一种基于无人机的像控点信息采集方法及系统与流程

本发明属于无人机测绘技术领域，具体涉及一种基于无人机的像控点信息采集方法及系统。

背景技术：

人们对生产生活环境中的地理信息数据进行测绘和使用，并不断完善和精化；经过优化和确认的地理测绘信息收录于国家的地理信息数据库内。地理信息数据跟随社会和环境的变化而有所变化，因此数据信息是不断更新的，测绘的工作也从不停息。在靠近人们生产生活的区域进行测绘，可安排测绘人员到达像控点进行信息采集，而在大部分远离人们生产生活的区域，例如部分人员无法直接涉足的水域、山区等，测绘人员无法直接确定像控点，难以通过现有的技术实现像控点信息的采集，因此实现地理信息测绘的目的非常艰难。

有鉴于此，有人提出了使用无人机进行测绘的理念。对于现有的无人机测绘方式，其主要的原理是通过无人机搭载信息收集模块，到达指定的相控点进行信息采集。而当前的这种无人机测绘方式存在部分缺陷有待改进，具体如下：

(1)现有的无人机测绘采用先将无人机降落至指定点，再开展信息收集的方式进行，这种方式效率低下，无人机每一次准确停靠至指定点耗费大量的时间；同时存在相当大的应用局限性，部分无法提供停靠点的区域，则不适合采用这种方式进行信息收集。

(2)现有的无人机测绘中，将无人机停靠至指定点后，出于对无人机续航的考虑和减少无人机振动造成的干扰，会将无人机的电机断电停机，在完成信息采集之后再重新启动电机起航。采用这种方式时，反复的启停容易对电机本身造成损坏，将大大缩短电机的使用寿命并增加测绘的成本。

(3)现有的无人机测绘方式，通过对多个区域分别进行连续帧拍摄形成平面摄像画面，并将不同的区域内的图像进行拼接，形成大区域内的整体摄像画面，但是由于摄像角度的变化和拼接处理的不理想，导致生成的整体画面效果非常差，难以应用于实际的地理信息库中；或者，对整个区域进行像控点信息采集，通过点云数据形成dem模型(digitalelevationmodel，数字高程模型)。这些方式形成的数据模型难以直观反映实际的地理面貌，使用不便。

因此，通过无人机进行信息采集的方式存在需要优化之处，需要提出更为合理的技术方案，对现有采集方式中存在的技术问题进行解决。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于无人机的像控点信息采集方法，旨在通过无人机不降落的方式进行信息采集，并同步实现高程摄影摄像；将地理影像与地理数据信息结合，形成可直观查看的三维地理模型；这种方式不仅提高了无人机测绘的效率，而且改进了无人机测绘的质量，使外业与内业的结合更加紧密。

为了实现上述效果，本发明所采用的技术方案为：

一种基于无人机的像控点信息采集方法，具体地说，所述方法包括如下步骤：

通过标定像控点围成封闭的待测区域，并在待测区域内标定多个待测样点；

地面站确定无人机在待测区域内的航线并发送至无人机，无人机沿航线从待测区域边缘向其中心绕圈飞行或在待测区域内呈蛇形往复飞行，飞行中经过所有的待测样点；

无人机在飞行过程中持续进行航空摄影，并将影像信息发送至地面站，地面站将影像信息进行空三计算形成待测区域的粗测dem模型；

无人机在飞行至待测样点时悬停，每一处待测样点均进行多次经纬度打点定位和高程打点测量并得出多组测量数据，无人机将该多组数据标记为测得信息并发送至地面站；

对待测样点的测得信息进行消除系统误差处理后标定该待测样点经纬度和高程的测定信息；同时地面站将测定信息与粗测dem模型进行匹配，通过经纬度信息将该待测样点定位至粗测dem模型，并根据测定信息对粗测dem模型上该位置的高程进行修正；

修正粗测dem模型的高程信息后，获得精细dem模型。

通过上述方法可实现无人机出航后在待测区域内的实时测量获取测得数据，由地面站进行处理后确定测定数据，在测绘软件中进行分析处理后输出与实际地理情况极为接近的dem模型。

在实际测量过程中，地表的物体高度有一定落差，若无人机海拔正高过低容易受到物体的阻挡，而海拔过高则会增加测量的误差，降低测量的精确度，为避免出现上述情况，对上述技术方案进行进一步优化，无人机在进行航空摄影时，其海拔正高高度控制为50m～100m；且无人机在飞行过程中保持航行高度不变。保持航行高度一致不变可方便通过该海拔正高得出地面物体的海拔正高。

