[发明专利]一种基于图像拼接的无人机航拍建图方法

权利要求书

1.一种基于图像拼接的无人机航拍建图方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对无人机搭载的摄像头进行标定，获取相机的内参数，所述的内参数包括焦距和畸变参数；并设置相机包括帧率和分辨率c×d；

步骤2：从无人机采集的视频数据中提取每一帧图像，一共有m帧图像，根据标定结果对m帧图像进行去畸变处理；

步骤3：接收无人机的飞行数据，其中包括飞行高度、经纬度以及无人机本体坐标系下的前向飞行速度和三个姿态角；所述无人机本体坐标系的X轴为无人机前进方向，z轴垂直无人机平面向下，坐标系符合右手建系准则；绕x轴为滚转角θ_roll，绕y轴为俯仰角θ_pitch，绕z轴为偏航角yaw；

步骤4：由前向飞行速度确定每帧图像中应提取的行数：

n_i＝k_i·v_i,i＝1,2，…,m (1)

式中，v_i为每帧图相对应的前向飞行速度；比例系数k_i为行速比，由下面公式确定：

式中，h_i为飞行高度，f_ps为相机帧率，ξ为相机视场角；由于n_i为小数，所以对其取整：

nz_i＝floor(n_i),i＝1,2,…,m (3)

式中，floor为向下取整函数，定义行数余量为：

en_i＝n_i-nz_i,i＝1,2,…,m (4)

定义动态累积误差：

s_i＝s_i-1+en_i,i＝1,2,…,m (5)

动态累积误差的初值s₀为零，当s_i大于等于1时，nz_i自增1，同时s_i自减1；当s_i小于1时，nz_i与s_i保持不变；

步骤5：假设从第i帧图像的第g_i行开始取，取到第g_i+nz_i-1行组成细胞图；将g_i近似看成俯仰角的线性函数：

式中，l为作行俯比，由分辨率决定：

l＝2·c·(1±30％) (7)

步骤6：引入滚转角对细胞图进行修正：

上式表示对第i个细胞图整体向右移动个像素，以使其与相邻细胞图对齐；修正参数k^p与相机的分辨率和视场角ξ有关：

步骤7：假设平面α是成像平面，平面β是地面，O是摄像机光心，A是无人机在地面上的投影点，C是细胞图的像素中心点，D是细胞图中的某一像素点，B是点D在地面的投影点；根据相机小孔成像模型可知，三角形OAB和三角形OCD是相似三角形；设OA＝h，h是无人机的飞行高度；OC＝f，f是无人机上搭载的相机的焦距；DC是两个像素点之间的欧式距离，式中(x_C，y_C)，(x_D，y_D)分别为C、D两点的像素坐标；于是可通过相似比得到AB之间的距离，记AB＝a，则有：

假设点A对应的经纬度是(p_A，q_A)，射线AB与A点所在的纬线的夹角是η，由下面公式求得：

η＝ω+ζ (11)

公式中ω为细胞图对应的偏航角，ζ是DC与无人机坐标系y轴的夹角，

则AB在经线和纬线上的投影分别是：

a_x＝asinη，a_y＝acosη (12)

纬度1°对应的距离是l_o＝1.11×10⁶m，经度1°对应的距离是l_a＝l_ocosq_A；记点B相对于点A的经纬度差是(δ_y，δ_x)，则：

于是得到点B的经纬度：

(p_B,q_B)＝(p_A,q_A)+(δ_y,δ_x) (14)

利用上述方法得到细胞图上每一个像素点的经纬度坐标，从而得到了矢量细胞图；

步骤8：将矢量细胞图依次连接生成矢量地图，该地图的分辨率为n×d，其中n为：

n＝nz₁+nz₂+…+nz_m,i＝1,2,…,m (15)

步骤9：无人机直线飞行时，可通过步骤4～7生成矢量地图；无人机经过r次转弯，能得到r+1个这样的矢量地图；第j次转弯的相邻两个矢量地图之间的夹角如下：

δω_j＝ω_j+1-ω_j,j＝1,2,…,r (16)

式中，ω_j为第j个矢量地图的偏航角，将无人机第j次转弯时在相邻两个矢量地图上的投影点设为不动点，记为O_j，将相邻两个图上的O_j重合，夹角为δω_j，至此完成了相邻两个矢量地图的拼接，依次将r+1个矢量地图拼在一起可得到整个任务场景的地图。