[发明专利]一种基于图像拼接的无人机航拍建图方法

摘要

本发明涉及一种基于图像拼接的无人机航拍建图方法，一是通过无人机拍摄的视频图像，结合飞行数据中的前向速度和俯仰角等参数，并结合相机参数中的分辨率和帧率等参数生成一幅大的地图；二是根据飞行数据中的高度、经纬度、偏航角等参数，并结合相机参数中的焦距计算上一步得到的地图上每一个像素点的地理坐标。本发明采用图像直接拼接的方法，即无人机以折返的方式覆盖整个任务区域，飞行过程中相机光轴垂直于无人机所在平面指向地面拍摄视频，取视频里每帧图像垂直于飞行方向的中间若干行，相当于无人机“扫描”了整个任务区域；然后将这些“若干行”拼接起来得到整个任务场景的地图，最后结合经纬度信息构建矢量地图。

主权项

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，假设一共有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roll，绕y轴为俯仰角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。