海拔起伏較大測區無人機影像局部重疊度過高處理的方法與流程
2023-06-16 11:17:36
本發明屬於遙感影像處理技術領域，具體涉及一種海拔起伏較大測區無人機影像局部重疊度過高處理的方法。
背景技術：
無人機航攝技術是繼傳統的航空攝影之後出現的一種新的數字測繪航空攝影技術，相對於傳統航空攝影測量，無人機航攝具有起降靈活、受天氣影響小、成本低的特點。目前，運用低空數碼遙感影像技術生產的正射影像圖(dom)、數字線劃圖(dlg)，可滿足1∶5000、1∶2000和1∶1000等比例尺的精度要求。
pos系統，又稱為imu/dgps系統，可以在傳感器成像過程中實時測量其位置和姿態，獲取影像的外方位元素。無人機航攝多採取等距曝光模式，影像間的重疊度會隨著相對航高的變化而不同。在《低空數字航空攝影規範》ch/z3005-2010規定，無人機航攝像片航向重疊度應為60％～80％，最小不小於53％。在海拔起伏較大地區，為滿足高海拔區域影像重疊度滿足最小要求，則需要設置較近的曝光間距，這可能導致在低海拔地區的影像重疊度過高。當前解決此種問題的方法主要方法為：①增加測區無人機航攝架次，在單架次的的航飛範圍內保持較小的地面海拔差異，以減小重疊度的差異；②不增加測區無人機航攝架次，並保證地面海拔最高點的影像重疊度大於最小值，允許出現局部影像重疊度現象存在。
但方法①增大了無人機航攝的風險(測量海拔較低區域時，無人機航飛高度較低，在山區飛行風險增大)，且增加了無人機航攝的成本；方法②會導致原始影像數據存在大量重疊度過高的冗餘，降低後續的dom製作效率。故亟待找到一種針對對海拔起伏較大測區無人機影像局部重疊度過高處理的方法。
技術實現要素：
本發明的目的是為了解決現有技術的不足，提供一種海拔起伏較大測區無人機影像局部重疊度過高處理的方法，該方法採取免費的全球dem數據作為輔助的地形數據，只需要簡單的參數指定，就能夠在保證所有影像重疊度均高於最小限值的情況下剔除最多的冗餘影像，實現了針對海拔起伏較大測區無人機影像局部重疊度過高的自動處理。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案如下：
海拔起伏較大測區無人機影像局部重疊度過高處理的方法，包括如下步驟：
步驟(1)，下載免費dem數據；
步驟(2)，根據無人機航攝所獲所有像片對應的pos點坐標其中每一張像片有且僅有一個pos點與之對應，由第一個pos點開始，依次計算每個pos點指向其相鄰pos點的向量坐標，並計算相鄰pos點向量之間的夾角；根據設定的航線彎曲度限值將同屬一條航帶的pos點歸組後，由n個pos點共生成m條航帶；之後，以每條航帶的首尾端點作為外接多邊形的角點，生成完全包含所有pos點的最小外接多邊形；
其中生成航帶的具體方法為：以第一個pos點作為第一條航帶的首端點，並從第一個夾角開始，依次比較每個夾角θi和航線彎曲度限值δθ，其中i＝2，3，4，…，n-1，如θi＜δθ，則認為第i個pos點屬於該條航帶，反之，則斷開此航帶，生成新航帶，並將第i-1個pos點作為該條航帶的末端點，第i個pos點作為新航帶的起始點；比較完所有夾角後，將最後一個pos點作為最後一條航帶的末端點；
步驟(3)，以步驟(2)中所獲最小外接多邊形為掩膜，裁剪步驟(1)中所獲dem數據，得到無人機航飛區dem數據；
步驟(4)，讀取步驟(3)中所獲得的無人機航飛區dem數據，計算每個pos點的相對航高，其方法為：
(4.1)讀取dem數據左上角的起始坐標及像元大小，以橫縱像素個數為單位，建立起dem像素坐標與大地坐標之間的轉換關係；
