一种基于UAV航向旁向重叠反算多角度观测几何的方法与流程

一种基于uav航向旁向重叠反算多角度观测几何的方法
技术领域
1.本发明属于低空无人机(uav,unmanned aerial vehicle)遥感监测领域，具体涉及一种基于uav航向旁向重叠反算多角度观测几何的方法。


背景技术：

2.地表反照率是影响地球气候的一个关键物理变量，其定义为陆地表面反射的太阳辐射与整个太阳光谱中入射的太阳总辐射的比值。测量陆地表面反照率的变化，为研究陆地表面和大气之间的能量转移提供了定量的研究手段，并可以更好的进行区域和全球气候的模拟。自1972年首次提出brdf(bi
‑
directional reflectance distribution function)的理论定义以来，基于入射
‑
观测几何的brdf模型为提高多角度反照率反演精度提供了良好契机。因此，多角度观测在定量遥感反演中具有重要意义。
3.对低空无人机多角度观测而言，无论是固定翼，还是旋翼无人机搭载传感器飞行观测时均有一定的观测几何。这种无人机观测方向上的观测几何可以由多个角度的镜头成像、航线(航向和旁向)重叠或在一幅影像的不同像元间形成。
4.无人机遥感比常规固定轨道，甚至具有凝视功能的卫星遥感系统具有更为灵活的空间角度采样能力。因此，无人机遥感面向不同应用时，会涉及整个半球空间内更为丰富的方向反射。当前无人机对地观测以垂直摄影为主，本发明依据像片间重叠度，实现了多角度观测几何的提取与重构。
5.本发明提出的方法可以很好的解决地表样方无人机观测几何的重构问题，提供精确的传感器观测天顶角、方位角等信息。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，本发明提出一种基于uav航向旁向重叠反算多角度观测几何的方法，以达到提高构建观测几何效率和正确性的目的，提供精确的传感器观测天顶角、方位角等信息，包括以下步骤：
7.步骤1：根据样方周边地形特点，设计无人机多角度飞行航线进行航空摄影，并在地面布设参考灰板进行遥感数据定标；
8.步骤2：区域空三解算平差处理、建立区域数字表面模型(dsm,digital surface model)和区域数字正射影像(dom,digital orthophoto map)；
9.步骤3：明确图幅层面的空间观测几何，精准定位覆盖同一测点的重叠影像，并提取样方坐标；
10.步骤4：基于地面仪器测量样方坐标，并对摄影测量提取的样本坐标进行校核；
11.步骤5：结合样方的中心位置和包含样方的多角度航摄影像pos(position and orientation system)数据，计算样方的观测几何。
12.步骤1所述的根据样方周边地形特点，设计无人机多角度飞行航线进行航空摄影，并在地面布设参考灰板进行遥感数据定标，具体步骤如下：
13.步骤1.1：依据样本周边地形，设置航高，进行航线设计，航线的航向和旁向重叠度均大于等于80％；
14.步骤1.2：基于无人机飞行控制软件，输入航线数据；
15.步骤1.3：无人机起飞之前，在地表布置一定数量的灰度参考板，进行遥感数据定标；
16.步骤1.4：按照规划航线，进行无人机飞行摄影。
17.步骤2所述的区域空三解算平差处理、建立数字表面模型(dsm)和数字正射影像(dom),具体步骤如下：
18.步骤2.1:将航拍影像和机载pos数据，输入摄影测量处理软件；
19.步骤2.2:基于参考板数据，对航拍影像进行辐射定标；
20.步骤2.3：基于地面控制点等信息，进行区域解算平差处理，建立区域数字表面模型(dsm)和区域数字正射影像(dom)。
21.步骤2.3所述区域空三解算平差处理：区域空中三角测量是航空摄影测量影像在pos数据的支持下,进行空三解算平差处理。
22.步骤2.3所述建立区域数字表面模型(dsm)：区域空三解算平差处理后，可以提取出区域范围内地形特征点的位置信息，形成点云数据，内插形成tin网格模型.经过晕染、粘贴像片纹理以后即可形成真三维模型，即区域数字表面模型。
