一种基于激光投线仪和无人机的地形测量方法及系统与流程

本发明属于无人机数字地形测绘与工程绘图领域，具体涉及一种基于激光投线仪和无人机的地形测量方法及系统。

背景技术：

地形等高线模型是dem多种表达方式中的一种(网格、等高线、三角网)，是一系列等高线和对应高程值的集合，用于描述地面起伏状况，提取各种地形参数，如坡度、坡向等，广泛应用于各种线路选线(铁路、公路、输电线)的设计以及各种工程面积、体积、坡度计算中。

目前通用的dem获取方式有：传统的接触式测量和以三维激光扫描、无人机倾斜摄影测量等技术为代表的非接触式测量技术。传统的接触式测量依托全站仪、gps-rtk、水准仪、标尺等设备，以人工跑尺的工作方式开展，具有人力成本高、耗时长、效率低下等弊端。通过三维激光扫描获取的点云数据可建立高精度高分辨率的数字高程模型，却同样有数据量大、器械成本高、效率较低的缺陷。无人机倾斜摄影测量则是基于无人机空基平台，获取同一地物目标的多张二维遥感影像，通过建立相应的像方坐标系和物方坐标系，在像方坐标值向物方坐标系中坐标值的转化后，通过空三加密最终分析解译提取三维点云信息，但利用倾斜摄影技术建立地形模型过程中也存在着一定的技术难题：其一是因重叠率设置不当或光线变化带来的地物缺失和纹理变形问题；其二是当处理的数据量较大时，对计算机硬件和软件平台要求较高且耗时长，软件操作过程以及三维模型显示加载滞后等问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在耗时长、成本高、操作复杂的问题，本发明的目的在于提供一种基于激光投线仪和无人机的地形测量方法及系统，解决了工程应用中地形数据的采集困难、耗时耗力的缺陷，同时因其成像特性适宜于夜间工作，为工程测绘建模提供了一种新方法。

为了达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于激光投线仪和无人机的地形测量方法，包括以下步骤：

步骤1、测量准备：围绕待测地形布设激光投线仪与无人机，将激光投线仪调平，投影点布设原则使投影线可覆盖所有待测地形，相邻投影点间的投影激光线保有一定重叠率，无人机飞至地形上方，航拍悬停点原则上使镜头可捕捉到全部地形表面；

步骤2、基准面和比例尺确定：

根据待测地形取适当的区域高程基准面，通过激光投线获取各测量控制点的相对高差δxi，各测量控制点在基准面内投影到地形上的距离保持一致，通过计算得到每个像素的实际大小，进而确定照片和模型的比例尺；

步骤3、投影和航拍：

通过三脚架调节激光投线仪至基准面，水平投影于裸露边坡地形表面，待投影稳定后，通过悬停于定点的无人机航拍获取边坡及其表面激光线的正射影像，随后调节三脚架每次升高等高距δ(m)，对应每个测量控制点的投影激光线高程可由下式确定：

式(1)中，表示第i个测点第j条投线处的高程，投影和航拍过程保持无人机和激光投线仪位置不变，待一个测量控制点拍摄完成后，轮到下一个测量控制点重复步骤2、步骤3；

步骤4、图像处理与地形建模：

提取全部投影图像激光投线并赋予相应高程值，导入相应建模软件建立基于等高线的数字高程模型(dem)。

优选的方案，所述步骤1中，围绕待测地形布设激光投线仪测量控制点与无人机航拍悬停点，使用高功率激光投线仪投影于裸露地形表面构建地形表面轮廓；使用三脚架调节激光投线仪投影高度，获取不同高度的水平投线，在同一测点投影航拍过程中三脚架位置保持不变。

优选的方案，所述步骤1中，使用无人机悬停于地形上方一点进行正直拍摄(保持摄像头竖直)，无人机定点飞行高度fh的最小值由式(2)～(3)确定：

式(2)、(3)中，gdx和gdy分别表示待测地形的最大长度和宽度，fh为飞行高度，fl为焦距，sw和sl分别为传感器宽度、传感器长度；

为了保证建模精度和成像质量，应保持地面采样距离(gsd)在合理范围内，无人机定点飞行高度fh的最大值由式(4)确定：

式(4)中，gsd表示地面采样距离，即影像分辨率(ifov)，fl表示镜头焦距，sw表示传感器宽度，pn表示每张照片宽度的像素数。

更优选的方案，无人机定点飞行高度应在镜头画幅足够覆盖全部待测地形的基础上，满足工程测量和三维地形建模的精度要求，影像分辨率(像素大小)一般要求小于或等于10厘米每像素，即gsd<＝10cm/pixel。

