一种基于倾斜摄影技术的地形测绘方法

技术领域

本发明涉及地形测绘技术领域，具体涉及一种基于倾斜摄影技术的地形测绘方法。

背景技术

地形测量（topographic survey）是指测绘地形图的作业。即对一定地区内地面的地物、地形在水平面上的投影位置和高程进行测定，并按一定比例缩小，用符号和注记绘制成地形图的工作。地形测量主要采用航空摄影测量方法，包括控制测量和碎部测量，按所用仪器的不同，碎部测量主要分为平板仪测图法、小平板仪和经纬仪联合测图法、经纬仪测绘法等。地形测量工作主要目的是保证地形图良好的现势性以及基础地理信息数据更新的要求，从而满足城市规划、建设、管理的需要，更好地为社会各界提供测绘服务和保障。

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从一个垂直以及四个倾斜方向，共五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息。但这些影像大多只有地物顶部的信息特征，缺乏地物侧面详细的轮廓及高程信息，不利于全方位的模型重建和场景感知。因此需要研究基于倾斜摄影的地形测绘技术及相关的建模技术。

现有技术公开了一种倾斜摄影地形测绘装置，包括飞行器、机壳、用于采集图像的倾斜摄影模块和驱动机构。机壳设有容置腔以及与容置腔连通的开口，机壳设于飞行器底部；机壳上设有能打开或关闭开口的门体。驱动机构与机壳或飞行器连接，驱动机构用于在带动门体打开时驱使倾斜摄影模块伸出开口，以及在带动倾斜摄影模块缩回至容置腔内时关闭开口。倾斜摄影模块的伸出或缩回与门体的运动为联动控制，控制方便，缩短调节时间，提高效率。其技术方案虽然实现了基于倾斜摄影的地形图像采集，但其不能解决目前缺乏依据倾斜摄影采集的地形图像，建立地形测绘模型的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：目前缺乏基于倾斜摄影图像建立地形模型方案的技术问题。提出了一种基于倾斜摄影技术的地形测绘方法，能够基于采集的倾斜摄影图像建立地形模型。

解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于倾斜摄影技术的地形测绘方法，包括以下步骤：

读取航拍图像及航线信息，所述航拍图像包括多个角度摄像头的航拍图像；

根据航拍图像建立物标模型，划分物标模型的物标点；

由航线信息获得每张航拍图像对应摄像头的位置坐标；

读取物标点均出现的多个角度摄像头的航拍图像，获得物标点的三维坐标；

依据物标点的三维坐标获得物标模型的三维坐标信息；

由建立的物标模型及物标模型的三维坐标信息建立地形模型，作为地形测绘结果。

作为优选，所述航线信息包括多个航行点、航行点位置坐标、到达航行点的时间戳和航行点处的飞行速度，多个所述航行点依次连线构成航线。

作为优选，航拍图像关联有拍摄时间戳，获得摄像头的位置坐标的方法包括：

找到航拍图像的拍摄时间戳最接近的两个航行点，获得两个航行点位置坐标；

使用两个航行点位置坐标及时间戳，建立航行点位置坐标对时间戳的函数；

将拍摄时间戳代入所述函数获得摄像头的位置坐标。

作为优选，根据航拍图像建立物标模型的方法包括：

建立物标模型元和区域模板；

使用区域模板识别航拍图像中的区域；

将区域关联对应区域模板的区域类型；

识别区域中的边界；

使用预设的物标模型元与边界匹配，根据匹配成功的物标模型元建立物标模型。

作为优选，所述区域模板包括道路区域模板、楼宇区域模板、广场区域模板和绿化区域模板，所述道路区域模板包括道路颜色范围和路面特征匹配集，所述路面特征集包括人行横道匹配模板、交通灯匹配模板和道路形状匹配模板，提取航拍图像中符合道路颜色范围的颜色区域，获得颜色区域的包络区域，在包络区域内尝试使用路面特征匹配集匹配包络区域的局部区域，若存在局部区域与路面特征匹配集中的任一匹配模板匹配，则判定所述包络区域为道路区域；

