要需求。精细化重建的目的是获取目标场景的精细三维结构信息，与其他三维信息获取方法相比，基于影像的摄影测量方法具有低成本、数据处理方便、高精度、非接触、直接带有纹理信息的优势。为了获取场景目标的高分辨率、高质量的影像，现有方法一般采用倾斜摄影测量或近景摄影测量来进行数据采集。倾斜摄影测量通常使用多镜头相机拍摄数据，一次曝光就可以获取目标场景多视角影像，对于大范围目标场景的数据获取效率较高。但倾斜摄影测量存在以下不足：1)越靠近建筑物底部，倾斜影像中纹理的缺失和变形越严重。对于大型水利工程，例如清江水布垭水电站，最大坝高达到233米，则区域影像产生的变形会十分严重，导致三维重建精度达不到要求；2)针对水利工程场景，如水利大坝、水库等，倾斜摄影测量拍摄的无效影像远多于有效影像。近景摄影测量是摄影距离在100米内的地面摄影测量，虽然其理论和方法在近年来得到长足发展，但在工程应用中仍然存在一些问题：1)对于大型工程目标(如大坝、水电站)拍摄困难，需要频繁的移动拍摄基站，甚至于搭建脚手架以完成拍摄，导致拍摄灵活性小、效率低、成本高；2)拍摄时需要保持离目标较近的距离，在稳定的平台上进行拍摄，因此在一些无法找到合适拍摄平台的特殊场景中(如沿江消落带)难以进行摄影。所以对于水利工程的精细化重建，倾斜摄影测量和近景摄影测量均无法满足需求。两种现有的方法均有不足，而目前无人机技术发展迅速，因此，研发一种面向水利工程的无人机贴近摄影方法是很有必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述
技术介绍
的不足之处，而提供一种面向水利工程的无人机贴近摄影方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：面向水利工程的无人机贴近摄影方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：操作旋翼无人机进行常规的摄影测量拍摄，得到水利工程目标范围内的低分辨率无人机影像；步骤2：利用步骤1得到的低分辨率无人机影像，进行空中三角测量和密集匹配，得到水利工程目标初始的地形信息；步骤3：根据步骤2得到的水利工程目标初始的地形信息，用一个或多个空间斜面来对水利工程目标进行拟合，得到拟合的坡面后，根据坡面的角度计算得到无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹；步骤4：将步骤3得到的三维航迹信息导入无人机的飞行控制系统，起飞无人机，根据导入的三维航迹信息，自动进行贴近摄影，得到高分辨率的水利工程目标影像；步骤5：根据步骤4得到的高分辨率影像，进行精确几何定位和精细密集匹配，得到精细高精度的水利工程地理信息产品。在上述技术方案中，步骤3中，根据坡面的角度计算得到无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹，具体算法如下，通过坡体下底边顶点坐标(v1，v2)和坡体上底边顶点坐标(v3，v4)来描述坡体平面P0，且v1x≤v2x，v3x≤v4x；根据坡体平面P0的顶点坐标可以计算其法向量N，对于坡体而言，其法向量N应始终指向Z轴正方向；τd＝(v1x-v3x)(v2y-v3y)-(v2x-v3x)(v1y-v3y)将坡体平面P0绕底边旋转β＝90°-θ角，得到其等效规划立面,θ为坡体与水平面之间的锐角；由几何关系可知θ等于法向量N与竖直方向单位向量Qv(0,0,1)间的夹角，其值可由余弦公式计算得到；在该等效规划立面里，建立以(v1″，v2″)为底边顶点坐标，N在水平面上的投影为法向量，坡体坡长l＝Hd/sinθ为高差的等效规划面P1；则P1底边顶点坐标(v1″，v2″)与(v1，v2)的XY坐标值相同，但Z值相差dcosθ，即：v1″＝vi+(dcosθ)(0,0,1)，i＝1，2对等效规划面P1，按照立面方法进行贴近三维轨迹规划，即可得到针对坡面的无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹。在上述技术方案中，步骤4中，对于水利工程目标的角落或者其他无人机不方便自动飞抵的区域，手动操控无人机进行近距离补拍。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术能够获取高分辨率影像并进行高精度三维重建，且本方法自动化运行，操作简便，整体效率非常高。2)本专利技术根据水利工程目标的实际形状，能够灵活快捷地调整无人机的拍摄角度和拍摄距离，使无人机镜头始终垂直于被摄工程目标的外立面，保证每一张拍摄影像都清晰可用，从而解决了倾斜摄影测量中由于工程目标过于庞大带来的区域影像变形和无效影像过多的问题。