一种基于无人机技术的智慧城市3D地图模型摄影建立方法

技术领域

本发明属于城市地图建立技术领域，具体而言是一种基于无人机技术的智慧城市3D地图模型摄影建立方法。

背景技术

城市规划是市政府对市域的自然特点、发展现状、资源结构、区域位置以及历史情况等综合性基础资料进行的一系列部署，近年来随着我国经济的快速发展以及城市化进程的不断加快,人们越来越意识到城市规划管理的重要性，而进行城市规划的首要步骤，就是要获取待规划区域的实景地图，具体分为道路实景地图、植被实景地图及建筑物实景地图。

众所周知，实景地图的获取首先需要通过摄影方式得到实景图片，再将其生成实景地图，而在众多实景地图分类中，由于建筑物本身的外形都较为庞大，导致建筑物的实景无法通过人工进行摄影，只能通过无人机进行航拍生成，其航拍的图片质量直接影响了建筑物实景地图的生成效果，在这种情况下，无人机航拍摄影质量成为城市建筑物3D地图生成的关注重心。

然而现有技术中无人机在对待摄影区域的建筑物进行航拍过程中，一方面其采取的摄影模式是单一的，使得建筑物的实景图片只能反映单一视角，导致建筑物的实景成像效果较为片面，进而在一定程度上降低了实景图片的视觉效果；另一方面无人机对待拍摄建筑物对应摄影位置的选择由于缺乏精准可靠的选择依据，使得摄影位置的选择过于随意，导致建筑物的实景图片常常出现成像缺陷，例如成像比例不协调、部分区域未摄影等，进而影响建筑物的实景图片质量，从而难以满足城市建筑物3D地图的生成需求。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述存在的问题，提供一种基于无人机技术的智慧城市3D地图模型摄影建立方法，能够有效弥补现有技术中无人机在对待摄影区域的建筑物进行航拍过程中存在的不足。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于无人机技术的智慧城市3D地图模型摄影建立方法，包括以下步骤：

步骤1：将待进行3D地图摄影的城市区域记为待摄影区域，并在指定无人机上设置大气环境采集终端、超声波感应器、三维扫描仪、航拍摄像头和GPS定位仪；

步骤2：获取待摄像区域的轮廓，并以此规划指定无人机在待摄影区域的飞行路线，并将其传达给指定无人机；

步骤3：指定无人机根据传达的飞行路线执行飞行操作，并在飞行过程中通过大气环境采集终端实时采集指定无人机在当前所处空中位置的大气环境参数，由此判断指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度是否需要调控，当判断结果为需要调控时，则对指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度进行调控；

步骤4：指定无人机在飞行过程中通过超声波感应器实时对前方区域进行感应，识别是否存在建筑物，若存在建筑物，则将当前识别到的建造物记为目标建筑物；

步骤5：通过GPS定位仪对目标建筑物的地理位置进行定位，并确定拍摄目标建筑物全景需要的摄影方位数量，并将各摄影方位进行编号；

步骤6：设定各种摄影模式，以此对目标建筑物对应的各摄影方位进行各种摄像模式的摄影位置参数解析，并将其传达给指定无人机，由其执行摄影操作，得到目标建筑物对应各摄影方位在各种摄影模式下的摄像图片；

步骤7：将目标建筑物对应各摄影方位在各种摄影模式下的摄像图片进行合成，形成目标建筑物的全景图像，并据此获取目标建筑物的外观尺寸数据；

步骤8：基于目标建筑物的外观尺寸、全景图像和地理位置进行目标建筑物的实景3D地图生成；

步骤9：按照步骤4-8的方法对指定区域内存在的各建筑物均进行实景3D地图生成，进而将各建筑物对应的实景3D地图进行组合，形成待摄影区域对应的建筑物实景3D地图。

在进一步的技术方案中，所述步骤2中规划指定无人机在待摄影区域的飞行路线对应的规划过程包括：

步骤2-1:获取指定区域对应的边界轮廓，并基于边界轮廓统计指定区域的面积；

步骤2-2：按照设定的子区域划分数量，将指定区域的面积进行均等划分，得到划分的各子区域；

步骤2-3：获取各子区域的边界轮廓，并将其作为各子区域的飞行路线；

步骤2-4：将划分的各子区域按照预定义的顺序进行编号，并将各子区域的编号顺序作为各子区域的飞行顺序。

在进一步的技术方案中，所述大气环境参数包括风速和雾霾浓度。

在进一步的技术方案中，所述判断指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度是否需要调控对应的具体判断方法如下：