所述广场区域模板包括广场形状匹配模板，提取航拍图像中的色块，去除像素面积小于预设阈值的色块，获得剩余色块的包络线，若包络线经旋转和透视变形后能够与广场形状匹配模板匹配，则判定所述包络线包络的区域为广场区域，所述绿化区域模板记录绿化区域颜色范围，提取航拍图像中符合绿化区域颜色范围的颜色区域，去除像素面积小于预设阈值的区域，剩余区域作为绿化区域，所述楼宇区域模板包括若干个楼宇轮廓匹配模板，提取航拍图像中的色块边线，将楼宇轮廓匹配模板经旋转、缩放及透视变形后，与色块边线进行匹配，匹配成功则判定色块边线为楼宇边线，使用折线构成的多边形区域包络进全部楼宇边线，所述多边形区域视为楼宇区域。

作为优选，建立物标模型元的方法包括：

建立道路模型元，所述道路模型元包括道路横截面形状和延伸曲线，所述延伸曲线与航拍图像中的道路区域中心线匹配后，所述道路横截面沿延伸曲线延伸形成道路模型；

建立柱形建筑模型元，所述柱形建筑模型元包括若干种预设的底面形状和柱高度，所述底面形状与航拍图像中的楼宇底面形状匹配，所述柱高度与航拍图像中的楼宇高度匹配，所述底面形状沿铅垂线延伸达到柱高度，构成柱形建筑模型；

建立异形建筑模型元，所述异形建筑模型元包括若干条包络曲线，所述包络曲线处于铅垂面上，若干个所述包络曲线匹配异形建筑的竖直截面外形后，构成异形建筑模型；

建立广场模型元，所述广场模型元包括多边形轮廓，所述多边形轮廓与航拍图像中的广场区域匹配后，沿铅垂方向拉伸预设厚度，构成广场模型。

作为优选，划分物标模型的物标点的方法包括：

标注所述物标模型元的物标边界，在物标边界上设置若干个预设物标点；

根据所述物标模型元区域中的边界匹配时的方位，获得处于可视状态下的物标边界及预设物标点，将可视状态的预设物标点作为物标模型上选定的物标点；

获得物标点对应的物标边界在航拍图像中对应的边界；

在航线上选择两个角度的航拍图像，使得选择两个角度的航拍图像，满足两个角度的航拍图像均能找到物标边界对应的边界；

两个角度对应的航拍图像作为选定的两张航拍图像。

作为优选，标注所述物标模型元的物标边界的方法包括：

标注所述物标模型元的全部顶点，顶点之间的连线作为物标模型的边界。

作为优选，依据物标点的三维坐标获得物标模型的三维坐标信息的方法包括：

将物标点的三维坐标代入经旋转及缩放后的物标模型，获得物标模型的物标边界的端点坐标信息，全部物标边界的端点坐标信息构成物标模型的三维坐标信息。

作为优选，获得物标点的三维坐标的方法包括：

建立每个摄像头在海平面上的视界区域，记为参考视界区域，获得参考视界区域内每个点相对于摄像头的相对坐标；

获得物标点在航拍图像中的像素位置，进而对应的参考视界区域上的映射点的坐标；

物标点处于摄像头坐标和映射点的连线上；

两张航拍图像将获得物标点所在的两条连线的坐标信息，两条连线的交点坐标即为物标点的三维坐标。

本发明的有益技术效果包括：基于倾斜摄影能够获得地面上物标模型的多个角度的图像，通过划分物标点并识别物标点的三维坐标，获得物标模型的三维坐标信息，从而实现地形测绘，并由建立的物标模型构成地形模型；通过使用区域模板识别航拍图像中的区域，而后根据区域的类型建立物标模型，能够加快物标模型的创建效率并提高物标模型的准确度。

