一种基于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法

摘要

本发明公开了一种基于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法，涉及图像采集技术领域，提供了一种适用于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法。其中，所述航线规划方法包括：步骤S1：确定待拍摄区域的类型；步骤S2：根据待拍摄区域的类型对待拍摄区域的拍摄航线进行规划。本发明的基于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法用于采集图像。

说明书

技术领域

本发明涉及图像采集技术领域，尤其涉及一种基于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法。

背景技术

多视图像立体匹配技术可以实现基于图像的全自动三维信息恢复并可进一步形成三维建模，其具有成本低、效率高，且能够真实反映地物原始状态的优点。而无人机具有机动灵活、成本低、使用方便的特点，当将无人机应用于多视图像立体匹配技术中时，可通过无人机搭载倾斜相机系统实现快速获取某一地区的多视图像，以实现大场景的三维信息采集，从而，多旋翼无人机倾斜摄影系统应运而生。

在利用多旋翼无人机倾斜摄影系统进行三维信息采集时，为了同时采集待拍摄区域的顶视图和侧面纹理，一般多旋翼无人机倾斜摄影系统包括一个垂直向下的相机和四个照射侧面的倾斜相机，对应的，垂直向下的相机可用于采集待拍摄区域的顶视图，四个照射侧面的倾斜相机可用于采集待拍摄区域的侧面纹理。相比于现有的只包括一个垂直向下的相机的无人机挂载相机系统，多旋翼无人机倾斜摄影系统可同时清晰地采集到更多方位的图像信息，从而可以准确地进行三维建模，进而可将三维建模应用在应急救灾、文物保护、智慧城市、维稳处突态势监控等各个领域中。

随着多旋翼无人机倾斜摄影系统被广泛应用，找到一种适用于多旋翼无人机倾斜摄影系统的拍摄航线规划方法已经成为一个重要的待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法，以提供一种适用于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法，所述航线规划方法包括：步骤S1：确定待拍摄区域的类型；步骤S2：根据待拍摄区域的类型对待拍摄区域的拍摄航线进行规划。

本发明提供了一种基于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法，该航线规划方法可根据待拍摄区域的不同类型，规划出适合该类型的区域的航线规划方法，从而充分利用了多旋翼无人机倾斜摄影系统，以在每个不同类型的待拍摄区域中，尽可能地采集到该区域内的多方位的图像信息，进而将多旋翼无人机倾斜摄影系统的特点充分发挥。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施中的航线规划方法的第一流程图；

图2为本发明实施中的航线规划方法的第二流程图；

图3为本发明实施中的航线规划方法二中的包络飞行航线的示意图；

图4为本发明实施中的航线规划方法四的对应的待拍摄区域的平面示意图；

图5为本发明实施中的A型安装模式的结构示意图；

图6为本发明实施中的B型安装模式的结构示意图。

附图标记说明：

10—成图区域； 20—作业区域；30—安全区域；

40—高层建筑物的范围； 50—高层建筑物；60—起飞点；

70—无人机； 80—第一航点；90—拍照点；

100—航线圈。

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。

实施例

参见图1，本发明实施例提供了一种基于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法，该航线规划方法包括：

步骤S1：确定待拍摄区域的类型；

步骤S2：根据待拍摄区域的类型对待拍摄区域的拍摄航线进行规划。

在本实施例的基于多旋翼无人机倾斜摄影系统的航线规划方法中，充分考虑到了待拍摄区域的多样性，可能包括多种类型，因此，在步骤S1中，首先确定待拍摄区域的类型，从而在步骤S2中，根据确定了的待拍摄区域的类型，针对性地对待拍摄区域进行拍摄航线的规划。可见，本实施例中的航线规划方法充分利用了多旋翼无人机倾斜摄影系统可采集多方位图像的特点，对不同的待拍摄区域规划了不同的航线，使得多旋翼无人机倾斜摄影系统能够在多种类型的待拍摄区域尽可能地采集到对应区域的多角度的图像信息。

参见图2，示例性的，在本实施例中的航线规划方法中，针对性地对以下几种类型的区域进行了区分：平坦区域、高层建筑物区域、包括平坦区域和建筑区区域的混合区域、山区区域和丘陵区域。下面就上述几种类型的区域，介绍对应的航线规划方法。