第一步：从大气环境参数中提取风速，并将其与飞行数据库中各种风力等级对应的风速范围进行匹配，从中筛选出该风速对应的风力等级，并将其记为适配风力等级；

第二步：将指定无人机在当前所处空中位置的适配风力等级与飞行数据库中存储的在各种风力等级下无人机能够平稳飞行的最小自重进行对比，由此获取在适配风力等级下无人机能够平稳飞行的最小自重；

第三步：基于指定无人机的型号获取指定无人机的自重，并将其与在适配风力等级下无人机能够平稳飞行的适宜自重进行对比，计算指定无人机在当前所处空中位置的自重匹配系数；

第四步：从大气环境参数中提取雾霾浓度，并将其与飞行数据库中各种雾霾浓度对应的垂直能见度进行对比，从中筛选出该雾霾浓度对应的垂直能见度，并将其与指定无人机在当前所处空中位置的飞行高度进行对比，计算指定无人机在当前所处空中位置的能见度匹配匹配系数；

第五步：将指定无人机在当前所处空中位置的自重匹配系数和能见度匹配系数分别与对应的设定值进行对比，若自重匹配系数和能见度匹配系数均大于或等于对应的设定值，则判断指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度不需要调控，反之则判断指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度需要调控。

在进一步的技术方案中，所述对指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度进行调控对应的具体调控过程如下：

(1)控制指定无人机按照设定的单次下降高度在当前所处空中飞行位置对应的飞行高度进行垂直下降；

(2)指定无人机在下降之后通过大气环境采集终端采集当前下降位置处的大气环境参数，以此按照上述第一步至第四步的方法进行操作，得到指定无人机在当前下降位置处的自重匹配系数和能见度匹配系数，并将其与对应的设定值进行对比，若自重匹配系数和能见度匹配系数均大于或等于对应的设定值，则判断指定无人机在当前下降位置的飞行高度不需要调控，反之按照步骤(1)的方法继续下降，直至判断指定无人机在下降后的飞行高度不需要调控时停止调控。

在进一步的技术方案中，所述步骤5中确定拍摄目标建筑物全景需要的摄影方位数量对应的确定方式为通过三维扫描仪对目标建筑物进行三维扫描，由此统计目标建筑物存在的观测面数量，该观测面数量即为拍摄目标建筑物全景需要的摄影方位数量。

在进一步的技术方案中，所述各种摄影模式具体为平摄模式和俯摄模式。

在进一步的技术方案中，所述摄影位置参数包括摄影高度、摄影距离和摄影角度。

在进一步的技术方案中，所述步骤6中对目标建筑物对应的各摄影方位进行各种摄像模式的摄影位置参数解析对应的解析方法如下:

步骤6-1：确定各摄影方位对应的观测面；

步骤6-2：基于目标建筑物对应的三维扫描结果获取各摄影方位对应观测面的外形尺寸；

步骤6-3：对目标建筑物对应的各摄影方位进行平摄模式的摄影位置参数解析，其解析方法如下：

步骤6-3-1：基于目标建筑物中各摄影方位对应观测面的外形尺寸勾勒各摄影方位对应观测面的外形轮廓；

步骤6-3-2：根据目标建筑物中各摄影方位对应观测面的外形轮廓获取各摄影方位对应观测面的中心点，并获取该中心点所在水平面距离地面的高度，将其作为各摄影方位对应观测面在平摄模式下的摄影离地高度；

步骤6-3-3：基于目标建筑物中各摄影方位对应观测面的外形尺寸获取各摄影方位对应观测面的面积，并将其与设置的平摄模式下成像比例进行分析，得到各摄影方位对应观测面在成像图片中的影像面积，将其记为各摄影方位对应观测面在平摄模式下的成像面积；

步骤6-3-4：根据各摄影方位对应观测面在平摄模式下的成像面积与该航拍摄像头所属型号在单位成像面积下距离被拍摄体的拍摄距离统计各摄影方位在该成像面积下距离观测面的拍摄距离，将其作为各摄影方位对应观测面在平摄模式下的摄影距离；

步骤6-3-5：将各摄影方位对应观测面在平摄模式下的摄影角度调整为零度；

步骤6-4：对目标建筑物对应的各摄影方位进行俯摄模式的摄影位置参数解析，其解析方法如下：

步骤6-4-1：从各摄影方位对应观测面的外形尺寸中提取各摄影方位对应观测面的高度；

步骤6-4-2：根据设置的在俯摄模式下航拍摄像头距离被拍摄体的安全距离和各摄影方位对应观测面的高度获取各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影高度；