本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明实施例地形测绘方法流程示意图。

图2为本发明实施例获得摄像头位置坐标方法流程示意图。

图3为本发明实施例建立物标模型方法流程示意图。

图4为本发明实施例建立物标模型元方法流程示意图。

图5为本发明实施例道路区域匹配示意图。

图6为本发明实施例区域匹配示意图。

图7为本发明实施例柱形建筑模型示意图。

图8为本发明实施例划分物标模型物标点方法流程示意图。

图9为本发明实施例获得物标点三维坐标方法流程示意图。

图10为本发明实施例参考视界区域示意图。

图11为本发明实施例地形测绘方法流程示意图。

其中：10、道路区域，11、道路模型，20、航拍图像，30、绿化区域，40、建筑区域，41、边界，50、柱形建筑模型元，51、变形后的柱形建筑模型元，60、柱形建筑模型，70、摄像头，80、参考视界区域，81、映射点。

具体实施方式

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在下文描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

介绍本实施例技术方案前，对本实施例相关应用背景进行介绍。

地形测量工作主要目的是保证地形图良好的现势性以及基础地理信息数据更新的要求，从而满足城市规划、建设、管理的需要，更好地为社会各界提供测绘服务和保障。随着大数据技术的发展，基于大数据的应用得到各行各业的重视。比如电网规划、道路建设规划、消防调度等领域。而其中大量的大数据应用都需要获得区域内的地形数据作为支撑。但目前的地形测绘技术不仅效率低下，且难以获得地形模型，限制了这些技术的发展和应用。

倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从一个垂直以及四个倾斜方向，共五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息。但这些影像大多只有地物顶部的信息特征，缺乏地物侧面详细的轮廓及高程信息，不利于全方位的模型重建和场景感知。因此需要研究基于倾斜摄影的地形测绘技术及相关的建模技术。

为此，本实施例提供了一种基于倾斜摄影技术的地形测绘方法，请参阅附图1，包括以下步骤：

步骤A01）读取航拍图像20及航线信息，航拍图像20包括多个角度摄像头70的航拍图像20；

步骤A02）根据航拍图像20建立物标模型，划分物标模型的物标点；

步骤A03）由航线信息获得每张航拍图像20对应摄像头70的位置坐标；

步骤A04）读取物标点均出现的多个角度摄像头70的航拍图像20，获得物标点的三维坐标；

步骤A05）依据物标点的三维坐标获得物标模型的三维坐标信息；

步骤A06）由建立的物标模型及物标模型的三维坐标信息建立地形模型，作为地形测绘结果。

航线信息包括多个航行点、航行点位置坐标、到达航行点的时间戳和航行点处的飞行速度，多个航行点依次连线构成航线。航线信息由飞行器在飞行过程中记录获得。获得航拍图像20后，依据航拍图像20建立物标模型，由物标模型的物标点获得物标模型的形状和方位。全部物标模型建立后，以预设的地表模型补足未被物标模型覆盖的地表区域，完成全部地形的建模。从空白地表上选取任意一点并计算三维坐标，获得地面的海拔高度。地表模型具有预设的厚度，将地表模型的上表面与海拔高度适配后，即可获得与航拍图像20匹配的地表模型。

航拍图像20关联有拍摄时间戳，请参阅附图2，获得摄像头70的位置坐标的方法包括：

步骤B01）找到航拍图像20的拍摄时间戳最接近的两个航行点，获得两个航行点位置坐标；

步骤B02）使用两个航行点位置坐标及时间戳，建立航行点位置坐标对时间戳的函数；

步骤B03）将拍摄时间戳代入函数获得摄像头70的位置坐标。通过找到航拍图像20的拍摄时间戳最接近的两个航行点，根据航拍图像20的时间戳，计算获得航拍图像20对应的位置坐标，该位置坐标是航拍器定位点的位置坐标。航拍器定位点通常为GPS模块的定位点。