优选的方案，所述步骤2中，由式(4)可知，在已知飞行高度fh、镜头参数(fl、sw)和照片宽度像素数pn的条件下，可以得到每个像素的实际大小，进而确定照片和模型的比例尺。

优选的方案，所述步骤4中，对正射影像进行后期处理，通过相应软件采集全部激光投线并赋予相应的高程值；为保证影像中激光投影有足够的清晰度，测量工作应尽量在阴天或夜间进行。

优选的方案，将包含多条水平激光投影线的影像和高程数据导入相应建模软件，构建基于多条等高线的数字高程模型。

本发明还提供一种基于激光投线仪和无人机的地形测量系统，包括激光投线模块、无人机正射模块和三维地形建模模块；

所述激光投线模块采用高功率激光投线仪，用于构建待测地形表面轮廓，使用高功率激光投线仪水平投影于待测地形并依靠三脚架调整投线高度，自基准面起每次增加等高距δ(m)，直到覆盖全部外部轮廓；

所述无人机正射模块用于获取边坡及其表面激光线的正射影像，飞行高度由gps读取，根据待测地形大小和无人机携带传感器参数确定；

所述三维地形建模模块用于影像数据处理和三维地形建模，使用相应图像处理软件提取影像投影激光线并赋予高程值，导入地形建模软件建立基于多条登高线的数字高程模型。

为保证工程测量和地形建模的精度，飞机拍摄时应保持悬停于同一点，因而测量工作不宜在大风天气进行。

本发明基于激光投线仪和无人机的地形测量方法，通过激光投线仪构建待测地形表面轮廓，利用边坡上方定点悬停的无人机获取边坡及其表面激光线的正射影像，并将采集的正射影像导入图像处理及三维建模软件，提取图像中的各条等高线并赋予高程值，建立所测区域地形的数字高程模型(dem)。

本发明找到一种高效和经济的地形测绘、建模方法，从而解决传统方法笨拙，复杂，耗时，成本高等问题；能完成对数据的后期加工处理，呈现完整而精确的地形测绘数据，解决工程应用中地形数据的采集困难、耗时耗力的缺陷。

相对于现有技术，本发明具有以下有益技术效果：

1)本发明通过采用激光投线仪与旋翼无人机两种低成本设备，对地形进行水平激光投影和定点悬停正直摄影，实现了地形的快速测量和建模，克服了传统测量方法人力成本高、耗时长、效率低下等问题。

2)本发明通过投线仪水平投影于地形表面，效果直观、操作简洁方便，无人机定点获取的高分辨率图像为地形建模提供了精度保障，同时因其成像特性适宜于夜间工作，为工程测绘建模提供了一种新方法。

3)本发明为线路选线设计和各种工程计算提供了一套便捷的地形等高线模型快速测量和建模方法。

附图说明

图1是本发明基于激光投线仪和无人机的地形测量方法的流程图。

图2是本发明地形测量原理示意图。

图3是飞行高度、焦距、传感器尺寸与地面距离的关系示意图。

图4是实施例中某斜坡测量建模1:400地形等高线模型。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，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。

下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明：

图1是一种基于激光投线仪与无人机的地形测量方法的流程图，测量系统包括激光投线模块、无人机正射模块、三维地形建模模块；图2是本发明地形测量原理示意图；图3是飞行高度、焦距、传感器尺寸与地面距离的关系示意图；图4是某天然不规则边坡示意图。该边坡位于湖南省长沙市某学校区域内，经现场调查，该边坡覆盖草本植被，规模较小，最大长度20m，宽度5m，最大高度约为4m，且坡度较缓，形状较规则，边坡附近区域高程变化较小，便于测量。我们于2019年9月某一天对其进行了测量，在边坡附近共布设了6个高程控制点，对每个测点进行投影并拍摄了5条投影激光线，总共获得了30张包含激光投线的照片，经过图像处理和建模后等到了如图4所示模型。

