本發(fā)明涉及一種采集高清路面圖像的航空攝影方法，尤其涉及一種用于固定翼無人機采集高清路面圖像的航空攝影方法，屬于航空攝影領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國高速公路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，道路運營里程飛速增長，人們對于獲取道路信息的需求日益增加。以固定翼無人機為平臺的空基路面信息采集系統(tǒng)相比傳統(tǒng)車載路面信息采集系統(tǒng)成本低、采樣范圍大、效率高、使用方便且不影響交通，從而有較好的應用前景。近年來，固定翼無人機航攝已經(jīng)應用在了包括地圖測繪、電力巡線和災害應急在內(nèi)的多個領(lǐng)域。固定翼無人機航攝的基本方式是將數(shù)碼相機搭載在無人機上，讓無人機沿著預設(shè)航跡自動飛行，通過控制系統(tǒng)來管理相機的拍攝任務。然而，針對無人機平臺的特點，采集路面圖像的實施過程中仍存在任務規(guī)劃困難、相機標定方法復雜、成像質(zhì)量不高等問題，從而使空基航攝具體實施起來困難多、耗時長、成本高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開的一種用于固定翼無人機采集高清路面圖像的航空攝影方法，要解決的技術(shù)問題是提供一種采集高清路面圖像的航空攝影方法，具有實施簡便、效率高、成本低、成像質(zhì)量高的優(yōu)點。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。

本發(fā)明公開的一種用于固定翼無人機采集高清路面圖像的航空攝影方法，包括如下步驟：

步驟1：拍攝控制與補償。

基于拍攝保障系統(tǒng)實現(xiàn)拍攝控制與補償，所述的拍攝保障系統(tǒng)包括拍攝設(shè)備、航攝控制器、云臺和自駕儀。

所述的步驟1具體實現(xiàn)方法為：

步驟1.1：通過航攝控制器給出拍攝設(shè)備拍攝信號，控制拍攝設(shè)備開拍、連拍和停拍，并記錄拍攝設(shè)備的執(zhí)行情況以及相片信息。航攝控制器通過快門線發(fā)送形式為pwm波的快門釋放控制信號來控制拍攝設(shè)備連續(xù)拍攝，且控制信號的“開始/停止”由自駕儀控制。

步驟1.2：通過云臺為拍攝設(shè)備提供較為穩(wěn)定的拍攝條件，補償因固定翼無人機在飛行過程中姿態(tài)產(chǎn)生變化而引起的干擾。為拍攝設(shè)備裝配合適的舵機云臺，自駕儀根據(jù)自身的姿態(tài)信息控制舵機轉(zhuǎn)動，補償固定翼無人機飛行過程中姿態(tài)變化以消除對于拍攝設(shè)備拍攝角度的干擾。

步驟2：計算圖像橫向視場長度，根據(jù)道路模型設(shè)定視場長度閾值，若長度滿足視場長度閾值則執(zhí)行單航線航攝任務，否則執(zhí)行多航線航攝任務。

所述的道路模型為dn+10，d為單條車道寬度，n為目標道路的車道數(shù)。

步驟2具體實現(xiàn)方法如下：

步驟2.1：計算圖像橫向視場長度；

根據(jù)圖像橫向分辨率m，像素密度ρ(點/cm)和圖像橫縱比k，計算圖像橫向視場長度a(m)和圖像縱向視場長度b(m)，計算公式如下：

步驟2.2：根據(jù)道路模型設(shè)定視場長度閾值，若長度滿足視場長度閾值則執(zhí)行單航線航攝任務，否則執(zhí)行多航線航攝任務。

步驟2.2具體實現(xiàn)方法為：

步驟2.2.1：若a≥dn+10，d為單條車道寬度，n為目標道路的車道數(shù)。則采集單航線備選航跡點，即沿著目標道路中間車道采集位置點作為單條航線的備選航跡點。

步驟2.2.2：若a<dn+10，則采集多航線備選航跡點。選取適當?shù)能嚨罃?shù)s，使a≥3.75s+10成立，將每s條車道作為單條航線的目標道路。沿著每條航線目標道路的中間車道采集位置點作為每條航線的備選航跡點。

