基于无人机的地貌测量方法及系统与流程

1.本发明涉及无人机测绘技术领域，特别涉及基于无人机的地貌测量方法及系统。


背景技术：

2.现有的地貌测量主要是使用全站仪、rtk等测量设备在地面进行高程点测量，通过测量一定密度的高程点，再用相关的地理信息软件生成等高线，但是人工测量效率低，而且有些高山、密林人工实测较为困难。
3.随着无人机技术的发展，无人机进行低空摄影测量具有高机动灵活性、影像高分辨率、系统高度集成、影像获取成本低等特点，且低空摄影测量由于摄影高度较低，云雾产生的遮挡影响更小，因此，近年来在地貌测量中得到了广泛运用。
4.但是，当前的无人机测量依靠工作人员进行操控，对工作人员的操作能力要求较高，而且容易出现偏航导致拍摄区域遗漏或覆盖不全等问题，需要二次测量；当需要测量的区域面积较大时，飞行的时间较长，工作强度大且需要的时间也较多。
5.为此，需要一种能够提高测量效率的基于无人机的地貌测量方法及系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于，提供基于无人机的地貌测量系统，能够提高测量效率。
7.为了解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：
8.基于无人机的地貌测量系统，包括通信模块、区域规划模块、航线规划模块、图像分析模块、数据处理模块以及若干无人机；
9.区域规划模块用于根据测量任务确定地貌测量作业区；将作业区均匀划分为若干网格，还用于在网格内设置像控点，接收像控点的坐标并记录；
10.航线规划模块用于根据网格的数量确定无人机的数量，根据无人机的数量规划测量航线，使无人机飞行覆盖所有的网格；
11.航线规划模块还用于将测量航线通过通信模块将测量航线发送至无人机；
12.无人机用于按照规划的测量航线飞行，拍摄作业区的航拍影像；还用于将相机拍摄的航拍影像回传至通信模块；
13.图像分析模块还用于从通信模块获取航拍影像，进行初步筛查，判断成像质量是否满足需求，若不满足，标记对应的网格；
14.无人机还用于将pos数据发送至通信模块；
15.数据处理模块用于从通信模块获取pos数据，根据航拍影像、pos数据和像控点的坐标进行空中三角形计算；还用于根据空中三角形计算结果以及航拍影像生成数字正射影像图。
16.基础方案原理及有益效果如下：
17.本方案中，将作业区划分为若干的网格，在网格内设置相控点，然后采用多个无人机进行航拍，使无人机飞行覆盖所有的网格，保证航拍影像不会出现遗漏；相比于使用单个
无人机进行测量，能够有效提高测量的效率。自动生成测量航线，无人机按照规划的测量航线自动飞行，减少了人员的工作量。通过对航拍影像进行初步筛查，标记成像质量不满足需求的网格，有助于后续进行补拍。相比于完成整个航拍返回后，再发现航拍影像存在问题，能够节往返地貌测量作业区的时间，进一步提高测量的效率。
18.进一步，所述测量航线包括起飞点、任务开始点、任务航线以及任务结束点。
19.进一步，所述最后一个无人机完成任务航线的飞行后还用于将所在位置及剩余电量发送至通信模块；
20.航线规划模块还用于从通信模块获取最后一个无人机的所在位置及剩余电量，根据最后一个无人机的所在位置以及被标记的网格规划复测航线，使复测航线覆盖所有被标记的网格；判断最后一个无人机的剩余电量是否能够完成复测航线的飞行，若能够完成，将复测航线发送至最后一个无人机；若不能够完成，重新生成复测航线并发送至首先完成任务航线飞行且已返回起飞点的无人机。
21.如果最后一个无人机完成任务航线的飞行后，剩余电量充足，可以直接对成像质量不满足需求的网格进行复测，能够缩短整个测量的时间。当最后一个无人机剩余电量不充足时，由首先完成任务航线飞行且已返回起飞点的无人机进行复测，也可以节约一定的时间。
22.本发明的目的之二在于，提供基于无人机的地貌测量方法，包括如下步骤：