在介绍以下几种方法之前，首先需要说明的是，在本实施例中，作业区域为无人机在拍摄过程中作业的区域，而安全区域是根据待拍摄区域内的具体情况，设定的无人机可飞行的安全区域，以避免无人机与障碍物发生碰撞等现象。

航线规划方法一

参见图2，对于属于平坦区域类型的待拍摄区域，对应的步骤S2为：对平坦区域的拍摄航线进行规划，在步骤S2中，可包括：

步骤S21：根据待拍摄区域确定成图区域。

步骤S22：根据成图区域，确定作业区域和安全区域，作业区域覆盖成图区域，且作业区域位于安全区域内，作业区域的形状为规则的矩形。

步骤S23：确定拍摄成图的分辨率，根据分辨率和公式一得到拍摄航线的航高；公式一为：R＝c*H/f，R为分辨率，H为航高，f为焦距，c为电荷耦合元件(Charge-coupled Device，简称CCD)的像元大小。

步骤S24：根据实际需要选择拍摄模式，根据所选择的拍摄模式中的重叠度和公式二确定拍摄航线的航带间隔，根据重叠度和公式三确定拍摄航线的拍照间隔；其中，公式二为：Mstrip＝R*w*(1-δstrip)，Mstrip为航带间隔，R为分辨率，w为图像宽度，δstrip为旁向重叠度；公式三为：M＝R*h(1-δ)，M为拍照间隔，R为分辨率，h为图像高度，δ为航向重叠度。

步骤S25：确定拍摄航线的初始方向，拍摄航线的初始方向可与矩形的长边所延伸的方向相同，以尽量减小拍摄航线中拐点的数量。

步骤S26：设定拍摄航线的第一航点为矩形中的距离无人机的起飞点最近的边角，并根据航带间隔原则确定拍摄航线的拐点。

在上述方法中提到拍摄模式，实际上适用于整个实施例，下面对其进行简单介绍。多视图像三维重建技术是指利用满足一定重叠度要求的图像序列可精确获得物体的三维信息，其基本原理即要求图像要有足够的重叠度，当然对于大场景来说，除了图像序列之间的重叠度还要解决尽可能避免遮挡的问题，否则就会出现场景部分区域确实或结构/纹理不完整。基于此，在本实施例中，根据实际需要，拍摄模式可为精细模式，拍摄模式也可为快反模式，不同的拍摄模式可设定倾斜摄影中不同的航向重叠度和旁向重叠度。例如有：在精细模式下，多旋翼无人机倾斜摄影系统会将航向重叠度和旁向重叠度均设定为大于60％；在快反模式下，对飞行效能及后期处理的效能要求远大于对质量的要求，因此多旋翼无人机倾斜摄影系统会将航向重叠度设定为大于50％，将旁向重叠度设定为大于20％。

进一步的，在确定重叠度之后，可根据重叠度确定拍摄航线中的航带间隔和拍照间隔，因此，根据航带间隔和拍照间隔，也就明确了航线间和航线内的拍照点或者曝光点。可选的，对于拍照点或者曝光点的设定，可按照距离间隔进行设置，还可按照时间间隔进行设置。也可以理解为一般情况下，拍摄航线中的拍照点或曝光点的设置是根据倾斜拍摄的重叠度和无人机的飞行速度来决定的。

航线规划方法二

参见图2和图3，对于属于高层建筑物区域类型的待拍摄区域，规划拍摄航线为包络飞行航线，也就是摄影航线包括若干围绕在高层建筑物区域周围的航线圈100，若干航线圈100可以是自上而下地设置，也可以是自下而上地设置。对应的步骤S2为：对高层建筑物区域的拍摄航线进行规划，在步骤S2中，可包括：