23.步骤2.3所述区域数字正射影像(dom)：在区域数字表面模型的基础上，将中心投影的航摄像片纠正为正射影像(dom),然后拼接形成整个实验区域的dom影像可以获取区域正射影像。
24.步骤3所述的明确图幅层面的空间观测几何，精准定位覆盖同一测点的重叠影像，并提取样方坐标，具体步骤如下：
25.步骤3.1：基于数字正射影像(dom)，提取出样方投影坐标；
26.步骤3.2：按图幅的重叠度，对包含样方的航拍影像进行编号检索；
27.步骤3.3：提取出样方对应每个图幅编号的pos数据。
28.步骤4所述的基于地面仪器测量样方坐标，并对摄影测量提取的样本坐标进行校核的具体过程为：使用基于cors网络的gps仪器对地面样方进行精确测量，然后将其与数字正射影像dom上提取出的样方坐标进行对比，对比误差是否超过设定阈值，判断数据的有效性和准确性。
29.步骤5所述的结合样方的中心位置和包含样方的多角度航摄影像pos数据，计算样方的观测几何，具体步骤如下：
30.步骤5.1：基于样方中心位置的投影坐标和无人机pos数据，反算无人机观测的天顶角信息，由公式(1)可以解算出传感器的观测天顶角θ：
[0031][0032]
其中，xl、yl、zl表示样方的中心位置(xl,yl,zl)，x、y、z表示传感器的中心位置(x,y,z)；
[0033]
步骤5.2：基于样方中心位置的投影坐标和无人机pos数据，反算无人机观测的方位角信息。
[0034]
步骤5.2：基于样方中心位置的投影坐标和无人机pos数据，反算无人机观测的方位角信息，由公式(2)、(3)可以解算出传感器的观测方位角φ：
[0035][0036][0037]
本发明的有益技术效果：
[0038]
本发明提供了一种基于航向旁向重叠反算地表物体多角度观测几何的方法，有以下优点：
[0039]
1、实现了无人机观测几何的快速重构，同时使用地面测量数据和摄影测量数据进行相互验证，证明了反算数据的准确性。
[0040]
2、本发明可以提供准确的无人机观测几何信息(方位角和天顶角)，具有很强的应用价值。
附图说明
[0041]
图1为本发明实施例提供的一种基于uav航向旁向重叠反算多角度观测几何的方法流程图；
[0042]
图2为本发明实施例提供的用于辐射定标的灰板示意图；
[0043]
图3为本发明实施例提供的航线设计与数据采集简略示意图；
[0044]
图4为本发明实施例提供的区域空三解算示意图；
[0045]
图5为本发明实施例提供的制作的区域dom影像示意图；
[0046]
图6为本发明实施例提供的推算的地表样方观测几何示意图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明；
[0048]
本发明实施例中，基于uav航向旁向重叠反算地表物体多角度观测几何的方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0049]
步骤1：根据样方周边地形特点，设计无人机多角度飞行航线进行航空摄影，并在地面布设参考灰板进行遥感数据定标，具体步骤如下：
[0050]
步骤1.1：依据样本周边地形，设置航高，进行航线设计，航线的航向和旁向重叠度均大于等于80％；
[0051]
本发明实施例中，实验区域海拔约170米，地势平坦，位于辽宁省西北阜新市境内，该大田均匀种植了水稻作物，面积约0.943平方公里，具有区域代表性；
[0052]
步骤1.2：基于harwar无人机飞行控制软件，输入航线数据；
[0053]
本发明实施例中，根据实验区域的特点和获取多角度观测的目的，共设计了11条航线，航高200米，航向和旁向重叠均为80％；
[0054]
步骤1.3：无人机起飞之前，在地表布置一定数量的灰度参考板，进行遥感数据定标；
[0055]
本发明实施例中，地面设置灰度为80％的灰板一块，见图2：
[0056]
步骤1.4：按照规划航线，进行无人机飞行摄影；
[0057]
本发明实施例中，本次研究采用harwar
‑
v8ⅱ八旋翼无人机搭载量测型光学相机(harwar
‑
yt
‑