23.s1、根据测量任务确定地貌测量作业区；将作业区均匀划分为若干网格；
24.s2、在网格内设置像控点，测量像控点的坐标并记录；
25.s3、根据网格的数量确定无人机的数量，根据无人机的数量规划测量航线，使无人机飞行覆盖所有的网格；
26.s4、使无人机按照任务航线飞行，通过无人机搭载的相机拍摄作业区的航拍影像；
27.s5、实时接收无人机的航拍影像，进行初步筛查，判断成像质量是否满足需求，若不满足，标记对应的网格；
28.s7、在无人机完成所有测量航线的飞行后，获取无人机的pos数据，根据航拍影像、 pos数据和像控点的坐标进行空中三角形计算；
29.s8、根据空中三角形计算结果以及航拍影像生成数字正射影像图。
30.本方案中，将作业区划分为若干的网格，在网格内设置相控点，然后采用多个无人机进行航拍，使无人机飞行覆盖所有的网格，保证航拍影像不会出现遗漏；相比于使用单个无人机进行测量，能够有效提高测量的效率。自动生成测量航线，无人机按照规划的测量航线自动飞行，减少了人员的工作量。通过对航拍影像进行初步筛查，标记成像质量不满足需求的网格，有助于后续进行补拍。相比于完成整个航拍返回后，再发现航拍影像存在问题，能够节往返地貌测量作业区的时间，进一步提高测量的效率。
31.进一步，所述步骤s4中，无人机按照任务航线飞行具体包括：使无人机在起飞点起飞，然后飞行至任务开始点，按照任务航线飞行，到达任务结束点后，返回起飞点降落。
32.进一步，所述步骤s5中，还更换首先完成任务航线飞行，已返回起飞点的无人机的电池，在最后一个无人机完成任务航线的飞行后，根据最后一个无人机的所在位置以及被标记的网格规划复测航线，使复测航线覆盖所有被标记的网格；判断最后一个无人机的剩余电量是否能够完成复测航线的飞行，若能够完成，将复测航线发送至最后一个无人机，若
不能够完成，重新生成复测航线并发送至首先完成任务航线飞行的无人机。
33.如果最后一个无人机完成任务航线的飞行后，剩余电量充足，可以直接对成像质量不满足需求的网格进行复测，能够缩短整个测量的时间。当最后一个无人机剩余电量不充足时，由首先完成任务航线飞行且已返回起飞点的无人机进行复测，也可以节约一定的时间。
34.进一步，所述步骤s1中，划分的网格面积小于单张航拍影像的覆盖区域面积。
35.使航拍影像上网格存在部分重叠，保证对地貌测量作业区的全覆盖。
36.进一步，所述步骤s3中，还设定无人机的数量上限，当计算得到的无人机数量大于无人机的数量上限时，将无人机的数量上限作为实际使用的任务无人机数量；
37.规划测量航线时，计算得到的无人机数量大于无人机的数量上限，使无人机通过多次飞行以覆盖所有的网格。
38.避免出现地貌测量作业区过大，携带的无人机不足以覆盖所有的网格情况。
附图说明
39.图1为实施例一基于无人机的地貌测量方法的流程图；
40.图2为实施例一中测量航线的示意图；
41.图3为实施例二中按两个无人机一组的方式规划测量航线的示意图；
42.图4为实施例二中的同组的无人机对标记的网格进行拍摄的测量航线的示意图。
具体实施方式
43.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
44.实施例一
45.基于无人机的地貌测量系统，包括通信模块、区域规划模块、航线规划模块、图像分析模块、数据处理模块以及若干无人机和无人机对应的控制器；其中无人机的数量不少于2个。
46.无人机包括无人机本体以及无人机本体搭载的相机。
47.区域规划模块用于根据测量任务确定地貌测量作业区；将作业区均匀划分为若干网格，对网格进行编号；还用于在网格内设置像控点，接收像控点的坐标并记录；
48.航线规划模块用于根据网格的数量确定无人机的数量，根据无人机的数量规划测量航线，使无人机飞行覆盖所有的网格。
