[发明专利]基于无人机图像和数字图像的位移测量方法

说明书

一种基于无人机图像和数字图像的位移测量方法，包括如下步骤：步骤一：11)固定相机位置；12)将标定板临时固定于目标平面上，拍摄得到第一图像；13)将标定板固定在目标平面附近，拍摄得到第二图像；14)使世界坐标系中的X_WO_WY_W平面与目标平面的共面，得到标准世界坐标系；求解所有标定板在标准世界坐标系中的坐标；步骤二：21)驱动无人机在合适位置悬停，利用相机拍摄视频；22)将第一图像转换为标准参考图像，计算标准参考图像以及每帧图像相对于目标平面的单应性矩阵；23)计算视频中每帧图像相对于标准参考图像的单应性矩阵；24)利用数字图像相关方法求解目标点的像素位移，利用尺寸因子将像素位移转化为实际物理位移。

技术领域

本发明属于图像处理与视觉测量技术领域，具体的为一种基于无人机图像和数字图像的位移测量方法。

背景技术

位移是评估民用基础设施(如建筑物、桥梁和隧道)完整性的最重要参数之一。传统的移测量技术有差动变压位移传感器、激光位移传感器以及全球导航卫星系统(GNSS)等。然而各种传感器的布置有成本高、操作复杂和分布式测量点等劣势，很难满足大体量结构位移测量的要求，GNSS虽然能够提供非接触式无线测量手段，但是其测量点位有限且成本太高。

传统的数字图像相关(Digital Image Correlation，简称DIC)方法作为一种非接触式位移测量方法，具有操作简单、成本低、全场测量等优点，目前在材料、土木、机械等领域都得到重视并得到了长足的发展，目前已经进入了商用阶段。但是传统DIC方法要求测量过程中相机固定不动，否则会产生误差，这大大限制了DIC方法的应用范围，例如在桥梁、风机等大跨高耸结构的测量中，现场没有合适的相机固定平台。

无人机作为飞行平台，具有机动性高、灵活性强、应用成熟等优点。基于无人机图像的位移测量方法为大跨、高耸结构的位移测量方法提供了新的思路。然而无人机即使在悬浮时受到空气流动等环境影响也会发生滑移和晃动等情况，这将导致最终测量结果包含相机的运动信息。如何消除无人机晃动对位移测量的影响已成为国内外研究热点。目前常用的方法包括：1)采用高通滤波器滤除测量结果中无人机晃动部分；2)利用惯性测量装置(IMU)记录的信息计算无人机的运动并将其消除；3)利用固定的背景标定板消除无人机晃动的影响。这些方法在特定的情况下都能一定程度地消除无人机晃动对测量产生的影响，但是也存在一定的缺点。第一种方法假设无人机的晃动频率远低于测量目标的基频，并且需要足够的测量时间，在测量低频结构和短时测量中将会失效。第二种方法要求相机与无人机绝对固定并需要更长的测量周期。第三种方法要求固定的背景标定板与测量平面共面，或者与被测量平面平行且知道他们之间的距离，否则该方法将失效，这在实际测量工作中受环境条件限制，很难满足。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于无人机图像和数字图像的位移测量方法，仅需在目标平面附近任意固定标定板，在引入数字图像相关方法的基础上，利用无人机摄像实现对测量目标的非接触的全场位移测量。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于无人机图像和数字图像的位移测量方法，包括如下步骤：

步骤一：求解标定板在世界坐标系中的坐标

11)固定相机位置，调节相机角度使相机能够拍到目标平面和标定板；

12)将标定板临时固定于目标平面上，利用固定相机拍摄包括目标平面和所有标定板的图像，得到第一图像；

13)将标定板固定在目标平面附近，利用固定相机拍摄包括目标平面和所有标定板的图像，得到第二图像；

14)使世界坐标系中的X_WO_WY_W平面与目标平面的共面，得到标准世界坐标系；求解第二图像中所有标定板在标准世界坐标系中的坐标；

步骤二：测量位移