步驟3：規(guī)劃無人機飛行航線信息，預設(shè)航攝任務航線。

步驟3.1：采集目標道路的位置點，將位置點進行篩選后，作為固定翼無人機飛行的航跡點。

所述的采集目標道路的位置點優(yōu)選gps或北斗實現(xiàn)。

步驟3.2：計算固定翼無人機的飛行高度，并將計算的固定翼無人機的飛行高度與預設(shè)閾值進行比較判斷，若超出預設(shè)閾值范圍則調(diào)整鏡頭焦距并重新計算。

步驟3.2中計算固定翼無人機的飛行高度具體計算方法如下：

根據(jù)圖像橫向視場長度a(m)，拍攝設(shè)備攝像角θ1(deg)，云臺精度θ2(deg)和無人機飛行高度誤差e(m)計算固定翼無人機的飛行高度h，計算公式如下:

步驟3.3：計算固定翼無人機的飛行速度，并將計算的固定翼無人機的飛行速度與預設(shè)閾值進行比較判斷，若超出預設(shè)閾值范圍則改變拍攝設(shè)備的拍攝頻率并重新計算。

步驟3.3中計算固定翼無人機的飛行速度具體計算公式如下：

其中，α為圖像重合度(％)；a、b分別為圖像橫、縱視場長度(m)；h為無人機飛行高度(m)；e為無人機飛行高度誤差(m)；θ1為拍攝設(shè)備攝像角(deg)；θ2為拍攝設(shè)備云臺精度(deg)；c為無人機偏航距離(m)；v2為拍攝設(shè)備連拍頻率(hz)，首次計算取拍攝設(shè)備的最大連拍頻率。

步驟3.4：上傳航跡點到自駕儀并設(shè)置相應的飛行高度和飛行速度，生成任務航跡。若有多條航跡，還需要為其添加若干“過渡航跡”連接相鄰兩條航跡，“過渡航跡”的轉(zhuǎn)彎半徑不小于預設(shè)的無人機最小轉(zhuǎn)彎半徑，且平滑地與兩條航跡相接。

步驟4：拍攝設(shè)備的設(shè)置，包括數(shù)碼相機和配套鏡頭設(shè)置。

步驟4.1：設(shè)置數(shù)碼相機。根據(jù)任務需求靈活設(shè)置數(shù)碼相機，將相機的內(nèi)部設(shè)定調(diào)整為適合航空攝影的狀態(tài)。將設(shè)置內(nèi)容保存，每次任務前重新載入即能夠避免重復檢查。

步驟4.2：設(shè)置配套鏡頭。出于安全考慮，航空攝影固定翼無人機高度不宜過低，而且固定翼無人機的飛行高度也會存在波動，因此將普通數(shù)碼相機鏡頭對焦在“無窮遠”處。

步驟5：固定翼無人機按照預設(shè)航跡飛行，自駕儀控制云臺轉(zhuǎn)動為拍攝設(shè)備提供較為穩(wěn)定的拍攝條件；自駕儀給航攝控制器發(fā)出拍攝開始信號，而后航攝控制器控制拍攝設(shè)備連續(xù)拍攝以采集路面圖像信息。

有益效果：

本發(fā)明公開的一種用于固定翼無人機采集高清路面圖像的航空攝影方法，僅需要從任務要求、拍攝裝置、飛行平臺等方面出發(fā)，結(jié)合道路模型、圖像橫向視場長度計算方法、飛行高度計算方法和飛行速度計算方法，能夠規(guī)劃出獲得高質(zhì)量航攝高清路面圖像的飛行航線，再加上飛行過程中的航攝控制，給出用于固定翼無人機采集高清路面圖像的航空攝影方法。因此，本發(fā)明易于操作、效率高，充分滿足現(xiàn)下用固定翼無人機獲得高清路面圖像的需求，便于對路面情況進行分析，以此進行高效地管理和檢修。

附圖說明

圖1為拍攝保障系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明公開的一種用于固定翼無人機采集高清路面圖像的航空攝影方法流程圖；

圖3為過渡航跡示意圖；

圖4為拍攝鏡頭定焦方法示意圖；

圖5為分辨率標靶清晰度對比圖；其中：圖5(a)為鏡頭對焦嚴重偏離“無窮遠”處時所拍攝的分辨率標靶，圖5(b)為鏡頭對焦輕微偏離“無窮遠”處時所拍攝的分辨率標靶，圖5(c)為鏡頭對焦在“無窮遠”處時所拍攝的分辨率標靶。

圖6為采用本方法拍攝出的高清實例圖。

具體實施方式

為驗證本發(fā)明公開的一種用于固定翼無人機采集高清路面圖像的航空攝影方法的可行性和有益效果，下面在本發(fā)明實施例中將對技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