请参阅附图3，根据航拍图像20建立物标模型的方法包括：

步骤C01）建立物标模型元和区域模板；

步骤C02）使用区域模板识别航拍图像20中的区域；

步骤C03）将区域关联对应区域模板的区域类型；

步骤C04）识别区域中的边界41；

步骤C05）使用预设的物标模型元与边界41匹配，根据匹配成功的物标模型元建立物标模型。通过建立区域模板，使用区域模板匹配航拍图像20中的区域后，在区域内建立物标模型，能够提高建立物标模型的效率和准确度。

本实施例使用的区域模板包括道路区域10模板、楼宇区域模板、广场区域模板和绿化区域30模板，道路区域10模板包括道路颜色范围和路面特征匹配集，路面特征集包括人行横道匹配模板、交通灯匹配模板和道路形状匹配模板，提取航拍图像20中符合道路颜色范围的颜色区域，获得颜色区域的包络区域，在包络区域内尝试使用路面特征匹配集匹配包络区域的局部区域，若存在局部区域与路面特征匹配集中的任一匹配模板匹配，则判定包络区域为道路区域10；广场区域模板包括广场形状匹配模板，提取航拍图像20中的色块，去除像素面积小于预设阈值的色块，获得剩余色块的包络线，若包络线经旋转和透视变形后能够与广场形状匹配模板匹配，则判定包络线包络的区域为广场区域，绿化区域30模板记录绿化区域30颜色范围，提取航拍图像20中符合绿化区域30颜色范围的颜色区域，去除像素面积小于预设阈值的区域，剩余区域作为绿化区域30，楼宇区域模板包括若干个楼宇轮廓匹配模板，提取航拍图像20中的色块边线，将楼宇轮廓匹配模板经旋转、缩放及透视变形后，与色块边线进行匹配，匹配成功则判定色块边线为楼宇边线，使用折线构成的多边形区域包络进全部楼宇边线，多边形区域视为楼宇区域。

请参阅附图4，建立物标模型元的方法包括：

步骤D01）建立道路模型11元，道路模型11元包括道路横截面形状和延伸曲线，延伸曲线与航拍图像20中的道路区域10中心线匹配后，道路横截面沿延伸曲线延伸形成道路模型11；

步骤D02）建立柱形建筑模型元50，柱形建筑模型元50包括若干种预设的底面形状和柱高度，底面形状与航拍图像20中的楼宇底面形状匹配，柱高度与航拍图像20中的楼宇高度匹配，底面形状沿铅垂线延伸达到柱高度，构成柱形建筑模型60；

步骤D03）建立异形建筑模型元，异形建筑模型元包括若干条包络曲线，包络曲线处于铅垂面上，若干个包络曲线匹配异形建筑的竖直截面外形后，构成异形建筑模型；

步骤D04）建立广场模型元，广场模型元包括多边形轮廓，多边形轮廓与航拍图像20中的广场区域匹配后，沿铅垂方向拉伸预设厚度，构成广场模型。针对不同的区域，建立相应的物标模型元。

请参阅附图5，在航拍图像20中提取预设的道路颜色范围，能够获得道路的形状，而后沿预设的延伸厚度拉伸，即可获得立体的道路模型11。预设的延伸厚度为一个常数值，通过当地道路建设规范选择或者区域内道路厚度的均值。

请参阅附图6，为区域划分结果示意图，通过将航拍图像20划分为多个区域，每个区域内的地面附属物种类就变得较少。从而能够快速的建立物标模型，且能够提高物标模型建立的准确度。

请参阅附图7，为将物标模型元与航拍图像20匹配的过程。从航拍图像20中提取色块的边界41，色块的边界41提取属于本领域的现有技术，在此不做赘述。获得边界41后，选择对应的物标模型元，图7中选择柱形建筑模型元50。将柱形建筑模型元50的底面形状修改为与边界41匹配，而后将柱形建筑模型元50经缩放旋转，获得变形后的柱形建筑模型元51，而后将变形后的柱形建筑模型元51与航拍图像20中的边界41位置对齐，即获得柱形建筑模型60。