在无人机航行到达事先标定的待测样点时，对待测样点进行测量，由于无人机悬停在空中易受到气流的干扰出现水平移动，同时无人机本身在悬停时存在电机运行的振动影响，使得无人机在测量时定位出现误差，影响其测得的经纬度信息。为减小上述误差，对上述技术方案进一步进行优化，无人机在每一处待测样点进行多次经纬度打点定位测量后，以测得的多个点位为基准建立虚拟圆，使虚拟圆涵盖所有的点位且圆周穿过多个点位，并以虚拟圆的圆心作为测定点，测定点的经纬度作为测定的经纬度。

同理，在无人机航行到达事先标定的待测样点时，对待测样点进行测量，由于无人机悬停在空中易受到气流的干扰出现上下浮动，同时无人机本身在悬停时存在电机运行的振动影响，使得无人机在测量时位置出现误差，影响其测得的高程信息。为减小上述误差，对上述技术方案进一步进行优化，每一处待测样点进行多次高程打点定位测量后，以测得的多个高程数据的算数平均值作为测定的高程值。

再进一步，测定高程信息之后，进行待测样点的高程修正，直接将待测样点的测定高程作为该点的高程。该点的高程等于无人机自身所处的高程减去测得的高差，无人机每次打点测得高差后由机载处理器模块进行数据运算，得出此次测得的待测样点高程。

进一步的，像控点和待测样点的选取和布置对测量结构的影响极大，在许可的范围内，尽量多的设置待测样点，并依据地形地貌进行合理的分布。对于地形地貌变化较大的区域可将待测样点数量增加并集中布置，有利于提高对该区域的测量准确度；对于地形地貌变化小的区域可适当减少待测样点，有利于减少无人机的能量消耗，并提高测量的效率；对于待测样点之间的其他点，采用内插法确定其高程。

对于一个待测区域测量完成后，可对应生成该区域的dem模型，为了将整个大区域全部进行测量并生成模型，还包括如下步骤：对多个待测区域的精细dem模型进行拼接，获得整个区域的精细dem模型。

本发明还提供了一种基于无人机的像控点信息采集系统，旨在通过该系统实现无人机进行地理信息测绘，生成地理测绘的三维模型；该采集系统生成的三维模型直观可感，更具有使用参考性。

为了实现上述效果，本发明所采用的技术方案为：

一种基于无人机的像控点信息采集系统，包括地面站和无人机，地面站用于生成指令和信息处理，无人机从地面站处起航执行指令并反馈数据。

具体地说，所述的地面站包括处理器模块，处理器模块分别连接供电模块、无线数传模块和存储模块。

供电模块为整个地面站供电，其可采用蓄电装置或直接连接至市电，并通过相应的变电装置将电压转换为地面站的需求电压。

无线数传模块用于接收来自无人机的影像信息和测得信息，并将信息传输至数据处理模块。

数据处理模块用于分析处理接收的影像信息和测得信息，对粗测dem模型进行修正得到精细dem模型，并将精细dem模型输出为dom模型(digitalorthophotomap，数字正射影像图)存储于存储模块。

所述的无人机上设有机载处理器模块，机载处理器模块分别连接定位模块、激光测距模块、机载无线数传模块。

定位模块用于输出无人机当前的经纬度信息和高度信息，机载处理器模块将高度信息转换为无人机当前海拔正高后，该海拔正高和经纬度信息作为无人机当前的位置信息。

激光测距模块用于无人机悬停时，测量其与正下方像控点之间的高差，机载处理模块根据该高差值和无人机的海拔正高，计算输出像控点的高程值。

机载无线数传模块用于将无人机当前的位置信息和像控点的高程值传送至地面站的无线数传模块。

进一步的，对上述技术方案进行优化，所述的地面站还包括监测模块，监测模块用于监测无人机的当前位置与航线的偏差，当无人机的位置出现偏差时，处理器模块作出控制指令，并通过无线数传模块发送至无人机。无人机在受到气流的干扰后发生位移，经过监测模块发现后主动进行校正，可提高测量的精确度。

进一步的，对上述技术方案进行优化，所述的无人机还包括电量检测模块，电量检测模块与机载处理器模块连接并用于实时检测无人机当前剩余电量，检测到的剩余电量值通过机载无线数传模块实时发送至地面站的无线数传模块，处理器模块根据剩余电量检测值重新规划无人机的航线，并通过无线数传模块将执行新航线的控制指令发送至无人机。通过电量检测模块的检测可对无人机的返航能力发出预警，处理器模块对航线的重新规划，可主动中止测量任务，避免无人机续航能力不足，在电量耗尽后无法返回，造成不必要的损失。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明通过形成粗测dem模型，形成待测区域的轮廓，并通过无人机精确测量后进行数据修正，形成精细dem模型，双重测量提高了测量的精确度，使测定数据生成的模型更为可靠。