步骤S21¹：选择拍摄模式，拍摄模式为精细模式。

步骤S22¹：根据待拍摄区域确定成图区域。

步骤S23¹：根据成图区域，确定作业区域和安全区域，作业区域覆盖成图区域，且作业区域位于安全区域内。

步骤S24¹：记录作业区域内的高层建筑物的预估高度h。

步骤S25¹：确定拍摄成图的分辨率，根据分辨率和预估高度得到拍摄航线的最低航线圈的航高H_min。

步骤S26¹：根据分辨率得到拍摄航线的外扩距离W⁺，并选择外扩距离W⁺和安全距离中的较大者作为拍摄航线的包络距离。

步骤S27¹：根据公式四得到拍摄航线的最高航线圈的航高H_max；其中，公式四为：H_max＝h+tan(90°-а-θw/2)*W⁺)，H_max为最高航线圈的航高，h为高层建筑物的预估高度，α为多旋翼无人机倾斜摄影系统的五轴相机倾斜角度，θw为多旋翼无人机倾斜摄影系统的五轴相机横向视场角，W⁺为外扩距离。

步骤S28¹：根据公式五得到拍摄航线的内插圈数；其中，公式五为：n＝INT[(H_max-H_min)/A]，n为拍摄航线的内插圈数，H_max为最高航线圈的航高，H_min为最低航线圈的航高，A为相邻的内插圈之间的间隔步长。

在这一步骤中，内插圈数是指拍摄航线的若干航线圈中，除了最高航线圈和最低航线圈以外，其它航线圈的数量。间隔步长A可根据实际情况设定具体数值。

步骤S29¹：根据公式六得到拍摄航线的内插圈的航高；其中，公式六为：H_n＝H_min+(for(1：圈数)*StepH)，H_n为拍摄航线的内插圈的航高，H_min为最低航线圈的航高，StepH为相邻的航线圈之间的行高间距。

对于公式六，需要解释的是，假如是第一圈内插圈，则该内插圈的航高为H₁，H₁＝H_min+1*StepH，以此类推，从而计算出所有内插圈的航高。

在步骤S29¹中，如果根据公式六计算得到的最后一个航线圈的航高与最高航线圈的航高H_max的数值比较接近，则最高航线圈可选择不飞。如果根据公式六计算得到的最后一个航线圈的航高与最高航线圈的航高H_max的数值相同，则最高航线圈可飞。

航线规划方法三

参见图2，对于属于混合区域类型的待拍摄区域，在待拍摄区域内，既有平坦区域，又有高层建筑物区域，对于这种情况，可根据航线规划方法一和航线规划方法二来规划拍摄航线。对应的步骤S2为：对混合区域的拍摄航线进行规划，在步骤S2中，可包括：

步骤S20²：选择拍摄模式，拍摄模式为精细模式。

步骤S21²：根据待拍摄区域确定成图区域。

步骤S22²：根据成图区域，确定作业区域和安全区域，作业区域覆盖成图区域，且作业区域位于安全区域内。

步骤S23²：确定拍摄成图的分辨率，根据分辨率得到拍摄航线的基本航高，并根据基本航高得到外扩距离W⁺。

步骤S24²：标注所述作业区域内的高层建筑物的范围，并记录高层建筑物的预估高度h，预估高度h大于基本航高与安全距离的差值。

在这一步骤中，高层建筑物的范围要包括所有高度大于基本航高与安全距离的差值的高层建筑物。优选的，在标注高层建筑物的范围时，可采用手动标注。

步骤S25²：规划拍摄航线为围绕高层建筑物的范围的包络飞行航线，包络飞行航线包括若干自上而上或者在下而上的航线圈，根据分辨率得到最低航线圈的航高H_min。

步骤S26²：选择外扩距离W⁺和安全距离中的较大者作为拍摄航线的包络距离。

步骤S27²：根据公式四得到拍摄航线的最高航线圈的航高H_max；其中，公式四为：H_max＝h+tan(90°-а-θ_w/2)*W⁺)，H_max为最高航线圈的航高，h为高层建筑物的预估高度，α为多旋翼无人机倾斜摄影系统的五轴相机倾斜角度，θ_w为多旋翼无人机倾斜摄影系统的五轴相机横向视场角，W⁺为外扩距离。

步骤S28²：根据公式五得到拍摄航线的内插圈数；其中，公式五为：n＝INT[(H_max-H_min)/A]，n为拍摄航线的内插圈数，H_max为最高航线圈的航高，H_min为最低航线圈的航高，A为相邻的内插圈之间的间隔步长。