利用本发明一种基于激光投线仪与无人机的地形测量方法，对该处边坡进行测量和地形建模，包括以下步骤：

步骤1、测量准备：围绕待测地形布设激光投线仪与无人机，将激光投线仪调平，投影点布设原则使投影线可覆盖所有待测地形，相邻投影点间的投影激光线保有一定重叠率，无人机飞至地形上方，航拍悬停点原则上使镜头可捕捉到全部地形表面；

如图4所示，围绕待测地形共布设了6个测量控制点(p1～p6)，其中长边4个短边2个，已知无人机携带传感器参数为fl/2.8-fl/11(带自动对焦)，4:3宽高比的照片像素4864x3648，传感器尺寸sw/2.54-sl/5.84cm；

无人机定点飞行高度fh的最小值由式(2)～(3)确定：

式(2)、(3)中，gdx和gdy分别表示待测地形的最大长度和宽度，fh为飞行高度，fl为焦距，sw和sl分别为传感器宽度、传感器长度，由上式获取的无人机定点飞行高度fh≥9.6m，以保证镜头画幅可以捕捉到全部地形表面；

为了保证建模精度和成像质量，应保持地面采样距离(gsd)在合理范围内，无人机定点飞行高度fh的最大值由式(4)确定：

式(4)中，gsd表示地面采样距离，即影像分辨率(ifov)，fl表示镜头焦距，sw表示传感器宽度，pn表示每张照片宽度的像素数。

无人机定点飞行高度应在镜头画幅足够覆盖全部待测地形的基础上，满足工程测量和三维地形建模的精度要求，影像分辨率(像素大小)一般要求小于或等于10厘米每像素，以gsd＝10cm/pixel为标准，经计算可得fh≤21.1mm，综上可得无人机定点悬停高度范围为9.6m≤fh≤21.1m；

步骤2、基准面和比例尺确定：

控制无人机飞至待测地形上方指定高度，调整使镜头竖直，读取gps数据28°8′40.43″n，112°58′34.2″e，fh＝21m，保持悬停状态；

地面部分首先确定区域高程基准点，经现场测量得到各测点与基准面间高差分别为δx1＝0.27m、δx2＝0.24m、δx3＝0.18m、δx4＝0.06m、δx5＝0.10m、δx6＝0.13m，各测点在基准面内投影至待测地形的投线交叉点(投影线中心)的距离均为4m；

由式(4)计算可得每个像素的实际大小，进而确定照片和模型的比例尺为1:377；

步骤3、投影和航拍：

自p1点起开始激光投线和无人机航拍，保证每条投影线尽量完整不被植被遮挡；

通过三脚架调节激光投线仪至基准面，水平投影于裸露边坡地形表面，待投影稳定后，通过悬停于定点的无人机航拍获取边坡及其表面激光线的正射影像，随后调节三脚架每次升高等高距δ＝0.5m，注意同一个控制点测量拍摄过程中保持三脚架位置固定，之后重复调平、投影、拍摄的操作，每个测点共投影5条激光线，对应每个测量控制点的投影激光线高程可由下式确定：

式(1)中，表示第i个测点第j条投线处的高程，投影和航拍过程保持无人机和激光投线仪位置不变，p1测量拍摄结束后，换到p2、p3、…、p6重复步骤2～3，直至激光投线覆盖全部待测地形；

步骤4、图像处理与地形建模：

提取全部正射图像的激光投线并赋予相应高程值，导入相应sketchup建立基于等高线的数字高程模型。对正射图像进行后期处理，每张正射图像上仅有一条水平激光投线，通过相应的图像处理将不同照片上的总计30条投影线合成一张图片上，然后导入cad通过多段线绘制每条投影线并赋以相应的高程，最后将含有高程数据的等高线导入三维地形建模软件sketchup合成地形等高线模型，如图4所示。

如果采用传统的全站仪，人工跑尺方式进行测量，所消耗的时间在1小时以上；通过三维激光扫描获取的点云数据可建立高精度高分辨率的数字高程模型，却有数据量大、器械成本高、效率较低的缺陷。本发明所述方法克服了传统测量方法人力成本高、耗时长、效率低下等问题。通过投线仪水平投影于地形表面，效果直观、操作简洁方便，无人机定点获取的高分辨率图像为地形建模提供了精度保障。本发明为线路选线设计和各种工程计算提供了一套便捷的地形等高线模型快速测量和建模方法。

实例验证表明，本发明所述的基于激光投影等高线与正射影像结合的边坡地形简易测量方法属非接触式测量方法，具有设备简单、外业工作耗时短、效率高等优点。