浅析低空无人机在测绘中的应用--《科学中国人》2016年23期
浅析低空无人机在测绘中的应用
【摘要】：低空无人机在测绘中的应用非常重要,其能够拍摄出更加清晰的画面,进行更加准确的定位,为测绘行业的发展加油助力。本文主要分析了低空无人机在测绘应用中的现状和优势,对其应用进行了详尽的阐述,希望可以为低空无人机在测绘中的应用质量提升提供一点借鉴。
【作者单位】：
【分类号】：P231
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400-819-9993无人机应用于航空测绘的解决方案
　　一、 背景简介
　　1、行业背景
　　随着3S技术为代表的高新测绘技术和计算机技术的快速发展，传统的测绘行业正在迅速向地理信息产业转化。传统的测绘生产主体模式已发生根本性变化，产品由模拟形式转为数字形式，大量的外业测量被室内地理信息采集所取代。地理信息的采集、存贮、加工和分发已成为一种全新的概念。
　　2、行业需求
　　随着市场经济体制的建立和不断完善，测绘市场发育趋向成熟。首先，测绘产品的需求不断增大，服务领域不断拓宽。近年来，除传统用户外，电信、公安、环保、金融等行业的需求不断增长，测绘产品的服务面几乎覆盖了国民经济的所有行业，初步实现了测绘为国民经济建设、国防、民众和政府服务的行业目标，充分显示了测绘行业的重要性。
　　二、行业需求分析
　　三、无人机航空测绘系统具体解决方案
　　（一）应用无人机遥感技术采集数据
　　我司通过无人机航摄所获取的竖直摄影影像、交向摄影影像、倾斜影影像以及复杂航线多基线摄影影像；通过多视影像匹配自动构建空中三角测量网，能进行多达10000片影像的大区域网光束平差；配合低空遥感的高分辨率影像，实现高精度航测定位；并且，能自动化生产数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）等产品。
　　（1）快速响应
　　无人机航测通常低空飞行，空域申请便利，受气候条件影响较小。对起降场地的要求，可通过一段较为平整的路面实现起降。升空准备时间15分钟即可、操作简单、运输便利。车载系统可迅速到达作业区附近设站，根据任务要求每天可获取数十至两百平方公里的航测结果。
　　（2）快速获取地表数据和建模
　　系统携带的数码相机、数字彩色航摄相机等设备可快速获取地表信息，获取超高分辨率数字影像和高精度定位数据，生成DEM、三维正射影像图、三维景观模型、三维地表模型等二维、三维可视化数据，便于进行各类环境下应用系统的开发和应用。
　　（二）利用像素工厂进行后期数据处理
　　公司利用无人机遥感技术，结合像素工厂进行信息处理和分析。所得的数据将成立体三维图像，实时反馈给主管部门。
　　像素工厂（Pixel Factory，PF）由法国SPOT INFOTERRA公司研制开发，是一套用于大型生产的对地观测数据处理系统，是一种能批量生产，且由一系列算法、工作流程和硬件设备组成的复合最优化系统，包含具有强大计算能力的若干个计算节点。输入航空数码影像、卫星影像、或者传统光学扫描影像，在少量人工干预的条件下，经过一系列自动化处理，输出包括数字表面模型（DSM）、数字高程模型（DEM）、正射影像（DOM）以及真正射影像（TDOM）等产品，并能生成一系列其他中间产品。
　　数字产品
　　1. 大规模生产真正射影像和传统正射影像
　　真正射影像（TrueOrtho&）指所有物体的倾斜均被纠正的一种镶嵌影像。它是利用数字表面模型DSM，采用数字微分纠正技术，改正原始影像的几何变形，保证影像上每点都是完全垂直视角。像素工厂可以通过对多视角的影像逐点计算，消除所有倾斜，生成真正射影像。与传统的正射影像相比，在大比例尺影像图中，避免了高大建筑的倾斜对其它地物的遮挡，在拼接地区能够实现平滑自然的过渡。利用完美的DSM 能够生成完美的真正射影像。像素工厂实现了真正射产品的商业化和大规模生产，并实现了针对真正射影像的一系列解决方案，例如大气纠正、物理纠正、匀色等。真正射影像图直接用于做线画图，可大大降低制图成本，提高作业效率。
　　传统摄影测量处理中，经过数字高程模型（DEM）校正、镶嵌得到正射影像。根据影像获取的几何原理，繁华的城市地区需要一些手工编辑以最小化每张影像的视差（建筑物倾斜） 。而真正射影像通过高精度DSM纠正消除了所有视差，建立了完全垂直视角的地表景观，建筑物保持垂直视角，因此在真正射影像上，只显示了建筑物的顶部，不显示侧面，避免了高大建筑物对其他地表信息（其他较矮建筑物、道路、停车场、绿地等）的遮挡，恢复了桥梁的正确方位。下图反映了传统正射影像与真正射影像之间的主要区别。
　　（a） 传统正射影像中有建筑物倾斜效果
　　（b） 真正射影像中没有任何建筑物倾斜效果
　　像素工厂专利产品-真正射影像&（全自动处理）
　　传统正射影像
　　真正射影像
　　2. 数字表面模型（DSM）
　　像素工厂具有全自动提取密集数字表面模型DSM的能力，与传统摄影测量系统相比，像素工厂的优势之一就在于数字表面模型（DSM） 的计算。传统的摄影测量系统计算DSM 需要人工估计高程信息，而&像素工厂&则可以在25cm 到1m 的地面采样距离（GSD） 之间自动进行DSM 计算， 无需人工干预。
　　在加载了影像数据之后，像素工厂会利用专有的算法生成大量立体像对，并将这些立体像对分配到可用的计算结点上进行并行计算，这样可以减少立体像对匹配过程所花费的时间。根据对多视角数据的自动多重相关，可轻松提取DSM，航向和旁向的立体像对之间通过多相关方法进行匹配，这是一个逐点进行计算的过程。自动化算法可从原始影像每两像素提取高程信息，最后通过融合得到数字表面模型。此外，像素工厂系统可以导入导出LAS（LIDAR）格式数据，因此可对LIDAR DSM和多重相关生成的DSM进行混合。