步骤S29²：根据公式六得到拍摄航线的内插圈的航高H_n；其中，所述公式六为：H_n＝H_min+(for(1：圈数)*StepH)，H_n为拍摄航线的内插圈的航高，H_min为最低航线圈的航高，StepH为相邻的航线圈之间的行高间距。

需要补充的是，在混合区域内，可能有若干个高层建筑物的范围，因此在航线规划方法三中，要对作业区域内的每个高层建筑物的范围按照高层建筑物区域的航线规划方法进行规划，从而单独形成多条拍摄航线。

航线规划方法四

参见图2和图4，对于属于混合区域类型的待拍摄区域，对应的步骤S2为：对混合区域的拍摄航线进行规划，在步骤S2中，也可包括：

步骤S21³：选择拍摄模式，拍摄模式为快反模式。

步骤S22³：根据待拍摄区域确定成图区域10。

步骤S23³：根据成图区域10，确定作业区域20和安全区域30，作业区域20覆盖成图区域10，且作业区域20位于安全区域30内，作业区域20的形状为矩形。

步骤S24³：确定拍摄成图的分辨率，根据分辨率得到拍摄航线的基本航高。

步骤S25³：标注作业区域内的高层建筑物的范围40，并记录高层建筑物50的预估高度，预估高度大于基本航高与安全距离的差值。

步骤S26³：确定拍摄航线的初始方向，拍摄航线的初始方向与矩形的长边所延伸的方向相同。

步骤S27³：设定拍摄航线的第一航点为矩形中的距离无人机的起飞点最近的边角，并根据航带间隔原则确定拍摄航线的拐点。

参见图4，为了更清楚地解释上述方法，以附图标记60表示无人机的起飞点，并在起飞点60处示意出无人机70，同时，以附图标记80表示拍摄航线的第一航点，以箭头所指方向表示初始方向。

步骤S28³：对作业区域内距离高层建筑物的范围小于安全距离的航线点进行航高修改，并对作业区域内距离高层建筑物的范围小于安全距离的拍照点进行航高修改和属性修改。

在这一步骤中，需要对作业区域内的一些拍照点(参见图4，附图标记90示例性地表示拍摄过程中的拍照点)和航线点进行修改。可选的，对于作业区域内与高层建筑物的范围之间的平面距离小于安全距离的航线点，需要将该航线点的航高设定为区域高度与安全距离的和，以完成航高修改；对于作业区域内与高层建筑物的范围之间的平面距离小于安全距离的拍照点，首先将拍照点设定为航线点，以完成属性修改，同时，将该新设定的航线点的航高设定为区域高度与安全距离的和。

综上所述，在航线规划方法四中，实际上就是按照平坦区域的航线规划方法进行规划。

航线规划方法五

参见图2，对于属于山区区域或丘陵区域类型的待拍摄区域，一次航线规划仅针对单架次的飞行航线，不宜一次规划多个架次，对应的步骤S2为：对山区区域的拍摄航线进行规划；或者，对丘陵区域的拍摄航线进行规划，在步骤S2中，可包括：

步骤S21⁴：根据待拍摄区域确定成图区域。

在这一步骤中，确定的成图区域一般不宜过大，如果待拍摄区域较大，可以先分片区，依次进行规划，分片区的时候考虑高程分布情况，一个片区的高差不宜超过100米。

步骤S22⁴：根据成图区域，确定作业区域和安全区域，作业区域覆盖成图区域，且作业区域位于安全区域内，作业区域的形状为矩形。

步骤S23⁴：根据底图在作业区域内标出最高点的高程和最低点的高程，并得到平均高程。

步骤S24⁴：确定拍摄成图的分辨率，根据分辨率和平均高程得到拍摄航线的初始航高。

步骤S25⁴：判断最高点的高程与初始航高的差值是否满足安全飞行高度，如果是，则进入步骤S26⁴；如果否，则设定初始航高为最高点的高程与安全飞行高度之和，并进入步骤S26⁴。

