[发明专利]一种实时的数字表面模型生成方法

说明书

本发明提出一种实时的数字表面模型生成方法，以无人机携带相机所拍到的当前帧图像与经SLAM实时输出的当前帧特征点与点云作为输入数据，实时地生成DSM。首先机载相机实时进行地表图像拍摄，并进行实时SLAM处理，得到当前帧的特征点以及构建的地图点云；并对当前帧特征点以及地图点云进行前期预处理；其次生成当前帧的DSM纹理与规则网格；最后分别进行DSM纹理以及规则网格融合。本发明能满足实时性要求，生成速度快、时间复杂度小，内存消耗低，鲁棒性和精度高，拼接效果好。

技术领域

本发明涉及计算机视觉与地图测绘领域，具体地说，是一种实时的数字表面模型(DSM,Digital Surface Model)生成方法。

背景技术

DSM(数字表面模型)是指包含了地表建筑物、桥梁和树木等高度的地面高程模型。DSM能够真实地表达地面起伏情况，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。如在森林地区，可以用于检测森林的生长情况；在城区，DSM可以用于检查城市的发展情况；特别是众所周知的巡航导弹，它不仅需要数字地面模型(DSM)，而更需要的是数字表面模型，这样才有可能使巡航导弹在低空飞行过程中，逢山让山，逢森林让森林。

由于生成DSM的数据获取方式不同、生成算法各异等原因，DSM的生成方法有很多，最常用的生成方法就是对现有地形图进行数字化，以获取原数据，并用于构建不规则三角网格从而建立DSM，或者直接通过内插的方法建立DSM。DSM的生成方式可以根据其数据来源及采集方式进行划分，DSM的原数据来源主要分为：(1)航空或航天影像，通过摄影测量途径获取；(2)地面测量数据，通过GPS、全站仪、经纬仪等在野外获取地面点数据，经计算机处理变换后生成数字表面模型；(3)利用气压测高法、航空测高法和重力测量法等方法来获得地面高程数据。

虽然通过上述几种获取原数据的方法都可以采集到高程点或者等高线，然后进一步内插得到DSM，但是缺点也较为明显：(1)根据地面测量来获取数据的方法要全程人工，且工作量巨大、周期较长、更新十分困难、费用较高，一般不适合大规模采集数据，此外地形图的精度决定着地形图对实际地形表达的可信度，地形图比例尺越小，地形的综合程度就越大，所表示的地形也就越概括和近似，反之亦然；(2)利用测高法来获取原数据的方法精度较低，成本较高，实施较为困难。(3)利用摄影测量获取数据的方法中，航天影像的方法获取的高程数据精度较低，且只能获取大范围小比例尺数据，具有一定的局限性。航空影像测量的方法相较于其他几种方法更为有效，且其作为获取DSM数据最主要的手段一直受从事相关工作的人员所青睐。特别是由于近些年随着无人机与计算机视觉的发展，航空影像的获取成本较低且容易实现，促使DSM生成算法的研究又掀起了一段热潮。

目前以无人机与计算机相结合来获取数据进而生成DSM的研究，大多是基于多视图几何的方法，如机器视觉领域的从运动恢复结构SFM(Structure from Motion)就是通过无人机在任意场景飞行时所拍摄的所有正射影像，利用计算机视觉的几何方法来求得来求得拍摄每一个关键帧时的相机位姿与所有特征点的三维坐标，再利用所有的影像与三维点云离线求得DSM。尽管该方法能够生成DSM，且能达到较好效果，但由于传统的SFM往往侧重处理大量无序图像而并非实时的定位与建图，所以大多现有DSM生成算法也都为离线方式，没有达到在线实时的速度，而且现有的离线算法耗时也较长。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种实时的数字表面模型生成方法，以无人机携带相机所拍到的当前帧图像与经SLAM(同时定位与地图构建)实时输出的当前帧特征点与点云作为输入数据，实时地生成DSM。由于SLAM的技术现已比较成熟，本发明中直接采用现有的SLAM方法。

本发明采用的技术方案为：

所述一种实时的数字表面模型生成方法，其特征在于：包括以下步骤：