请参阅附图8，划分物标模型的物标点的方法包括：

步骤E01）标注物标模型元的物标边界41，在物标边界41上设置若干个预设物标点；

步骤E02）根据物标模型元区域中的边界41匹配时的方位，获得处于可视状态下的物标边界41及预设物标点，将可视状态的预设物标点作为物标模型上选定的物标点；

步骤E03）获得物标点对应的物标边界41在航拍图像20中对应的边界41；

步骤E04）在航线上选择两个角度的航拍图像20，使得选择两个角度的航拍图像20，满足两个角度的航拍图像20均能找到物标边界41对应的边界41；

步骤E05）两个角度对应的航拍图像20作为选定的两张航拍图像20。

倾斜摄影在同一个位置，即可获得同一物体的至少两个视角的图像。通过这两个视角的图像，即可计算出物体上可见点的三维坐标。通过在航线上选择两个角度的航拍图像20，使得选择两个角度的航拍图像20，满足两个角度的航拍图像20均能找到物标边界41对应的边界41，即可找到能够计算出可见点三维坐标的航拍图像20。

标注物标模型元的物标边界41的方法包括：标注物标模型元的全部顶点，顶点之间的连线作为物标模型的边界41。

依据物标点的三维坐标获得物标模型的三维坐标信息的方法包括：

将物标点的三维坐标代入经旋转及缩放后的物标模型，获得物标模型的物标边界41的端点坐标信息，全部物标边界41的端点坐标信息构成物标模型的三维坐标信息。

请参阅附图9，获得物标点的三维坐标的方法包括：

步骤F01）建立每个摄像头70在海平面上的视界区域，记为参考视界区域80，获得参考视界区域80内每个点相对于摄像头70的相对坐标；

步骤F02）获得物标点在航拍图像20中的像素位置，进而对应的参考视界区域80上的映射点81的坐标；

步骤F03）物标点处于摄像头70坐标和映射点81的连线上；

步骤F04）两张航拍图像20将获得物标点所在的两条连线的坐标信息，两条连线的交点坐标即为物标点的三维坐标。

请参阅附图10，为本实施例拍摄的航拍图像20示意图。摄像头70在海拔高度H向正下方拍摄时，在水平面上的视界区域的位置，仅与摄像头70的位置相关。通过确定摄像头70的三维坐标，结合摄像头70的视角范围，即可确定参考视界区域80的三维坐标信息。摄像头70拍摄地面图像作为航拍图像20，航拍图像20具有一定的海拔高度。航拍图像20上的任意像素点，与摄像头70连线的延伸线均与参考视界区域80相交，交点记为映射点81，映射点81的坐标，由对应像素点在航拍图像20中的像素位置即可唯一确定。由映射点81和摄像头70所在位置，能够在大地坐标系下，建立一条直线的解析式。物标点即在这条直线上。

请参阅附图11，再读取一个角度的航拍图像20，同样能够获得另一条直线的解析式，物标点同样在这条直线上。求解两条直线的交点坐标，即获得了物标点的三维坐标。选择物标模型上预设的若干个物标点，获得物标点的三维坐标后，即可获得物标模型的三维坐标信息，即可完整的建立物标模型，进而完成地形测绘。

具体的，根据边界41坐标建立地形测绘结果的方法包括：根据物标模型的坐标信息，将体积重合度超过预设阈值的物标模型合并；经过合并后的全部物标模型构成地形模型，地形模型作为地形测绘结果。

本实施例的有益技术效果包括：基于倾斜摄影能够获得地面上物标模型的多个角度的图像，通过划分物标点并识别物标点的三维坐标，获得物标模型的三维坐标信息，从而实现地形测绘，并由建立的物标模型构成地形模型；通过使用区域模板识别航拍图像20中的区域，而后根据区域的类型建立物标模型，能够加快物标模型的创建效率并提高物标模型的准确度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。