(4.2)將pos點大地坐標(bi，li)轉化為像素坐標(ri，ci)；
(4.3)以最鄰近像元法，取最接近(ri，ci)坐標的dem像素坐標(ri』,ci』)，則該dem像素坐標對應的高程坐標zi』為該pos點對應地面海拔；
(4.4)用該pos點的絕對行高zi減去對應地面海拔高zi』即可獲得相對航高hi，hi＝zi-zi』；
其中，i＝1，2，3，…，n；
步驟(5)，將pos點的大地坐標投影到平面，獲得以米為單位的投影坐標(xi,yi)；根據步驟(4)中計算的相對行高，可獲得改正後的pos點坐標其中，i＝1，2，3，…，n；
步驟(6)，根據步驟(5)得到的每個改正後的pos點坐標計算同一條航帶的第p張像片和第k張像片的像片重疊度，第p張像片對應的pos點坐標為第k張像片對應的pos點坐標為重疊度的計算方法為：
(6.1)計算兩pos點間距
(6.2)計算平均航攝比例尺分母：設相機焦距為f，則平均航攝比例尺分母
(6.3)計算像片的旋偏角σ：根據步驟(2.3)所獲取的航帶，以每條航帶的首尾端點的連線為該航帶所在的線段，計算各航帶所在線段的方向角；設該張像片的航帶的方向角為α，則該像片的旋偏角σ為該張像片pos點坐標中κ值與該張像片的航帶的方向角α的差值，即σ＝κ-α；；
(6.4)計算像片重疊度：設第p張像片在航向方向像幅大小為w，像元大小為u，則第p張像片和第k張像片的像片重疊度為：
步驟(7)，冗餘影像的剔除：根據步驟(6)的計算方法，首先計算第a張像片和第a張相鄰的前一張像片的像片重疊度oa，若oa＞omax，則計算第a張相鄰的後一張像片和第a張相鄰的前一張像片的像片重疊度oi』，並做如下處理：
①若oa』omin，則剔除第a張像片，即剔除第a個pos點對應的像片；
其中，第a張像片所對應的pos點不為航帶的起始點和末端點；omin為自定義的重疊度最小限值；omax為自定義的重疊度最大限值；
步驟(8)，設步驟(7)累計剔除像片總數m，則根據步驟(7)累計剔除像片總數作以下處理：
①若m>0，則重複步驟(7)，進行冗餘影像的剔除；
②若m＝0，則結束冗餘影像的剔除，循環終止，剩餘的像片是已經剔除掉重疊度超限的冗餘像片後的原始像片集，將其作為輸出成果。
進一步，優選的是，步驟(2)具體為：pos數據記錄了像片的6個外方位元素，分別為位置坐標(b,l,z)及旋轉角其中平面位置坐標(b,l)為經緯度形式的大地坐標；具體步驟如下：
(2.1)由第一個pos點開始，依次計算每個pos點指向其相鄰pos點的向量坐標；設第i個點的平面位置為(bi,li),其中，i＝1，2，3，…，n，該點形成的向量坐標為(bi+1-bi,li+1-li)；總數為n的pos點共生成n-1條pos點向量；
(2.2)計算相鄰pos點向量之間的夾角，第i個pos點相鄰向量的夾角為n-1條pos點向量形成n-2個夾角；其中i＝2，3，4，…，n-1；
(2.3)根據設定的航線彎曲度限值將同屬一條航帶的pos點歸組，恢復航帶；以第一個pos點作為第一條航帶的首端點，並從第一個夾角開始，依次比較θi和航線彎曲度限值δθ，如θi＜δθ則認為第i個pos點屬於該條航帶，反之則斷開此航帶，生成新航帶，並將第i-1個pos點作為該條航帶的末端點，第i個pos點作為新航帶的起始點；比較完n-2個夾角後，將第n個pos點作為最後一條航帶的末端點；
(2.4)以每條航帶的首尾端點作為外接多邊形的角點，生成完全包含所有pos點的最小外接多邊形。
進一步，優選的是，生成完全包含所有pos點的最小外接多邊形的具體方法為：
