[发明专利]一种基于激光投线仪和无人机的地形测量方法及系统

权利要求书

1.一种基于激光投线仪和无人机的地形测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、测量准备：围绕待测地形布设激光投线仪与无人机，将激光投线仪调平，投影点布设原则使投影线可覆盖所有待测地形，相邻投影点间的投影激光线保有一定重叠率，无人机飞至地形上方，航拍悬停点原则上使镜头可捕捉到全部地形表面；

步骤2、基准面和比例尺确定：

根据待测地形取适当的区域高程基准面，通过激光投线获取各测量控制点的相对高差Δx_i，各测量控制点在基准面内投影到地形上的距离保持一致，通过计算得到每个像素的实际大小，进而确定照片和模型的比例尺；

步骤3、投影和航拍：

通过三脚架调节激光投线仪至基准面，水平投影于裸露边坡地形表面，待投影稳定后，通过悬停于定点的无人机航拍获取边坡及其表面激光线的正射影像，随后调节三脚架每次升高等高距Δ(m)，对应每个测量控制点的投影激光线高程可由下式确定：

式(1)中，表示第i个测点第j条投线处的高程，投影和航拍过程保持无人机和激光投线仪位置不变，待一个测量控制点拍摄完成后，轮到下一个测量控制点重复步骤2、步骤3；

步骤4、图像处理与地形建模：

提取全部投影图像激光投线并赋予相应高程值，导入相应建模软件建立基于等高线的数字高程模型。

2.根据权利要求1所述基于激光投线仪和无人机的地形测量方法，其特征在于，所述步骤1中，围绕待测地形布设激光投线仪测量控制点与无人机航拍悬停点，使用高功率激光投线仪投影于裸露地形表面构建地形表面轮廓；使用三脚架调节激光投线仪投影高度，获取不同高度的水平投线，在同一测点投影航拍过程中三脚架位置保持不变。

3.根据权利要求1所述基于激光投线仪和无人机的地形测量方法，其特征在于，所述步骤1中，使用无人机悬停于地形上方一点进行正直拍摄(保持摄像头竖直)，无人机定点飞行高度F_H的最小值由式(2)～(3)确定：

式(2)、(3)中，G_Dx和G_Dy分别表示待测地形的最大长度和宽度，F_H为飞行高度，F_L为焦距，S_w和S_L分别为传感器宽度、传感器长度；

为了保证建模精度和成像质量，应保持地面采样距离在合理范围内，无人机定点飞行高度F_H的最大值由式(4)确定：

式(4)中，GSD表示地面采样距离，即影像分辨率(IFOV)，F_L表示镜头焦距，S_W表示传感器宽度，P_N表示每张照片宽度的像素数。

4.根据权利要求3所述基于激光投线仪和无人机的地形测量方法，其特征在于，无人机定点飞行高度应在镜头画幅足够覆盖全部待测地形的基础上，满足工程测量和三维地形建模的精度要求，影像分辨率要求小于或等于10厘米每像素，即GSD＜＝10cm/pixel。

5.根据权利要求1所述基于激光投线仪和无人机的地形测量方法，其特征在于，所述步骤2中，由式(4)可知，在已知飞行高度F_H、镜头参数(F_L、S_W)和照片宽度像素数P_N的条件下，可以得到每个像素的实际大小，进而确定照片和模型的比例尺。

6.根据权利要求1所述基于激光投线仪和无人机的地形测量方法，其特征在于，所述步骤4中，对正射影像进行后期处理，通过相应软件采集全部激光投线并赋予相应的高程值；为保证影像中激光投影有足够的清晰度，测量工作应尽量在阴天或夜间进行。

7.一种基于激光投线仪和无人机的地形测量系统，包括激光投线模块、无人机正射模块和三维地形建模模块；

所述激光投线模块采用高功率激光投线仪，用于构建待测地形表面轮廓，使用高功率激光投线仪水平投影于待测地形并依靠三脚架调整投线高度，自基准面起每次增加等高距Δ(m)，直到覆盖全部外部轮廓；

所述无人机正射模块用于获取边坡及其表面激光线的正射影像，飞行高度由GPS读取，根据待测地形大小和无人机携带传感器参数确定；

所述三维地形建模模块用于影像数据处理和三维地形建模，使用相应图像处理软件提取影像投影激光线并赋予高程值，导入地形建模软件建立基于多条登高线的数字高程模型。