消费型旋翼无人机单镜头灵活角度倾斜摄影构建地形模型方法研究

论文摘要

随着无人机和计算机软硬件技术的不断发展,无人机倾斜航摄构建高精度地形模型在多个领域被广泛应用。消费型旋翼无人机在低空航空摄影测量中具有成本低、易操控、低空无需申请空域、镜头角度可任意调节等优势,能够机动灵活的在复杂地形和空域进行作业。利用消费型旋翼无人机镜头的灵活性,研究针对不同地形,不局限专业倾斜航摄仪固定角度和方向的航摄方法,单镜头多方位倾斜摄影构建地形模型。分析讨论不同航摄方法在不同数量控制点时构建地形模型所能达到的精度,为减少工作量、提高精度、节约成本提供方法参考。通过分析倾斜摄影几何原理和构建地形模型的关键技术,论证了单镜头倾斜摄影构建模型的可行性,研究了控制点布设方法与建立了倾斜角度与航摄参数的基础计算模型,利用消费型无人机大疆精灵4Pro单镜头灵活角度对不同高差地形使用多种不同的倾斜航摄方案,配合不同数量的控制点使用SfM-MVS（structure from motion with multi-view stereo）方法构建地形模型和分析其精度。从倾斜角度、方向、航摄区域、航高以及控制点布设进行倾斜航摄方法分析,对城市建设形成的堆积体地形提出利用70°和45°倾斜交叉航摄方法构建模型;对丘陵沟壑地形提出减少不必要的航摄方向和区域模拟常规45°倾斜航摄、近似垂直坡面倾斜航摄和不同航高航摄构建模型,航摄过程推导出不同航摄方法倾斜角与航摄参数的计算关系模型。对不同航摄方法在不同数量控制点时构建的地形模型进行精度分析,总结出对不同地形合适的航摄方法和控制点布设方案。研究结果表明:1)起伏较小的堆积体地形适合使用70°倾斜交叉航摄构建模型、在只有四角加中心5个控制点时相对于垂直下视航摄能够提高高程精度和体积测量精度,具有更丰富的纹理特征;2)起伏大的丘陵沟壑地形,在常规五方向倾斜航摄的基础上合理减少航摄方向和区域,能够构建高精度地形模型;近似垂直于侧立坡面倾斜航摄相对于常用45°倾斜具有更好的模型精度,少量控制点时尤为明显;不同航高航摄能够提高地面分辨率,但在一定程度上精度并未提高;3)倾斜航摄相对于垂直下视主要可提高高程精度,丘陵沟壑地形在只做坡顶5个控制点,无需谷底控制点倾斜航摄时都可达较高精度。消费型旋翼无人机利用单镜头灵活角度可优化改进传统倾斜摄影方法,对不同地形制定不同角度、方向和航摄区域的倾斜航摄方案,在少量控制点时具有更合理精度和更少的数据量,能够降低经济成本和技术要求。提出的倾斜航摄方法和控制点布设方式对生产实践中构建不同精度地形模型具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•     1.1.1 消费型旋翼无人机的兴起和特点
•     1.1.2 倾斜摄影测量定义
•     1.1.3 计算机视觉技术的进步
•     1.1.4 地形模型生产及应用
•   1.2 国内外发展研究现状
•     1.2.1 倾斜摄影技术的国内外研究现状
•     1.2.2 无人机倾斜摄影技术的发展和研究现状
•     1.2.3 消费型无人机航空摄影技术研究现状
•     1.2.4 研究现状分析
•   1.3 研究目的和意义
•   1.4 研究内容和方法
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 研究方法
•   1.5 文章主要组织结构
• 第二章 倾斜航摄方法及构建模型方法研究
•   2.1 无人机倾斜摄影测量
•     2.1.1 倾斜摄影测量特点
•     2.1.2 倾斜摄影测量几何原理
•     2.1.3 倾斜摄影三维建模关键技术
•     2.1.4 SfM-MVS数据处理方法
•     2.1.5 单镜头多角度倾斜摄影可行性分析
•   2.2 航摄参数
•     2.2.1 航摄参数计算
•     2.2.2 倾斜摄影航摄参数分析与计算
•     2.2.3 相机参数分析与曝光方法确定
•   2.3 航摄及建模流程确定
•   2.4 本章小结
• 第三章 消费型旋翼灵活角度倾斜摄影构建地形模型
•   3.1 试验材料与选区
•     3.1.1 试验设备介绍
•     3.1.2 试验选区及概况
•   3.2 控制点布设
•     3.2.1 控制点布设原则与方法
•     3.2.2 试验区控制点布设和测量
•   3.3 堆积体地形试验区航摄
•     3.3.1 航摄方法分析
•     3.3.2 航摄参数计算与航摄
•   3.4 丘陵沟壑地形试验区航摄
•     3.4.1 常规固定角度多方向倾斜航摄方法分析与参数计算
•     3.4.2 近似垂直于坡面倾斜航摄方法分析与参数计算
•     3.4.3 变航高航摄方法分析与参数计算
•     3.4.4 航摄参数设置与航摄
•   3.5 数据处理构建模型
•     3.5.1 PhotoScan数据处理建模主要流程
•     3.5.2 不同试验区数据处理建模关键技术点
•   3.6 本章小结
• 第四章 试验结果分析与评价
•   4.1 堆积体地形试验区结果分析
•     4.1.1 相对精度分析
•     4.1.2 绝对精度分析
•     4.1.3 地形模型面积与体积量测分析
•   4.2 丘陵沟壑地形试验区结果分析
•     4.2.1 相对精度分析
•     4.2.2 绝对精度分析
•     4.2.3 点云模型纹理分析
•     4.2.4 地形模型细节分析
•   4.3 结果评价
•   4.4 本章小结
• 结论与展望
•   1、结论
•   2、不足及展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 梁石

导师: 刘万青

关键词: 消费型旋翼无人机,地形模型,倾斜摄影,航摄方法

来源: 西北大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 西北大学

分类号: P231

DOI: 10.27405/d.cnki.gxbdu.2019.000088

总页数: 87

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