步骤S26⁴：根据初始航高和最高点的高程的相对高度确定重叠度，根据重叠度确定拍摄航线的拍照点或者曝光点。

步骤S27⁴：确定拍摄航线的初始方向，拍摄航线的初始方向与矩形的长边所延伸的方向相同。

步骤S28⁴：设定拍摄航线的第一航点为矩形中的距离无人机的起飞点最近的边角，并根据航带间隔原则确定拍摄航线的拐点。

对于山区区域和丘陵区域，最理想的航线规划方法是根据地面的高低起伏，按照特定的相对高度进行规划，但通常很难获取精确的地面起伏高度，因此，较佳的，可采用上述航线规划方法五进行航线规划。

特别的，对于山区区域或丘陵区域的航线规划，可分为在一般情况下进行航线规划和在保持统一的较高分辨率情况下进行航线规划。不同的是，在一般情况下规划航线后，采集的数据能够保证重叠度要求和覆盖度要求，但不同的高差导致采集图像分辨率相差很大，因而不能达到理想的分辨率；在保持统一的较高分辨率情况下进行航线规划时，首先得到待拍摄区域内的较精确的高程信息和正射影像，再依据这些数据，结合根据分辨率要求计算出来的相对航高进行航线规划，最后再根据平面位置下对应的高程调整绝对航高，但这种情况对无人机的要求非常高，能源消耗也比较大，作业效率较低，飞行时间比同一航高飞行要短的多。

由前述内容可知，作业区域覆盖了成图区域，这样做的目的是为了全面地采集侧面纹理，优选地，可通过外扩距离W⁺来体现覆盖程度，外扩距离W⁺可以理解为摄影航线到成图区域的边缘的距离或者摄影航线到高层建筑物的范围的边缘的距离，而外扩距离W⁺可根据公式七计算得来。公式七为：W⁺＝H*tan(α-θw/2)，其中，W⁺为外扩距离，H为航高、基本航高和初始航高中的任一个，α为多旋翼无人机倾斜摄影系统的五轴相机倾斜角度，θ_w为多旋翼无人机倾斜摄影系统的五轴相机横向视场角。

较佳的，在一些情况下，可对规划航线进行分段分架次处理，例如，在根据预计的飞行航时、设定的飞行速度等无人机的基本参数，以及航高信息确定为单架次飞行航程后，可对规划航线进行分段分架次处理，在规划过程中，可根据航线规划的里程来确定架次的分割点。

常规的航线规划方法可满足监控巡查及航空摄影正射影像数据的采集要求，但不适用于倾斜摄影航线规划的要求。从上述五种航线规划方法可以看出，本实施例中的航线规划方法专门针对多旋翼无人机平台搭载五轴倾斜相机系统，同时针对不同的地形地貌设计了不同的航线规划原则和方法，进一步的，还针对快反模式和精细模式两种模式分别设计了航线规划方法，能够满足应急快反应用和大场景自动精细建模应用两种情况。

需要说明的是，因为不同于正射影像对成图有严格的分辨率要求，倾斜摄影的分辨率理论上仅指顶部正射采集的图像分辨率，侧面图像没有固定的分辨率。例如：在平坦区域，倾斜影像一般比正射影像分辨率低；在高层建筑物区域，则倾斜影像可能比正射影像分辨率还高。而在三维模型处理应用中一般也不强调纹理分辨率，只强调纹理覆盖的齐全性和影像质量。因此，在本实施例中，所提到的分辨率均假定为正射采集时的分辨率。

需要说明的是，多旋翼无人机一般定位精度程度为：水平方向为10米，垂直方向为20米，因此在作业时一般规定无人机要与待拍摄区域保持一定的安全距离，即本实施例中的安全距离。

较佳的，在本实施例中，所提到的成图区域、作业区域、安全区域和高层建筑物的范围的形状都可以为规则的矩形。

参见图5和图6，值得一提的是，对于多旋翼无人机倾斜摄影系统中的五轴相机的安装模式可包括两种，分别为图5中所表示的A型安装模式和图6中所表示的B型安装模式，在图5和图6中，箭头方向均表示无人机的机头方向。在本实施例中，优选的，航线规划方法特别适用于B型安装模式。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。