3)本专利技术利用无人机进行拍摄，在满足摄影距离足够近的前提下，拍摄方式足够灵活，可以快速获取较大工程目标的高精度影像，有效解决了近景摄影测量需要频繁移动拍摄基站、拍摄效率低的问题。附图说明图1为本专利技术的流程图。图2为水利工程目标初始的地形信息。图3为无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹的原理图1。图4为无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹的原理图2。图5无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹图。具体实施方式下面结合附图详细说明本专利技术的实施情况，但它们并不构成对本专利技术的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本专利技术的优点将变得更加清楚和容易理解。参阅图1可知：面向水利工程的无人机贴近摄影方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：操作旋翼无人机进行常规的摄影测量拍摄，得到水利工程目标范围内的低分辨率无人机影像(如图2所示)；步骤2：利用步骤1得到的低分辨率无人机影像，进行空中三角测量和密集匹配，得到水利工程目标初始的地形信息(如图3所示)；步骤3：根据步骤2得到的水利工程目标初始的地形信息，用一个或多个空间斜面来对水利工程目标进行拟合，得到拟合的坡面后，根据坡面的角度计算得到无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹(如图5所示)；步骤4：将步骤3得到的三维航迹信息导入无人机的飞行控制系统，起飞无人机，根据导入的三维航迹信息，自动进行贴近摄影，得到高分辨率的水利工程目标影像；步骤5：根据步骤4得到的高分辨率影像，进行精确几何定位和精细密集匹配，得到精细高精度的水利工程地理信息产品。步骤3中，根据坡面的角度计算得到无人机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.面向水利工程的无人机贴近摄影方法，其特征在于：包括以下步骤：/n步骤1：操作旋翼无人机进行常规的摄影测量拍摄，得到水利工程目标范围内的低分辨率无人机影像；/n步骤2：利用步骤1得到的低分辨率无人机影像，进行空中三角测量和密集匹配，得到水利工程目标初始的地形信息；/n步骤3：根据步骤2得到的水利工程目标初始的地形信息，用一个或多个空间斜面来对水利工程目标进行拟合，得到拟合的坡面后，根据坡面的角度计算得到无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹；/n步骤4：将步骤3得到的三维航迹信息导入无人机的飞行控制系统，起飞无人机，根据导入的三维航迹信息，自动进行贴近摄影，得到高分辨率的水利工程目标影像；/n步骤5：根据步骤4得到的高分辨率影像，进行精确几何定位和精细密集匹配，得到精细高精度的水利工程地理信息产品。/n

【技术特征摘要】
1.面向水利工程的无人机贴近摄影方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：操作旋翼无人机进行常规的摄影测量拍摄，得到水利工程目标范围内的低分辨率无人机影像；
步骤2：利用步骤1得到的低分辨率无人机影像，进行空中三角测量和密集匹配，得到水利工程目标初始的地形信息；
步骤3：根据步骤2得到的水利工程目标初始的地形信息，用一个或多个空间斜面来对水利工程目标进行拟合，得到拟合的坡面后，根据坡面的角度计算得到无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹；
步骤4：将步骤3得到的三维航迹信息导入无人机的飞行控制系统，起飞无人机，根据导入的三维航迹信息，自动进行贴近摄影，得到高分辨率的水利工程目标影像；
步骤5：根据步骤4得到的高分辨率影像，进行精确几何定位和精细密集匹配，得到精细高精度的水利工程地理信息产品。


2.根据权利要求1所述的面向水利工程的无人机贴近摄影方法，其特征在于：步骤3中，根据坡面的角度计算得到无人机的拍摄姿态和旋翼无人机的三维航迹，具体算法如下，
通过坡体下底边顶点坐标(v1，v2)和坡体上底边顶点坐标(v3，v4)来描述坡体平面P0，且v1x≤v2x，v3x≤v4...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨爱明，马能武，马力，钟良，张辛，徐陈勇，李云帆，
申请(专利权)人：长江空间信息技术工程有限公司武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42