49.航线规划模块还用于将测量航线通过通信模块发送至控制器，由控制器将测量航线发送至无人机本体。
50.无人机本体按照规划的测量航线飞行，通过无人机搭载的相机拍摄作业区的航拍影像。
51.无人机本体还用于将相机拍摄的航拍影像回传至控制器，由控制器发送至通信模块；
52.图像分析模块还用于从通信模块获取航拍影像，进行初步筛查，判断成像质量是否满足需求，若不满足，标记对应的网格。
53.测量航线包括起飞点、任务开始点、任务航线以及任务结束点；其中任务航线的飞
行覆盖网关。
54.最后一个无人机完成任务航线的飞行后还用于将所在位置及剩余电量发送至控制器，控制器将所在位置及剩余电量发送至通信模块；
55.航线规划模块还用于从通信模块获取最后一个无人机的所在位置及剩余电量，根据最后一个无人机的所在位置以及被标记的网格规划复测航线，使复测航线覆盖所有被标记的网格；判断最后一个无人机的剩余电量是否能够完成复测航线的飞行，若能够完成，将复测航线发送至最后一个无人机，若不能够完成，重新生成复测航线并发送至首先完成任务航线飞行且已返回起飞点的无人机。
56.无人机本体还用于将pos数据通过控制器发送至通信模块；
57.数据处理模块还用于从通信模块获取pos数据，根据航拍影像、pos数据和像控点的坐标进行空中三角形计算；还用于根据空中三角形计算结果以及航拍影像生成dom。
58.如图1所示，本实施例的基于无人机的地貌测量方法，包括如下步骤：
59.s1、根据测量任务确定地貌测量作业区；将作业区均匀划分为若干网格，对网格进行编号；具体的：
60.根据任务要求地面分辨率p(单位为米)、无人机搭载的相机的传感器分辨率(a*b)以及镜头视场角θ,计算飞行高度、以及单张航拍影像的覆盖区域；
61.本实施例中，通过如下公式计算飞行高度h(单位为米)：
[0062][0063]
还通过如下公式计算单张航拍影像的覆盖区域的边长(x*y)：
[0064]
x＝a*p
[0065]
y＝b*p
[0066]
根据单张航拍影像的覆盖区域确定网格的大小。本实施例中，网格面积小于单张航拍影像的覆盖区域面积。
[0067]
s2、在网格内设置像控点，通过rtk测量仪测量像控点的坐标并记录；可以在所有网格设置像控点，也可以选取若干网格设置相控点。
[0068]
s3、根据网格的数量确定无人机的数量，根据无人机的数量规划测量航线，使无人机飞行覆盖所有的网格。具体的，根据网格的数量计算总飞行里程，再根据总飞行里程以及单个无人机的单次飞行里程计算无人机数量。
[0069]
无人机的单次飞行里程通过历史的测量任务得到。具体的，记录无人机电量在20％时的飞行里程，再计算所有记录数据的平均值得到预估的单次飞行里程。为了保证预估单次飞行里程的准确性，应保证海拔高度、风力、飞行速度、载重在相同区间内。
[0070]
本实施例中，还设定无人机的数量上限，当计算得到的无人机数量大于无人机的数量上限，将无人机的数量上限作为实际使用的任务无人机数量。无人机的数量上限根据本次测量任务所使用的无人机确定，数量上限应大于或等于2。
[0071]
规划测量航线时，如果任务无人机数量不满足单次完成总飞行里程的条件，即计算得到的无人机数量大于无人机的数量上限，使无人机通过多次飞行以覆盖所有的网格；如果任务无人机数量满足单次完成总飞行里程的条件，使无人机通过单次飞行以覆盖所有
的网格。
[0072]
如图2所示，具体的，首先在作业区的边缘确定起飞点；然后为每一无人机分配覆盖的网格，确定任务开始点、任务航线以及任务结束点。起飞点可以根据人员是否方便到达，地面是否平整等因素综合选择。任务开始点指无人机进入网格前的位置，任务结束点指无人机离开网格后的位置。
[0073]
s4、使无人机在起飞点起飞，然后飞行至任务开始点，按照任务航线飞行，到达任务结束点后，返回起飞点降落。按照任务航线飞行，通过无人机搭载的相机拍摄作业区的航拍影像；
