面向复杂坡面地形航摄的无人机优视航摄面提取算法研究_刘学人.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：刘学人（），男，甘肃庄浪人，高级工程师，硕士，年毕业于武汉大学摄影测量与遥感专业，主要从事测绘与地理信息相关技术应用与研究工作。面向复杂坡面地形航摄的无人机优视航摄面提取算法研究刘学人，宜 恒，刘 康（中煤航测遥感集团有限公司，陕西 西安）摘要：针对自然坡面、人工边坡及滑坡、崩塌地带等复杂坡面地形研究提取一种与复杂坡面地形相适应的无人机优视航摄面，用来解决无人机影像数据采集过程中分辨率不均及采集精度不均的问题。文中通过研究坡面 的地细节化处理方法、简化模型顶点聚类、基于法矢约束的样点采样算法以及空间平面处理算法，实现了优视航摄优视面的计算提取。关键词：优视摄影测量；坡面航摄基准面；地形重要度调整中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，（），）：，：；引 言自然坡面、人工边坡及滑坡、崩塌地带等坡面区域，均存在着大量的安全隐患，每年都会造成大量人员伤亡和社会经济损失，对其有选择地实施长期的周期性观测是排除坡面区域安全隐患最为有效的手段之一，这也使得各种无人机坡面监测技术得到了广泛的应用。坡面区域多呈立体多面性，无人机坡面航摄规划需要充分考虑坡度差、多面性的影响，而传统的航摄模式满足不了坡面航摄监测要求，因此需要研究建立与坡面形态相适应的无人机航摄优视面，为无人机航线规划提供良好的视角面。本文对优视摄影面的定义是在李清泉院士提出的优视摄影测量的基础上进行的，具体是指以目标区域 为规划依据，通过地形特征点采样聚类、可视化分析等处理，优化选出适配场景对象空间几何结构并符合实景三维重建要求的无人机航摄视角的飞行平面，简称优视面。如图 所示为飞行优视摄影面提取技术流程。坡面 模型简化坡面区域一般是由多个不用坡度、不同坡向及不用坡面曲率组合的复合坡面地形，原始 顶点数量过于密集，且其中包含了一些在坡面形态表达中无关紧要的几何元素，为简化坡面地形的复杂性，需要针对坡面区域图 飞行优视摄影面提取计算流程 的微观坡面特征进行低细节调整，如突高、较小凹陷面和坡度差较小的复合坡。本文在已有的 地形网格简化算法的基础上研究了顶点删除法，并引入了一种基于地形特征重要度的调整方法，着重于将坡面突出细节特征进行去细节化调整，从而建立起坡面形态简化模型。顶点删除法该算法的基本思想是：在三角形网格模型中，首先判定一个顶点与跟它相关联的相邻三角形面片是否可以共面，如果能够共面并且删除这一顶点不会造成网格拓扑结构的改变，那么就可以将这一顶点及其相邻的三角面片删除，同时采用递归循环分割法对删除后产生的空洞进行三角剖分。基于地形重要度调整的顶点删除法为了表达坡面的轮廓形状，彻底删除坡面复杂因素，实现原始数据的高度简化，本文加入了对地形重要度的考虑，提出了改进的顶点删除法。基于地形特征重要度调整的顶点删除算法流程，如图 所示。图 基于重要度调整的顶点删除流程图 基于简化模型的坡面基准面提取算法针对坡面地形的多面性，需要多组平面拟合数据以实现坡平面基准的生成；本文在坡面形态简化模型的基础上，通过基于法矢方向约束的聚类算法和基于最小二乘法的平面拟合来实现坡平面基准的提取。首先利用聚类算法对满足同一坡面内的顶点进行聚类采样，然后作为坡平面生成的样点数据进行平面拟合计算。优视航摄面的计算优视航摄面是航线敷设的基础参数，可以使无人机在面向坡面航摄过程中保持良好的视距，确保无人机能够均等分辨率地采集坡面影像信息，因此，航摄优视平面的规划至关重要。本文在上节获得坡平面参数的基础上根据目标坡面区域内所有坡平面的空间分布来计算得到实际坡面片边线，并将平面相似度较高的相邻坡面片加权合并，以在目标区域形成多个平面片组，并将其作为航摄优视面。多向坡平面参数计算方法拟合得到每个坡平面对应的平面表达式、法向量及坡平面内点，根据这些参数可以进一步计算确定每个坡平面上在目标区域内实际拟合的范围，即坡面片，具体计算过程如下：）计算坡平面之间的交线，将交线作为坡平面之间的分割线对所有坡平面进行切割；）分别过目标区域的每条边界线，沿铅锤方向作铅锤面，形成闭合的棱柱侧面，利用棱柱侧面对所有坡平面进行切割；）通过平面交线和棱柱侧面的切割在目标范围内得到很多平面片，将各平面内点所在的平面片作为目标坡面片形成多向坡平面；）根据空间几何法分别计算由坡面内点所在的坡面片与棱柱侧面的交线和交点，作为坡平面的边界线和边界点；计算相邻坡平面之间的交线作为坡平面分界线。