黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法技术

本发明专利技术公开了黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，规划无人机飞行任务，构建坝坡比几何测量模型；步骤2，按照既定的摄影位置和角度进行图像采集，筛选满足模型正射摄影要求的图像；步骤3，对满足成像要求的图像提取无人机成像高度信息，提取图像中特征目标的模型参数信息，进行计算。本发明专利技术通过构建淤地坝坝坡比数学测量模型，实现高精度、高效率的测量目的；通过正射淤地坝特征指标地物获取拍摄图像的比例尺关系，建立了准确的无人机与淤地坝之间的空间关系，通过现场交互采集和图像成像分析两重筛选，保证采集图像的合规性，快速完成信息提取，满足高效专题解译的需求。专题解译的需求。专题解译的需求。

【技术实现步骤摘要】
黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法


[0001]本专利技术属于淤地坝指标测量
，涉及黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法。

技术介绍

[0002]黄土高原水土流失问题突出，在各级沟道中，为拦泥淤地而修建的淤地坝数量庞大，这些淤地坝在创造巨大效益的同时面临着安全运行管理等方面的重大考验。淤地坝运行期间，在流域复杂的暴雨、洪水、地质环境下，一些指标数据早已发生变化，且坝体受到各种外界条件影响使得筑坝材料各种力学参数产生变化，直接影响大坝边坡稳定，导致滑坡甚至溃坝。
[0003]坝坡比不仅是淤地坝工程设计的重要参数，更是淤地坝运行期评估坝体稳定性的重要依据，应精准掌握。由于部分淤地坝修建年代久远，设计资料残缺，淤地坝技术指标信息记录不全，坝坡比技术数据依赖于现场调查获取。受微地形条件的影响，淤地坝坝坡并非均匀的单一坡度坡面，现场测量方式依赖多人配合，效率低下，耗时耗力，依靠传统的坡度仪等测量设备，如全站仪、坡度仪等，需手持测量设备围绕淤地坝上下游坝坡往返奔走进行测量，在便携性和操作性上具有一定的局限性，在野外复杂环境中应用性较差，测量精度受微地形条件影响较大，存在估算成分，易造成测量结果的偏差。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法，解决了现有黄土高原淤地坝坝坡比测量技术中存在的低效率，低精度的问题。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1，规划无人机飞行任务，构建坝坡比几何测量模型；
[0007]步骤2，按照规划的无人机飞行任务，以既定的摄影位置和角度进行图像采集，筛选满足模型正射摄影要求的图像；
[0008]步骤3，对满足成像要求的图像提取无人机成像高度信息，提取图像中特征目标的模型参数信息，进行计算。
[0009]本专利技术的特点还在于，
[0010]步骤1具体按照以下步骤实施：
[0011]步骤1.1，利用RTK无人机采集淤地坝相关技术指标正射图像，获取图像中任意两点特征目标的实际距离；
[0012]步骤1.2，以可视范围直径确定相机视场角；
[0013]步骤1.3，基于特征目标长度测量方法和相机视场角理论，结合淤地坝坝高指标信息的获取情况，对应构建坝坡比几何测量模型。
[0014]步骤1.1具体为：无人机在坝顶任意适宜位置起飞，调整云台相机垂直向下，爬升
到使得淤地坝特征目标全貌完整地呈现在飞控界面的高度时，稳住机身，进行摄影并回传给上位机或者飞控设备，在图像处理、分析软件界面目视解译淤地坝长度类特征目标；利用软件检测淤地坝特征目标的图像像素长度与回传图像的对角线像素长度，利用特征目标的图像像素长度乘以对角线实际长度与对角线像素长度的比值，即可得到淤地坝特征目标的实际长度。
[0015]步骤1.2具体为：相机视场角表征了回传图像与取景范围间的几何对应关系；其中，∠θ为无人机的相机视场角，O、H分别表示无人机拍摄特征目标时的位置和高度，O
′
为无人机拍摄特征目标时在地面的投影点，BO
′
的距离根据三角函数公式H*tan(1/2θ)可得，既而得到AB之间的实际距离；
[0016]淤地坝特征目标实际长度计算公式为：
[0017]L＝l'
×
(l/p)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0018]式中，L为淤地坝特征目标实际长度，l
′
为淤地坝特征目标的像素长度，p为回传图像对角线的像素长度，p为定值，l为回传图像对角线的实际长度；其中，回传图像对角线实际长度l为：