[0074]
s5、实时接收无人机的航拍影像，进行初步筛查，判断成像质量是否满足需求，若不满足，标记对应的网格；本实施例中，成像质量满足需求指图像清晰，没有大面积反光。
[0075]
更换首先完成任务航线飞行，已返回起飞点的无人机的电池，在最后一个无人机完成任务航线的飞行后，根据最后一个无人机的所在位置以及被标记的网格规划复测航线，使复测航线覆盖所有被标记的网格；判断最后一个无人机的剩余电量是否能够完成复测航线的飞行，若能够完成，将复测航线发送至最后一个无人机，若不能够完成，重新生成复测航线并发送至首先完成任务航线飞行的无人机。
[0076]
s6、在无人机完成所有测量航线以及复测航线的飞行后，获取无人机的pos数据，pos 数据包括gps数据和imu数据，其中imu数据包括航向角、俯仰角以及翻滚角。根据航拍影像、pos数据和像控点的坐标进行空中三角形计算；
[0077]
s7、根据空中三角形计算结果以及航拍影像生成dom(数字正射影像图)。
[0078]
实施例二
[0079]
本实施例和实施例一的区别在于，本实施例的方法，步骤s1中，还根据预存的作业区的卫星地图划分被标记网格的地形，例如地形包括森林、草地、水面、人造设施等；
[0080]
步骤s2中，还记录当前的气象条件，气象条件包括风速、云层类型、云层高度、光照强度、气温；
[0081]
步骤s3中，还根据当前的气象条件，以及已有的地形成像概率数据库，计算每一网格出现成像质量不满足需求的概率，统计不满足需求概率高于70％的网格数量，判断数量是否大于第一阈值，如果大于第一阈值，生成告警信息；本实施例中告警信息为，当前气象条件不适合地貌测量。本实施例中，第一阈值为当前网格数的20％。第一阈值为当前网格数的 10％。
[0082]
如果大于第二阈值且小于第一阈值；继续执行实施例一的步骤s3，原则上对作业区进行整块切分，使每一无人机覆盖作业区其中一块的网格。
[0083]
如果数量小于第一阈值，规划测量航线，确定每一无人机需要覆盖的网格时，使每一无人机需要覆盖的网格间隔设置，按两个无人机一组的方式，将覆盖网格相邻的两个无人机划分为同一组。如图3所示，例如1号无人机和2号无人机为一组，3号无人机和4号无人为一组。
[0084]
步骤s5中，还根据航拍影像的成像质量情况更新地形成像概率数据库，具体的，统计同种无人机在相同气象条件下，相同地形的网格，成像质量满足需求和不满足需求的数量，再计算每种地形的网格在相同气象条件下，出现成像质量不满足需求的概率。本实施例中，相同气象条件指风速、云层类型、云层高度、光照强度、气温处于相同的区间内。各区间
需要根据实际情况进行设置，例如风速区间需要参考无人机的抗风能力。
[0085]
如果不满足需求概率高于70％的网格数量大于第二阈值且小于第一阈值，按照实施例一的步骤s5规划复测航线；
[0086]
如果不满足需求概率高于70％的网格数量小于第一阈值时，将由同组一无人机得到的标记网格发送至同组的另一无人机，同组的另一无人机在飞行至标记网格的相邻网格时，从相邻的网格飞行至标记的网格进行拍摄，再返回相邻的网格，或继续沿同组一无人机的任务航线飞行至下一网格并拍摄，再返回本机任务航线的网格。如图4所示，例如2号无人机拍摄 i4网格被标记，即2号无人机拍摄的i4网格航拍影像的成像质量不满足需求，1号无人机在原有任务航线的基础上，从i3网格飞行至i4网格进行拍摄，继续沿2号无人机的任务航线飞行至j4网格拍摄，再返回j3继续原任务航线飞行。
[0087]
在不满足需求概率高于70％的网格数量小于第一阈值时，采取发现成像质量不满足需求的航拍影像，及时由同组的无人机进行补拍的方式，可以有效节约测量时间。
[0088]
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。