相邻坡平面片加权合并对于相邻的 个坡面片是否需要合并，需要设定 个条件：）面积较小坡面片上的点与面积较大坡面片所在平面的的最大距离是否在阈值范围内；）两坡面片法向量夹角不能大于一定值，如可将航摄相机的允许视差最大值 作为距离阈值。如图 所示，、为复合坡平面模型中的 个相邻坡面片（），其平面单位法向量分别为、：图 相邻坡面片中小坡面上最远点距约束 第 期刘学人等：面向复杂坡面地形航摄的无人机优视航摄面提取算法研究根据设定条件，分别计算坡面片 各边界点至坡面片 所在平面的距离，判断 是否在设定的阈值范围内，若 大于阈值，则 个坡面片不允许合并；若小于，且法向量夹角满足要求，则认为 个坡面片允许合并。如果将小坡面片直接沿交线旋转合并至大坡面，会大大增加坡平面对坡面区域的拟合误差，所以很不合理，因此，本文对于允许合并的相邻坡面片，将其面积的大小作为两坡面片沿交线旋转的角权重，并以此获得合并后更为合理的平面参数。分别计算需要合并的相邻坡面片的面积、，得大坡面片 旋转的角权重为，小坡面片 旋转的角权重为，则合并后的新坡平面片（设）的法向量为：（）由此可确定其所在平面的平面参数（，）；另外，可根据坡面片、的交线与合并坡平面片空间关系确定平面参数。确定合并坡面片的空间表达式后，需重新计算与各坡平面片的边线及边界点。飞行优视平面计算将前面形成的与坡面区域相对拟合的多向坡平面作为无人机航摄基准面，确定无人机航摄相对航高 后，将复合坡平面沿铅锤方向移动 便可得到目标区域的多向飞行平面，其飞行平面的空间表达式分别为：（）：（）：（）（）其中 为无人机相对坡面的飞行高度，；每个优视平面对应的法向量与坡平面的法向量一致，飞行优视平面片边线及面域大小均可由坡面片计算获得。根据以上理论总结基于坡平面的飞行优视摄影面生成流程如图 所示。图 基于坡平面的飞行优视摄影面计算流程 实验与分析为了验证优视摄影面的科学合理性，本文分别采用基于优视摄影面的航测方法与传统航测方法对坡面区域进行了影像数据采集以及坡面实景三维重建，并对其精度进行了评定。本文以陕北地区某坡面区域为实验测区进行坡面航摄，并用同名检查点分别对成果模型进行了精度检测。）传统航测及模型重建将坡面最高点和最低点的平均高程面作为航摄基准，根据硬件参数以及预设地面分辨率，按照传统的水平飞行面模式进行航线规划并完成三维实景重建。精度统计后平面中误差 ，高程中误差 。）基于优视摄影面航测及模型重建本实验通过 软件在目标坡面区域内计算导出坡面片，建立坡面航摄基准，同时根据与传统方法同样的航摄参数，计算优视摄影面进行曝光点敷设，并导入航线规划软件完成点位串连，完成影像采集及三维重建。精度统计后平面中误差 ，高程中误差 。根据以上精度验证结果可以得出，基于优视摄影面航测得到的成果模型，其检查点精度明显提高，多数点位精度能达到预设地面分辨率的水平。从同比例尺模型效果来看，模型分辨率均匀，由于拍摄角度关系依然存在较小的影像畸变，但成果中模型拉花现象得到改善。结束语本文综合研究了地形重要度调整的顶点删除法、基于法矢方向的顶点聚类采集、坡平面加权合并等算法，创造性地通过坡面 研究出了航摄优视面的提取计算方法，为复杂坡面区域航摄中航线规划提供了数据支持。并且通过实验表明，利用该方法得到的优视摄影面进行航测，能够有效增加三维实景模型精度，同时减少了成果模型中局部地物结构纹理扭曲拉花现象，相较传统航测方法得到的模型，其精度和还原程度更高。参考文献：中国测绘学会，中国科学技术学会 测绘科学与技术学科发展报告青岛：中国测绘学会，中国科学技术学会，李清泉面向实景三维建设的无人机摄影测量新探索武汉：中国测绘年会，王文娟规则格网 的地形特征线提取研究西安：长安大学，肖铭杰，路强，陆亦扬，等基于地形特征重要度的地形网格简化与调整合肥工业大学学报（自然科学版），（）：，王旭东增强现实中的精确化平面识别北京：北京交通大学，李昕基于法矢向量的梯田点云特征面改进提取方法数字技术与应用，（）：，吴光荣，徐昌荣，许宁，等基于法矢提取特征点的改进算法江西理工大学学报，（）：编辑：刘莉鑫 测绘与空间地理信息 年