實施例1：

如圖2所示，本實施例公開的一種用于固定翼無人機采集高清路面圖像的航空攝影方法，包括如下步驟：

步驟1：基于拍攝保障系統(tǒng)實現(xiàn)拍攝控制與補償。

所述的拍攝保障系統(tǒng)為拍攝設(shè)備提供云臺和控制手段，包括拍攝設(shè)備、航攝控制器、云臺和自駕儀，如圖1所示。

步驟1.1：選用單片機開發(fā)板作為航攝控制器，通過快門線發(fā)送形式為pwm波的快門釋放信號來控制拍攝設(shè)備的拍攝。拍攝設(shè)備連拍的頻率可以修改，且航攝控制器信號“開始/停止”由自駕儀控制。航攝控制器在給拍攝設(shè)備連續(xù)發(fā)送拍攝指令的同時，記錄下拍攝時間、姿態(tài)信息等，并通過拍攝設(shè)備熱靴反饋拍攝設(shè)備是否拍攝成功。

步驟1.2：為拍攝設(shè)備裝配合適的舵機云臺，自駕儀可根據(jù)自身的姿態(tài)信息控制舵機轉(zhuǎn)動，以此來控制云臺補償固定翼無人機飛行過程中姿態(tài)變化對于拍攝設(shè)備拍攝角度的干擾。

步驟1.3：用測角儀測量拍攝設(shè)備的姿態(tài)，通過修改自駕儀控制云臺轉(zhuǎn)動角度與發(fā)出pwm信號之間的關(guān)系，提高云臺對拍攝設(shè)備姿態(tài)補償?shù)臏蚀_度。

步驟2：計算圖像橫向視場長度，根據(jù)道路模型設(shè)定視場長度閾值，若長度滿足視場長度閾值則執(zhí)行單航線航攝任務，否則執(zhí)行多航線航攝任務。

所述的道路模型為dn+10，根據(jù)任務選取d＝3.75，n＝2。

步驟2具體實現(xiàn)方法如下：

步驟2.1：計算圖像橫向視場長度；

根據(jù)圖像橫向分辨率m＝7360，像素密度ρ＝2.9和圖像橫縱比k＝1.5，計算圖像橫向視場長度a和圖像縱向視場長度b，計算公式如下：

根據(jù)計算結(jié)果，選取a＝25.4，b＝10.5。

步驟2.2：根據(jù)道路模型設(shè)定視場長度閾值為17.5m，若長度滿足視場長度閾值則執(zhí)行單航線航攝任務，否則執(zhí)行多航線航攝任務。在本實施例中，a滿足步驟2.2.1中條件，因此選用采集單航線備選航跡點的方案。

步驟2.2具體實現(xiàn)方法為：

步驟2.2.1：若a≥17.5。則采集單航線備選航跡點，即沿著目標道路中間車道采集位置點作為單條航線的備選航跡點。

步驟2.2.2：若a<17.5，則采集多航線備選航跡點。選取適當?shù)能嚨罃?shù)s，使a≥3.75s+10成立。將每s條車道作為單條航線的目標道路，沿著每條航線目標道路的中間車道采集位置點作為每條航線的備選航跡點。

步驟3：規(guī)劃無人機飛行航線信息，預設(shè)航攝任務航線。

步驟3.1：采集目標道路的位置點，從航線的備選航跡點中篩選出航跡點作為固定翼無人機飛行的航跡點，使兩個航跡點之間保持合理距離，且確保轉(zhuǎn)彎半徑不小于無人機的最小轉(zhuǎn)彎半徑。

所述的采集目標道路的位置點選gps實現(xiàn)。

步驟3.2：計算固定翼無人機的飛行高度，并將計算的固定翼無人機的飛行高度與預設(shè)閾值進行比較判斷，若超出預設(shè)閾值范圍則調(diào)整鏡頭焦距并重新計算。

步驟3.2中計算固定翼無人機的飛行高度具體計算方法如下：

根據(jù)圖像橫向視場長度a，拍攝設(shè)備攝像角θ1＝28.5，云臺精度θ2＝5和無人機飛行高度誤差e＝10，計算固定翼無人機的飛行高度h，計算公式如下：