(2.4.1)從第1條航帶的首端點開始，依次連接下一條航帶的首端點，形成連接了m條航帶首端點的折線；
(2.4.2)由第m條航帶的首端點，連接第m條航帶的末端點；
(2.4.3)從第m條航帶的末端點開始，依次連接上一條航帶的末端點；
(2.4.4)由第1條航帶末端點，連接第1條航帶的首端點，形成的閉合多邊形即為完全包含所有pos點的最小外接多邊形。
進一步，優選的是，航線彎曲度限值δθ為15°。
進一步，優選的是，omin為60％。
進一步，優選的是，omax為80％。
本發明的基本思路是：
(1)在pos數據輔助下，獲取測區航飛範圍，並從免費dem數據中裁剪出對應數據，以作為計算影像重疊度所必須的地形參考數據。
(2)在pos數據輔助下，結合地形參考數據，獲得相鄰像片間的重疊度，並智能判斷是否應剔除重疊度過高的冗餘影像，以保證在所有影像重疊度均高於最小限值的情況下剔除最多的冗餘影像。
本發明與現有技術相比，其有益效果為：
本發明能夠在較少參數設置的情況下，完成海拔起伏較大測區無人機影像局部重疊度過大的自動處理。相比傳統的增加航飛架次以降低重疊度差異或允許存在影像冗餘以保證重疊度最小限值等方法，本發明不需要增加額外的航飛架次，就能夠在保證所有影像重疊度均高於最小限值的情況下剔除最多的冗餘影像，通過對原始數據的精簡，可以加快後續dom的製作效率。
本發明方法具有參數設定簡單、不降低dom製作精度的條件下提升其製作效率等特點。經公司對大部分區域為山地類型的雲南省華寧縣測區無人機航飛項目的測試，在航飛的45個架次中，重疊度超限的冗餘像片剔除的比例平均為18％，將dom的製作效率提升了20％以上。
附圖說明
圖1為本發明實施例的總流程圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步的詳細描述。
本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用於說明本發明，而不應視為限定本發明的範圍。實施例中未註明具體技術或條件者，按照本領域內的文獻所描述的技術或條件或者按照產品說明書進行。所用材料或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過購買獲得的常規產品。
本發明技術方案可採用計算機軟體技術實現自動運行。如圖1所示，實施例的技術方案流程包括以下步驟：
海拔起伏較大測區無人機影像局部重疊度過高處理的方法，包括如下步驟：
步驟(1)，根據常見項目區域，下載全球免費dem數據；
步驟(2)，根據無人機航攝所獲所有像片對應的pos點坐標其中每一張像片有且僅有一個pos點與之對應；
pos數據記錄了像片的6個外方位元素，分別為位置坐標(b,l,z)及旋轉角其中平面位置坐標(b,l)為經緯度形式的大地坐標；具體步驟如下：
(2.1)由第一個pos點開始，依次計算每個pos點指向其相鄰pos點的向量坐標；設第i個點的平面位置為(bi,li)，該點形成的向量坐標為(bi+1-bi,li+1-li)；總數為n的pos點共生成n-1條pos點向量；
(2.2)計算相鄰pos點向量之間的夾角，第i個pos點相鄰向量的夾角為n-1條pos點向量形成n-2個夾角；
(2.3)根據設定的航線彎曲度限值將同屬一條航帶的pos點歸組，恢復航帶；以第一個pos點作為第一條航帶的首端點，並從第一個夾角開始，依次比較θi和航線彎曲度限值δθ，如θi＜δθ則認為第i個pos點屬於該條航帶，反之則斷開此航帶，生成新航帶，並將第i-1個pos點作為該條航帶的末端點，第i個pos點作為新航帶的起始點；比較完n-2個夾角後，將第n個pos點作為最後一條航帶的末端點；