5popc iv)开展多波段影像数据采集、地表三维重建和样方级多角度信息提取的实验与分析工作，见图3；
[0058]
步骤2：区域空三解算平差处理、建立区域数字表面模型(dsm)和区域数字正射影像(dom)；
[0059]
步骤2.1：将航拍影像和机载pos数据，输入摄影测量处理软件；
[0060]
本发明实施例中，使用context capture软件在pos数据的支持下，进行自动区域空三解算和数字产品的生产；
[0061]
步骤2.2：基于参考板数据，对航拍影像进行辐射定标；
[0062]
本发明实施例中，通过在地面设置漫反射参考板和所布设亮暗目标，可以将像元各波段dn值进行辐射纠正转换为地表反射比；
[0063]
步骤2.3：基于地面控制点等信息，进行区域空三解算平差处理，建立区域数字表面模型(dsm)和区域数字正射影像(dom)；
[0064]
区域空中三角测量是航空摄影测量数据处理的关键性技术之一,区域空三解算的成功与否直接关系到后续的dsm模型,区域dom影像的制作，实验过程中,使用context capture软件在pos数据的支持下,进行自动空三解算，结果表明,平差后的传感器中心点x方向平均误差为士0.17dm,y方向平均误差为
±
0.15dm,2方向平均误差为
±
0.04dm,统计结果如表1所示,误差椭圆的分布如图4所示，经平差处理后的影像参数,对立体测图和影像纠正具有重要意义；
[0065]
空三解算完成以后，可以提取出区域范围内地形特征点的位置信息，形成点云数据，内插形成tin网格模型.经过晕染、粘贴像片纹理以后即可形成真三维模型；航空摄影测量过程中，航摄影像为中心投影而且其主光轴不可能与地面保持理想垂直，所以需要将中心投影的航摄像片纠正为正射影像(dom),然后拼接形成整个实验区域的dom影像，在区域dsm模型的基础上，可以获取区域dom影像(图5).然后以此为基准对包含实验样方的多张航摄像片单独进行几何纠正；
[0066]
本发明实施例中，进行空三解算平差后的传感器中心点x方向平均误差为
±
1.7cm，y方向平均误差为
±
1.5cm，z方向平均误差为
±
0.4cm(见图4)，基于平差后的航摄数据构建了数字表面模型(dsm)和数字正射影像(dom，见图5)；
[0067]
步骤3：明确图幅层面的空间观测几何，精准定位覆盖同一测点的重叠影像，并提取样方坐标；
[0068]
步骤3.1：基于数字正射影像(dom)，提取出样方投影坐标；
[0069]
本发明实施例中，要保证样方尽可能的对应丰富的观测角度，避免观测区边缘，以免影响重叠影像的数量，所选样方的投影基准为cgcs2000坐标系统，中央子午线为123
°
；
[0070]
步骤3.2：按图幅的重叠度，对包含样方的航拍影像进行编号检索；
[0071]
本发明实施例中，根据样方中心点的投影坐标与传感器中心点投影坐标的几何关系，可以方便的找出包含样方的航向与旁向影像；
[0072]
步骤3.3：提取出样方对应每个图幅编号的pos数据；
[0073]
步骤4：基于地面仪器测量样方坐标，并对摄影测量提取的样方坐标进行校核；
[0074]
本发明实施例中，使用基于cors网络的gps仪器对地面样方进行精确测量，然后将其与数字正射影像dom上提取出的样方坐标进行对比，验证数据的精确性和有效性，经过对比验证两者之间的差距不差过
±
3cm，符合精度要求；
[0075]
步骤5：结合样方的中心位置和包含样方的多角度航摄影像pos数据，计算样方的观测几何(见图6)，具体分为以下步骤：
[0076]
步骤5.1：基于样方中心位置的投影坐标和无人机pos数据，反算无人机观测的天顶角信息；
[0077]
本发明实施例中，根据实验样方的中心位置(xl,yl,zl)与传感器的中心位置(x,y,z)由公式(1)可以解算出传感器的观测天顶角θ：
[0078][0079]
步骤5
‑
2、基于样方中心位置的投影坐标和无人机pos数据，反算无人机观测的方位角信息；由公式(2)、(3)可以解算出传感器的观测方位角φ：
[0080][0081]