根據(jù)計算結(jié)果，選取h＝50，滿足本實施例中無人機的飛行高度條件。

步驟3.2.1：若由于各種原因，無人機飛行高度無法達到h，則可增大拍攝設(shè)備攝像角，即減小焦距。

步驟3.2.2：若由于h過低而使無人機無法飛行，則可減小拍攝設(shè)備攝像角，即增大焦距。

步驟3.3：計算固定翼無人機的飛行速度，并將計算的固定翼無人機的飛行速度與預設(shè)閾值進行比較判斷，若超出預設(shè)閾值范圍則改變拍攝設(shè)備的拍攝頻率并重新計算。

步驟3.3中計算固定翼無人機的飛行速度具體計算方法如下：

根據(jù)圖像重合度α＝40；圖像橫、縱視場長度a、b；無人機飛行高度h；無人機飛行高度誤差e；拍攝設(shè)備攝像角θ1；拍攝設(shè)備云臺精度θ2；無人機偏航距離c＝5；拍攝設(shè)備連拍頻率v2＝3，計算固定翼無人機的飛行速度v1，計算公式如下：

根據(jù)計算結(jié)果，選取v1＝27.7，滿足本實施例中無人機的飛行速度條件。

步驟3.3.1：若無人機飛行速度無法達到v1，則可減小拍攝設(shè)備的拍攝頻率并返回步驟3.3。

步驟3.3.2：若由于v1過低而使無人機無法飛行，則可增大拍攝設(shè)備的拍攝頻率并返回步驟3.3。如果拍攝頻率已達拍攝設(shè)備極限，則考慮更換拍攝設(shè)備。

步驟3.4：上傳航跡點到自駕儀并設(shè)置相應的飛行高度和飛行速度，生成任務航跡。若有多條航跡，還需要為其添加若干“過渡航跡”連接相鄰兩條航跡，“過渡航跡”的轉(zhuǎn)彎半徑不小于1.6倍的無人機最小轉(zhuǎn)彎半徑，且平滑地與兩條航跡相接，如圖3所示。

步驟4：拍攝設(shè)備的設(shè)置，包括數(shù)碼相機和配套鏡頭設(shè)置。

步驟4.1：設(shè)置數(shù)碼相機。為使相機可在固定翼無人機航攝上應用，需要對相機進行特別的設(shè)置。主要設(shè)置內(nèi)容包括圖像查看、存儲文件夾、主插槽選擇、圖像品質(zhì)、影像區(qū)域和文件命名等。此外，設(shè)置顯示屏在工作過程中保持熄滅狀態(tài)以節(jié)省電量；設(shè)置全部空間用于存儲；設(shè)置編號便于處理；設(shè)置單張圖像大小和格式保證圖像質(zhì)量等。其他相關(guān)的拍攝設(shè)置要根據(jù)任務需求和具體條件合理設(shè)置。將設(shè)置內(nèi)容保存，每次任務前重新載入即可避免重復檢查。

步驟4.2：設(shè)置配套鏡頭。將相機鏡頭對準平行光管內(nèi)的分辨率標靶，調(diào)整拍攝鏡頭直至拍攝圖像內(nèi)標靶內(nèi)容清晰。圖4為拍攝設(shè)備定焦方法示意圖，光源照射在分辨率標靶上，光線透過標靶通過平行光管形成平行光在相機內(nèi)成像，調(diào)節(jié)相機對焦環(huán)使拍攝出的相片里標靶內(nèi)容清晰后固定對焦環(huán)，圖5為分辨率標靶清晰度對比圖。

步驟5：固定翼無人機執(zhí)行采集任務。

步驟5.1：固定翼無人機起飛，調(diào)整航向和飛行高度，為進入航線做準備。自駕儀控制云臺轉(zhuǎn)動為拍攝設(shè)備提供較穩(wěn)定的拍攝條件。

步驟5.2：無人機進入任務航線后沿著航線按預設(shè)高度與速度飛行，自駕儀給航攝控制器發(fā)出“開始”信號，航攝控制器控制拍攝設(shè)備連續(xù)拍攝，采集路面圖像。

步驟5.3：固定翼無人機完成任務航線后返航，自駕儀給拍攝控制器發(fā)出“停止”信號。

步驟5.4：無人機降落，取出拍攝設(shè)備和拍攝控制器的存儲卡，即可從存儲卡中得到高清路面圖像及其相關(guān)數(shù)據(jù)。圖6為通過本實施例所述方法實際得到的高清路面實例。

以上所述的具體描述，對發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。