步骤6-4-3：基于目标建筑物中各摄影方位对应观测面的外形尺寸获取各摄影方位对应观测面的面积，并将其与设置的俯摄模式下成像比例进行分析，得到各摄影方位对应观测面在成像图片中的影像面积，将其记为各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的成像面积；

步骤6-4-4：将各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的成像面积与该航拍摄像头所属型号在该摄影高度下单位成像面积对应距离被拍摄体的拍摄距离统计各摄影方位在该成像面积下距离观测面的拍摄距离，将其作为各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影距离；

步骤6-4-5：将目标建筑物中各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影高度和摄影距离导入摄影角度计算公式中，得到各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影角度。

在进一步的技术方案中，所述摄影角度计算公式为

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

(1)本发明在由无人机对待摄影区域内的建筑物进行航拍过程中通过设定各种摄影模式，并基于待拍摄建筑物的外形尺寸为各种摄影模式提供一种精准可靠的摄影位置参数解析方式，使得在各种摄影模式及其对应的摄影位置参数下得到的待拍摄建筑物实景图片能够反映多个视角且能够呈现全貌，实现了建筑物实景的全面高质量成像，有效弥补了现有技术中因摄影模式过于单一及摄影位置选择过于随意存在的建筑物实景航拍缺陷，一方面提高了建筑物实景图片的质量，另一方面提高了建筑物实景成像的视觉效果，大大满足了城市建筑物3D地图的生成需求。

(2)本发明在无人机不执行摄影操作的飞行过程中实时采集无人机在当前所处空中位置的大气环境参数，并据此判断指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度是否需要调控，当判断结果为需要调控时，则对指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度进行调控，实现了无人机飞行高度的灵活化智能性调控，通过调控结果能够实时保障无人机的飞行安全，为无人机对建筑物的航拍摄影提供安全后盾，避免出现无人机在飞行过程中因飞行安全问题导致无法进行后续航拍的问题。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的方法实施步骤流程图；

图2为本发明中俯摄模式下摄影三角形的示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，本发明提供一种基于无人机技术的智慧城市3D地图模型摄影建立方法，包括以下步骤：

步骤1：将待进行3D地图摄影的城市区域记为待摄影区域，并在指定无人机上设置大气环境采集终端、超声波感应器、三维扫描仪、航拍摄像头和GPS定位仪，其中大气环境采集终端具体由风速检测仪和雾霾检测仪组成，用于采集大气环境参数，超声波感应器用于感应待摄影区域内的建筑物，三维扫描仪用于对待摄影区域内的建筑物进行三维扫描，航拍摄像头用于对待摄影区域内的建筑物进行航拍摄影，GPS定位仪用于对待摄影区域内的建筑物进行地理位置定位；

步骤2：获取待摄像区域的轮廓，并以此规划指定无人机在待摄影区域的飞行路线，并将其传达给指定无人机，其飞行路线规划过程包括：

步骤2-1:获取指定区域对应的边界轮廓，并基于边界轮廓统计指定区域的面积；

步骤2-2：按照设定的子区域划分数量，将指定区域的面积进行均等划分，得到划分的各子区域；

步骤2-3：获取各子区域的边界轮廓，并将其作为各子区域的飞行路线；

步骤2-4：将划分的各子区域按照预定义的顺序进行编号，并将各子区域的编号顺序作为各子区域的飞行顺序；

步骤3：指定无人机根据传达的飞行路线执行飞行操作，并在飞行过程中通过大气环境采集终端实时采集指定无人机在当前所处空中位置的大气环境参数，其中大气环境参数包括风速和雾霾浓度，由此判断指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度是否需要调控，其具体判断方法如下：

第一步：从大气环境参数中提取风速，并将其与飞行数据库中各种风力等级对应的风速范围进行匹配，从中筛选出该风速对应的风力等级，并将其记为适配风力等级；

第二步：将指定无人机在当前所处空中位置的适配风力等级与飞行数据库中存储的在各种风力等级下无人机能够平稳飞行的最小自重进行对比，由此获取在适配风力等级下无人机能够平稳飞行的最小自重；

第三步：基于指定无人机的型号获取指定无人机的自重，并将其与在适配风力等级下无人机能够平稳飞行的适宜自重进行对比，计算指定无人机在当前所处空中位置的自重匹配系数，其计算公式为