2.本发明采用无人机悬停直接测量的方式获取数据，摒弃了将无人机降落至待测样点进行静止测量的方式，更加快捷高效，能选取更多的待测样点进行测量，提高了数据的体量，使测量的结果更加可靠，形成的模型更为细化。

3.本发明中无人机采用不降落不停机的方式，避免了无人机的反复启停，减小了对无人机的损耗，使无人机的使用寿命大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，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它相关的附图。

图1是本采集方法的原理示意图。

图2是地面站控制无人机调整航线的原理示意图。

图3是本采集方法中生成粗侧dem模型以及精细dem模型的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

实施例1：

如图1、图3所示，本实施例提供了一种基于无人机的像控点信息采集方法，具体地说，所述方法包括如下步骤：

s01：通过标定像控点围成封闭的待测区域，并在待测区域内标定多个待测样点；本实施例中对一矩形区域进行测量，一般每平方公里布设两个以上像控点；像控点选择交角良好(30°～150°)的细小线状地物交点、明显地物拐角点、航摄影像小于0.2mm的点状地物中心。像控点影像均较清晰，易于判刺和立体量测，确定像控点后使用红漆或者其他易于观察的标记进行标识。矩形区域的四个角均为相控点，且矩形区域四条边的中点也设置为像控点；在该矩形的待测区域内，于地貌变化较大的部分增加待测样点的密度，于地貌变化较小的部分减小待测样点的密度。

s02：地面站确定无人机在待测区域内的航线并发送至无人机，无人机沿航线从待测区域边缘向其中心绕圈飞行或在待测区域内呈蛇形往复飞行，飞行中经过所有的待测样点。

s03：无人机在飞行过程中持续进行航空摄影，并将影像信息发送至地面站，地面站将影像信息进行空三计算形成待测区域的粗测dem模型；在摄影时，无人机搭载微单相机进行作业，像幅为7360×4912，像元大小为4.88um，快门一般采用1/1250秒，iso为200～400之间，快门优先方式曝光。起降方式采用垂直起降方式，减少了作业对场地的要求。

s04：无人机在飞行至待测样点时悬停，每一处待测样点均进行多次经纬度打点定位和高程打点测量并得出多组测量数据，无人机将该多组数据标记为测得信息并发送至地面站；具体测量每处停留时间不超过10s，打点频率在10hz～30hz，如何可保证前次发送的激光信号不受下一次发出的激光信号影响。

s05：对待测样点的测得信息进行消除系统误差处理后标定该待测样点经纬度和高程的测定信息；同时地面站将测定信息与粗测dem模型进行匹配，通过经纬度信息将该待测样点定位至粗测dem模型，并根据测定信息对粗测dem模型上该位置的高程进行修正。

s06：修正粗测dem模型的高程信息后，获得精细dem模型。

通过上述方法可实现无人机出航后在待测区域内的实时测量获取测得数据，由地面站进行处理后确定测定数据，在测绘软件中进行分析处理后输出与实际地理情况极为接近的dem模型。

在实际测量过程中，地表的物体高度有一定落差，若无人机海拔正高过低容易受到物体的阻挡，而海拔过高则会增加测量的误差，降低测量的精确度，为避免出现上述情况，对上述技术方案进行进一步优化，本实施例中无人机在进行航空摄影时，其海拔正高高度控制为50m或100m；且无人机在飞行过程中保持航行高度不变。保持航行高度一致不变可方便通过该海拔正高得出地面物体的海拔正高。

在无人机航行到达事先标定的待测样点时，对待测样点进行测量，由于无人机悬停在空中易受到气流的干扰出现水平移动，同时无人机本身在悬停时存在电机运行的振动影响，使得无人机在测量时定位出现误差，影响其测得的经纬度信息。为减小上述误差，对上述技术方案进一步进行优化，无人机在每一处待测样点进行多次经纬度打点定位测量后，以测得的多个点位为基准建立虚拟圆，使虚拟圆涵盖所有的点位且圆周穿过多个点位，并以虚拟圆的圆心作为测定点，测定点的经纬度作为测定的经纬度。