[0019]l＝2
×
H
×
tan(1/2θ)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0020]式中，l为回传图像对角线的实际长度，H为无人机拍摄高度，θ为无人机拍摄视场角。
[0021]步骤1.3.1，当坝高已知时，获取淤地坝坝高指标信息；
[0022]坝坡比指标包括上、下游坝坡坡比，考虑到淤地坝上游可能存在淤地的情况，故构建的上、下游坝坡坡比的测量模型和无人机飞行任务存在一定的差异，具体飞行任务规划及模型构建如下：
[0023]当上游存在淤地时，上游坝坡坡比测量模型的无人机飞行任务为：
[0024]利用无人机在坝顶中部任意适宜位置起飞，到达一定高度h1，维持当前高度向上游方向飞行，同时通过飞控界面调整机身，使得云台相机正对淤地坝，即飞控界面横向参考线与坝顶呈平行状态，完成动作后调整云台相机垂直向下，维持当前高度和航向继续飞行，直至飞控界面出现上游淤面与坝坡的交界线时悬停，继而向坝下游反方向飞行至交界线消失位置时，记为p1，稳定机身，随即摄影并回传给上位机或者飞控设备；完成动作后，操作无人机继续爬升高度，在飞控界面出现坝顶线之前的位置，记为p2，悬停并稳定机身，随即摄像并回传给上位机或者飞控设备；
[0025]在实际飞行任务中，无人机悬停摄影位置处在同一竖直直线上，且并非固定位置，视坝坡斜面长度决定，当坝坡足够长时可适当调整，但须满足无人机处于p1位置时飞控界面可见坝坡，处于p2位置时飞控界面不可见坝顶，以便保证无人机正射摄影图像的一长边处在坝坡与淤地面的交界线和坝顶之间；
[0026]已知坝高，存在淤地时上游坝坡比测量模型，令EF＝x，EG＝y，GH＝a，GI＝b，BE＝c，AE＝d，x、y、a、b、c和d均表示长度；其中：x，y未知；a、b可利用回传图像基于特征目标长度测算方法计算出其像素长度对应的实际长度；c代表长度等于坝高h与无人机初始飞行高度h1之和，坝高h直接获取；d代表长度等于坝高h与无人机最终悬停摄影高度h2之和；
[0027]c＝h+h1ꢀꢀꢀ
(3)
[0028]d＝h+h2ꢀꢀꢀ
(4)
[0029]由勾股定理可知：
[0030][0031]因ΔEGF～ΔHGJ，由相似三角形定理可知：
[0032][0033]又因四边形BEHJ～四边形AEIK，由相似多边形定理可得；
[0034][0035]根据三角函数可得：
[0036][0037]联立上式，得x、y，即上游坝坡坡比：
[0038][0039]当不存在淤地时，上、下游坝坡坡比测量模型为：
[0040]利用无人机在坝顶中部任意适宜位置起飞，到达一定高度位置h1，维持当前高度向淤地坝上游或下游方向飞行，同时通过飞控界面调整机身，使得云台相机正对淤地坝，即飞控界面横向参考线与坝顶呈平行状态，完成动作后调整云台相机垂直向下，维持当前高度和航向继续飞行，直至飞控界面出现上游或下游坝坡与河床的交界线时悬停，继而反方向飞行至交界线消失位置时，记为p1，悬停并稳定机身，随即摄影并回传给上位机或者飞控设备，完成以上动作后返航；若无法确定交界线，则沿着平行于坝体的方向横向调整无人机位置，使得无人机在河床上的投影点与上游或下游坝坡最低点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，规划无人机飞行任务，构建坝坡比几何测量模型；步骤2，按照规划的无人机飞行任务，以既定的摄影位置和角度进行图像采集，筛选满足模型正射摄影要求的图像；步骤3，对满足成像要求的图像提取无人机成像高度信息，提取图像中特征目标的模型参数信息，进行计算。2.根据权利要求1所述的黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：步骤1.1，利用RTK无人机采集淤地坝相关技术指标正射图像，获取图像中任意两点特征目标的实际距离；步骤1.2，以可视范围直径确定相机视场角；步骤1.3，基于特征目标长度测量方法和相机视场角理论，结合淤地坝坝高指标信息的获取情况，对应构建坝坡比几何测量模型。3.根据权利要求2所述的黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法，其特征在于，所述步骤1.1具体为：无人机在坝顶任意适宜位置起飞，调整云台相机垂直向下，爬升到使得淤地坝特征目标全貌完整地呈现在飞控界面的高度时，稳住机身，进行摄影并回传给上位机或者飞控设备，在图像处理、分析软件界面目视解译淤地坝长度类特征目标；利用软件检测淤地坝特征目标的图像像素长度与回传图像的对角线像素长度，利用特征目标的图像像素长度乘以对角线实际长度与对角线像素长度的比值，即可得到淤地坝特征目标的实际长度。4.根据权利要求3所述的黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法，其特征在于，所述步骤1.2具体为：相机视场角表征了回传图像与取景范围间的几何对应关系；其中，∠θ为无人机的相机视场角，O、H分别表示无人机拍摄特征目标时的位置和高度，O