需要说明的是，上述自重匹配系数计算公式中，指定无人机的自重与在适配风力等级下无人机能够平稳飞行的适宜自重之间差距越小，自重匹配系数越大；

第四步：从大气环境参数中提取雾霾浓度，并将其与飞行数据库中各种雾霾浓度对应的垂直能见度进行对比，从中筛选出该雾霾浓度对应的垂直能见度，并将其与指定无人机在当前所处空中位置的飞行高度进行对比，计算指定无人机在当前所处空中位置的能见度匹配匹配系数，其计算公式为

需要说明的是，上述能见度匹配系数计算公式中，指定无人机在当前所处空中位置的飞行高度与所在飞行高度中雾霾浓度对应的垂直能见度越接近，能见度匹配系数越大；

第五步：将指定无人机在当前所处空中位置的自重匹配系数和能见度匹配系数分别与对应的设定值进行对比，若自重匹配系数和能见度匹配系数均大于或等于对应的设定值，则判断指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度不需要调控，反之则判断指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度需要调控；

当判断结果为需要调控时，则对指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度进行调控，其具体调控过程如下：

(1)控制指定无人机按照设定的单次下降高度在当前所处空中飞行位置对应的飞行高度进行垂直下降；

(2)指定无人机在下降之后通过大气环境采集终端采集当前下降位置处的大气环境参数，以此按照上述第一步至第四步的方法进行操作，得到指定无人机在当前下降位置处的自重匹配系数和能见度匹配系数，并将其与对应的设定值进行对比，若自重匹配系数和能见度匹配系数均大于或等于对应的设定值，则判断指定无人机在当前下降位置的飞行高度不需要调控，反之按照步骤(1)的方法继续下降，直至判断指定无人机在下降后的飞行高度不需要调控时停止调控；

本发明实施例在无人机不执行摄影操作的飞行过程中通过实时采集无人机在当前所处空中位置的大气环境参数，并据此判断指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度是否需要调控，当判断结果为需要调控时，则对指定无人机在当前所处空中飞行位置的飞行高度进行调控，实现了无人机飞行高度的灵活化智能性调控，通过调控结果能够实时保障无人机的飞行安全，为无人机对建筑物的航拍摄影提供安全后盾，避免出现无人机在飞行过程中因飞行安全问题导致无法进行后续航拍的问题；

步骤4：指定无人机在飞行过程中通过超声波感应器实时对前方区域进行感应，识别是否存在建筑物，若存在建筑物，则将当前识别到的建造物记为目标建筑物；

在一个具体实施例中，采用超声波感应器对前方区域建筑物进行识别的原因在于建筑物一般都较为高大，无人机在飞行过程中超声波不断向前方区域发送超声波信息，当其碰到建筑物时会立即返回来，超声波感应器当接收到反射波时，即代表前方区域存在建筑物；

步骤5：通过GPS定位仪对目标建筑物的地理位置进行定位，并确定拍摄目标建筑物全景需要的摄影方位数量，并将各摄影方位进行编号；

上述中确定拍摄目标建筑物全景需要的摄影方位数量对应的确定方式为通过三维扫描仪对目标建筑物进行三维扫描，由此统计目标建筑物存在的观测面数量，该观测面数量即为拍摄目标建筑物全景需要的摄影方位数量；

优选地，本发明进行目标建筑物对应观测面分析的目的在于使得目标建筑物所有观测面均能够被摄影，避免存在观测面的遗漏摄影，影响目标建筑物的成像完整性；

步骤6：设定各种摄影模式，其中各种摄影模式具体为平摄模式和俯摄模式，以此对目标建筑物对应的各摄影方位进行各种摄像模式的摄影位置参数解析，这里提到的摄影位置参数包括摄影高度、摄影距离和摄影角度，并将其传达给指定无人机，由其执行摄影操作，得到目标建筑物对应各摄影方位在各种摄影模式下的摄像图片；

本发明在设定摄影模式时未考虑仰摄模式的原因在于仰摄模式的特点是航拍摄像头的摄影高度要低于被拍摄体的高度，这样就会使无人机的飞行高度处于一个比较低的水平，导致碰到障碍物的概率增加，从而影响无人机的飞行安全，同时也会影响地面行人的安全；

上述中对目标建筑物对应的各摄影方位进行各种摄像模式的摄影位置参数解析对应的解析方法如下:

步骤6-1：确定各摄影方位对应的观测面；

步骤6-2：基于目标建筑物对应的三维扫描结果获取各摄影方位对应观测面的外形尺寸；

步骤6-3：对目标建筑物对应的各摄影方位进行平摄模式的摄影位置参数解析，其解析方法如下：

步骤6-3-1：基于目标建筑物中各摄影方位对应观测面的外形尺寸勾勒各摄影方位对应观测面的外形轮廓；

步骤6-3-2：根据目标建筑物中各摄影方位对应观测面的外形轮廓获取各摄影方位对应观测面的中心点，并获取该中心点所在水平面距离地面的高度，将其作为各摄影方位对应观测面在平摄模式下的摄影离地高度；

步骤6-3-3：基于目标建筑物中各摄影方位对应观测面的外形尺寸获取各摄影方位对应观测面的面积，并将其与设置的平摄模式下成像比例进行分析，得到各摄影方位对应观测面在成像图片中的影像面积，将其记为各摄影方位对应观测面在平摄模式下的成像面积；

示例性地，平摄模式下成像比例设置为1:k，将各摄影方位对应观测面的面积记为s,在这种情况下，各摄影方位对应观测面在平摄模式下的成像面积可以表示为

步骤6-3-4：根据各摄影方位对应观测面在平摄模式下的成像面积与该航拍摄像头所属型号在单位成像面积下距离被拍摄体的拍摄距离统计各摄影方位在该成像面积下距离观测面的拍摄距离，具体统计方式为将各摄影方位对应观测面在平摄模式下的成像面积与该航拍摄像头所属型号在单位成像面积下距离被拍摄体的拍摄距离进行相乘，得到各摄影方位在该成像面积下距离观测面的拍摄距离，将其作为各摄影方位对应观测面在平摄模式下的摄影距离；

步骤6-3-5：由于平摄模式的特点是摄像头与被摄主体处于同一水平线上，此时将各摄影方位对应观测面在平摄模式下的摄影角度调整为零度；

步骤6-4：对目标建筑物对应的各摄影方位进行俯摄模式的摄影位置参数解析，其解析方法如下：

步骤6-4-1：从各摄影方位对应观测面的外形尺寸中提取各摄影方位对应观测面的高度；

步骤6-4-2：根据设置的在俯摄模式下航拍摄像头距离被拍摄体的安全距离和各摄影方位对应观测面的高度获取各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影高度，具体地，各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影高度可表示为观测面的高度+航拍摄像头距离被拍摄体的安全距离；

步骤6-4-3：基于目标建筑物中各摄影方位对应观测面的外形尺寸获取各摄影方位对应观测面的面积，并将其与设置的俯摄模式下成像比例进行分析，得到各摄影方位对应观测面在成像图片中的影像面积，将其记为各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的成像面积；

步骤6-4-4：将各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的成像面积与该航拍摄像头所属型号在该摄影高度下单位成像面积对应距离被拍摄体的拍摄距离统计各摄影方位在该成像面积下距离观测面的拍摄距离，将其作为各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影距离；

步骤6-4-5：参照图2所示，基于各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影高度和摄影距离构建目标建筑物中各摄影方位对应观测面的摄影三角形，由此根据摄像三角形的直角属性将目标建筑物中各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影高度和摄影距离导入摄影角度计算公式中，得到各摄影方位对应观测面在俯摄模式下的摄影角度，其中摄影角度计算公式为

步骤7：将目标建筑物对应各摄影方位在各种摄影模式下的摄像图片进行合成，形成目标建筑物的全景图像，并据此获取目标建筑物的外观尺寸数据；

步骤8：基于目标建筑物的外观尺寸、全景图像和地理位置进行目标建筑物的实景3D地图生成；

步骤9：按照步骤4-8的方法对指定区域内存在的各建筑物均进行实景3D地图生成，进而将各建筑物对应的实景3D地图进行组合，形成待摄影区域对应的建筑物实景3D地图。

本发明实施例在由无人机对待摄影区域内的建筑物进行航拍过程中通过设定各种摄影模式，并基于待拍摄建筑物的外形尺寸为各种摄影模式提供一种精准可靠的摄影位置参数解析方式，使得在各种摄影模式及其对应的摄影位置参数下得到的待拍摄建筑物实景图片能够反映多个视角且能够呈现全貌，实现了建筑物实景的全面高质量成像，有效弥补了现有技术中因摄影模式过于单一及摄影位置选择过于随意存在的建筑物实景航拍缺陷，一方面提高了建筑物实景图片的质量，另一方面提高了建筑物实景成像的视觉效果，大大满足了城市建筑物3D地图的生成需求。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。