同理，在无人机航行到达事先标定的待测样点时，对待测样点进行测量，由于无人机悬停在空中易受到气流的干扰出现上下浮动，同时无人机本身在悬停时存在电机运行的振动影响，使得无人机在测量时位置出现误差，影响其测得的高程信息。为减小上述误差，对上述技术方案进一步进行优化，每一处待测样点进行多次高程打点定位测量后，以测得的多个高程数据的算数平均值作为测定的高程值。

测定高程信息之后，进行待测样点的高程修正，直接将待测样点的测定高程作为该点的高程。该点的高程等于无人机自身所处的高程减去测得的高差，无人机每次打点测得高差后由机载处理器模块进行数据运算，得出此次测得的待测样点高程。

像控点和待测样点的选取和布置对测量结构的影响极大，在许可的范围内，尽量多的设置待测样点，并依据地形地貌进行合理的分布。对于地形地貌变化较大的区域可将待测样点数量增加并集中布置，有利于提高对该区域的测量准确度，根据具体的地理地貌情况，可在每100m²内设置不少于10个待测样点；对于地形地貌变化小的区域可适当减少待测样点，有利于减少无人机的能量消耗，并提高测量的效率，可在每100m²内设置3～5个待测样点；对于待测样点之间的其他点，采用内插法确定其高程，内插的密度参照具体地理地貌。

对于一个待测区域测量完成后，可对应生成该区域的dem模型，为了将整个大区域全部进行测量并生成模型，还包括如下步骤：对多个待测区域的精细dem模型进行拼接，获得整个区域的精细dem模型。

实施例2：

本实施例提供了一种基于无人机的像控点信息采集系统，旨在通过该系统实现无人机进行地理信息测绘，生成地理测绘的三维模型；该采集系统生成的三维模型直观可感，更具有使用参考性。

具体的，一种基于无人机的像控点信息采集系统，包括地面站和无人机，地面站用于生成指令和信息处理，无人机从地面站处起航执行指令并反馈数据。

在本实施例中，所述的地面站包括处理器模块，处理器模块分别连接供电模块、无线数传模块和存储模块。处理器模块可采用单片机或plc(programmablelogiccontroller，可编程逻辑控制器)。

供电模块为整个地面站供电，其可采用蓄电装置或直接连接至市电，并通过相应的变电装置将电压转换为地面站的需求电压。

无线数传模块用于接收来自无人机的影像信息和测得信息，并将信息传输至数据处理模块。

数据处理模块用于分析处理接收的影像信息和测得信息，对粗测dem模型进行修正得到精细dem模型，并将精细dem模型输出为dom模型(digitalorthophotomap，数字正射影像图)存储于存储模块。

所述的无人机上设有机载处理器模块，机载处理器模块分别连接定位模块、激光测距模块、机载无线数传模块。同样，机载处理器模块可采用单片机或plc。

定位模块用于输出无人机当前的经纬度信息和高度信息，机载处理器模块将高度信息转换为无人机当前海拔正高后，该海拔正高和经纬度信息作为无人机当前的位置信息。

激光测距模块用于无人机悬停时，测量其与正下方像控点之间的高差，机载处理模块根据该高差值和无人机的海拔正高，计算输出像控点的高程值。

机载无线数传模块用于将无人机当前的位置信息和像控点的高程值传送至地面站的无线数传模块。

如图2所示，对上述技术方案进行优化，所述的地面站还包括监测模块，检测模块包括一独立运算处理器，对接收到的无人机位置信息进行运算和比对；监测模块用于监测无人机的当前位置与航线的偏差，监测模块将无人机当前的位置信息与航线相匹配，若无人机距离航线上最近的点的距离小于等于5cm，则判断无人机未出现航行偏差，否则为偏差；当无人机的位置出现偏差时，处理器模块作出控制指令，并通过无线数传模块发送至无人机。无人机在受到气流的干扰后发生位移，经过监测模块发现后主动进行校正，可提高测量的精确度。

对上述技术方案进行优化，所述的无人机还包括电量检测模块，电量检测模块与机载处理器模块连接并用于实时检测无人机当前剩余电量，检测到的剩余电量值通过机载无线数传模块实时发送至地面站的无线数传模块，处理器模块根据剩余电量检测值重新规划无人机的航线，并通过无线数传模块将执行新航线的控制指令发送至无人机。通过电量检测模块的检测可对无人机的返航能力发出预警，处理器模块对航线的重新规划，可主动中止测量任务，避免无人机续航能力不足，在电量耗尽后无法返回，造成不必要的损失。

以上即为本发明列举的几种实施方式，但本发明不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。