′
为无人机拍摄特征目标时在地面的投影点，BO
′
的距离根据三角函数公式H*tan(1/2θ)可得，既而得到AB之间的实际距离；淤地坝特征目标实际长度计算公式为：L＝l'
×
(l/p)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，L为淤地坝特征目标实际长度，l
′
为淤地坝特征目标的像素长度，p为回传图像对角线的像素长度，p为定值，l为回传图像对角线的实际长度；其中，回传图像对角线实际长度l为：l＝2
×
H
×
tan(1/2θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，l为回传图像对角线的实际长度，H为无人机拍摄高度，θ为无人机拍摄视场角。5.根据权利要求4所述的黄土高原淤地坝坝坡比信息测量方法，其特征在于，所述步骤1.3.1，当坝高已知时，获取淤地坝坝高指标信息；坝坡比指标包括上、下游坝坡坡比，考虑到淤地坝上游可能存在淤地的情况，故构建的上、下游坝坡坡比的测量模型和无人机飞行任务存在一定的差异，具体飞行任务规划及模型构建如下：当上游存在淤地时，上游坝坡坡比测量模型的无人机飞行任务为：利用无人机在坝顶中部任意适宜位置起飞，到达一定高度h1，维持当前高度向上游方向飞行，同时通过飞控界面调整机身，使得云台相机正对淤地坝，即飞控界面横向参考线与坝
顶呈平行状态，完成动作后调整云台相机垂直向下，维持当前高度和航向继续飞行，直至飞控界面出现上游淤面与坝坡的交界线时悬停，继而向坝下游反方向飞行至交界线消失位置时，记为p1，稳定机身，随即摄影并回传给上位机或者飞控设备；完成动作后，操作无人机继续爬升高度，在飞控界面出现坝顶线之前的位置，记为p2，悬停并稳定机身，随即摄像并回传给上位机或者飞控设备；在实际飞行任务中，无人机悬停摄影位置处在同一竖直直线上，且并非固定位置，视坝坡斜面长度决定，当坝坡足够长时可适当调整，但须满足无人机处于p1位置时飞控界面可见坝坡，处于p2位置时飞控界面不可见坝顶，以便保证无人机正射摄影图像的一长边处在坝坡与淤地面的交界线和坝顶之间；已知坝高，存在淤地时上游坝坡比测量模型，令EF＝x，EG＝y，GH＝a，GI＝b，BE＝c，AE＝d，x、y、a、b、c和d均表示长度；其中：x，y未知；a、b可利用回传图像基于特征目标长度测算方法计算出其像素长度对应的实际长度；c代表长度等于坝高h与无人机初始飞行高度h1之和，坝高h直接获取；d代表长度等于坝高h与无人机最终悬停摄影高度h2之和；c＝h+h1ꢀꢀꢀꢀ
(3)d＝h+h2ꢀꢀꢀꢀ
(4)由勾股定理可知：因ΔEGF～ΔHGJ，由相似三角形定理可知：又因四边形BEHJ～四边形AEIK，由相似多边形定理可得；根据三角函数可得：联立上式，得x、y，即上游坝坡坡比：当不存在淤地时，上、下游坝坡坡比测量模型为：利用无人机在坝顶中部任意适宜位置起飞，到达一定高度位置h1，维持当前高度向淤地坝上游或下游方向飞行，同时通过飞控界面调整机身，使得云台相机正对淤地坝，即飞控界面横向参考线与坝顶呈平行状态，完成动作后调整云台相机垂直向下，维持当前高度和航向继续飞行，直至飞控界面出现上游或下游坝坡与河床的交界线时悬停，继而反方向飞行至交界线消失位置时，记为p1，悬停并稳定机身，随即摄影并回传给上位机或者飞控设备，完成以上动作后返航；若无法确定交界线，则沿着平行于坝体的方向横向调整无人机位置，使得无人机在河床上的投影点与上游或下游坝坡最低点的连线距离最短，即使得上、下游坝坡最低点位于飞控界面中点的上方位置，将位置确定为摄影位置；同理，悬停摄影位置并
非固定位置，可视坝坡斜面长度适当调整，但须满足无人机处于该位置时飞控界面可见坝坡且不可见坝顶；已知坝高，不存在淤地时上、下游坝坡比测量模型，令EF＝x，EG＝e，GH＝a，BE＝c，x、e、a和c均表示长度；其中：x未知；e、a可利用回传图像基于特征目标长度测算方法计算出其像...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨翔惟，金美君，罗珂，贾利红，王康，田园盛，冯也，马晨，王隽雄，苏佳园，
申请(专利权)人：黄河水利委员会晋陕蒙接壤地区水土保持监督局，
类型：发明
国别省市：