(2.4)以每條航帶的首尾端點作為外接多邊形的角點，生成完全包含所有pos點的最小外接多邊形：
(2.4.1)從第1條航帶的首端點開始，依次連接下一條航帶的首端點，形成連接了m條航帶首端點的折線；
(2.4.2)由第m條航帶的首端點，連接第m條航帶的末端點；
(2.4.3)從第m條航帶的末端點開始，依次連接上一條航帶的末端點；
(2.4.4)由第1條航帶末端點，連接第1條航帶的首端點，形成的閉合多邊形即為完全包含所有pos點的最小外接多邊形。
步驟(3)，以步驟(2)中所獲最小外接多邊形為掩膜，裁剪步驟(1)中所獲dem數據，得到無人機航飛區dem數據；
步驟(4)，讀取步驟(3)中所獲得的無人機航飛區dem數據，計算每個pos點的相對航高，其方法為：
(4.1)讀取dem數據左上角的起始坐標及像元大小，以橫縱像素個數為單位，建立起dem像素坐標與大地坐標之間的轉換關係；
(4.2)將pos點大地坐標(bi，li)轉化為像素坐標(ri，ci)；
(4.3)以最鄰近像元法，取最接近(ri，ci)坐標的dem像素坐標(ri』,ci』)，則該dem像素坐標對應的高程坐標zi』為該pos點對應地面海拔；
(4.4)用該pos點的絕對行高zi減去對應地面海拔高zi』即可獲得相對航高hi，hi＝zi-zi』；
其中，i＝1，2，3，…，n；
步驟(5)，將pos點的大地坐標投影到平面，獲得以米為單位的投影坐標(xi,yi)；根據步驟(4)中計算的相對行高，可獲得改正後的pos點坐標其中，i＝1，2，3，…，n；
步驟(6)，根據步驟(5)得到的每個改正後的pos點坐標計算同一條航帶的第p張像片和第k張像片的像片重疊度，第p張像片對應的pos點坐標為第k張像片對應的pos點坐標為重疊度的計算方法為：
(6.1)計算兩pos點間距
(6.2)計算平均航攝比例尺分母：設相機焦距為f，則平均航攝比例尺分母
(6.3)計算像片的旋偏角σ：根據步驟(2.3)所獲取的航帶，以每條航帶的首尾端點的連線為該航帶所在的線段，計算各航帶所在線段的方向角；設該張像片的航帶的方向角為α，則該像片的旋偏角σ為該張像片pos點坐標中κ值與該張像片的航帶的方向角α的差值，即σ＝κ-α；；
(6.4)計算像片重疊度：設第p張像片在航向方向像幅大小為w，像元大小為u，則第p張像片和第k張像片的像片重疊度為：
步驟(7)，冗餘影像的剔除：根據步驟(6)的計算方法，首先計算第a張像片和第a張相鄰的前一張像片的像片重疊度oa，若oa＞omax，則計算第a張相鄰的後一張像片和第a張相鄰的前一張像片的像片重疊度oi』，並做如下處理：
①若oa』omin，則剔除第a張像片，即剔除第a個pos點對應的像片；
其中，第a張像片所對應的pos點不為航帶的起始點和末端點；omin為自定義的重疊度最小限值；omax為自定義的重疊度最大限值；
步驟(8)，設步驟(7)累計剔除像片總數m，則根據步驟(7)累計剔除像片總數作以下處理：
①若m>0，則重複步驟(7)，進行冗餘影像的剔除；
②若m＝0，則結束冗餘影像的剔除，循環終止，剩餘的像片是已經剔除掉重疊度超限的冗餘像片後的原始像片集，將其作為輸出成果。
優選設置航線彎曲度限值δθ為15°。
優選設置omin為60％，omax為80％，但不限於此，在ch/z3005-2010規定範圍內均可。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。