　　3.数字地形模型（DTM）
　　像素工厂通过对DSM采取滤波算法，可半自动化的生成DTM，减少50%到95%的人工编辑。
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电信与信息服务业务经营许可证：粤B2-多旋翼无人机在工程方量测绘中的应用多旋翼无人机在工程方量测绘中的应用DoNews百家号1 引言目前，对于高分辨率空间数据的获取的渠道仍然局限于遥感卫星影像、大飞机航拍等，造成数据重复采集，数据处理工作复杂，分辨率低，时效性和灵活性也远不能满足实际需求。无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，是一种有动力、可控制、能携带多种设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空平台。无人机遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、POS定位定姿技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专业化的特点，具有快速获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并进行实时处理、建模和分析的先进新兴航空遥感技术解决方案[1]。相对于载人飞机和固定翼无人机航空摄影测量而言，多旋翼无人机更加机动灵活，具有飞行可靠性高、安全性高、效率高、起飞和着陆场地要求低、操作简便、影像分辨率更高等特点，在天气晴朗、风力较小(5级以下)的情况下，可获得精度更高的航摄数据，是小范围航空摄影的发展重要趋势。2 多旋翼无人机测绘原理2.1飞控平台多旋翼无人机作为一种微型飞行器，在飞行过程中不仅易受由身物理特性(空气动力特性、重力特性、陀螺效应和旋翼惯量矩等)限制的影响，还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，飞行控制技术对保证无人机稳定性、安全性至关重要。多旋翼无人机的飞行控制系统包括三大部分：姿态控制、位置控制和高度控制。姿态控制通过由陀螺仪、加速度计、磁强计输出的角速度、加速度、磁强信息融合得到的姿态估计而获取反馈信息，并对反馈信息进行计算输出三个姿态控制参量，这三个控制参量与最终的转速分配，直接影响着电机转数，进而完成无人机位置、姿态和速度的控制，通过GPS与光流传感器获取位置信息、速度信息，进而实现无人机的位置控制。高度控制包括对无人机高度和爬升速度的控制，其通过GPS、超声测距传感器、加速度计、气压计数据进行融合得到的数据获取高度反馈信息，通过高度反馈信息计算相应的控制参量，将其输入到转速分配中，通过改变旋翼转速实现对高度的控制[2]。2.2影像采集及处理无人机影像采集根据任务的要求对测区进行航线规划(起降位置、飞行航线、重叠度、相机角度)，在航线规划系统中将规划好的航线上传至遥感空中控制子系统。无人机地面控制子系统按照规划的航线控制无人机的飞行，遥感空中控制子系统则按照预设的航线和拍摄方式控制照相进行拍摄。照相机将拍摄的影像及POS数据将自动写入到飞机存储器中[3]。3 Virtual Surveyor软件体积计算原理及方法Virtual Surveyor软件(简称VS软件)是通过将数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)和数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)合并成一个三维立体模型并创建一个虚拟的环境来处理大量的无人机航摄数据，利用模型信息融合生成综合模型的方法，自动化完整的展现出无人机成果所包含的全部信息，基于无人机处理后的真实数据，使信息可视化、可操作化，借助软件进一步的提取，可以得到更快捷的有效信息，完善和补充了地理空间信息生产。利用VS软件中的“体积计算”功能，将计算区域两次测得的模型结果偏移至同一标高，进行两次挖方计算，然后求差比较两次挖方的差值，即为两期间土方量的计算结果。4 多旋翼无人机土方量测量外业案例利用拓普康猎鹰8号八旋翼无人机对山西汾西正晖煤业有限公司昌元煤矿2号排土场间隔两个月的排土量进行量测。4.1 拓普康猎鹰8号八旋翼无人机航摄系统构成及特点八旋翼无人机专为检测和测绘应用而设计，采用顶级的传感器、自主减震、自动补偿相机支架等部件，搭载一架高清晰的RGB相机(索尼Alpha7R),适合需要采用高分辨率影像的小范围测量、测图、建模、绘图和检测项目。表4.1 拓普康猎鹰8号八旋翼无人机主要技术参数4.2确定作业区域坐标图4.1 日2号排土场图4.2 日2号排土场4.3布设并测量外业像控点像控点是摄影测量控制加密和测图的基础，其布设的精度和数量直接影响到航测数据后处理的精度，所以像控点的布设和选择应当规范、精确：①选择像控点时，应选择地形测量通视良好且可以明确辨认的地物点和目标点。②布设的标志应对空视角好，避免被建筑物、树木等遮挡。③黑白反差不大，地物有阴影以及某些弧形地物不应作为控制点点位目标。本次飞行区域内共布设6个像控点和4个检核点，并采用西安80坐标系和1985国家高程基准对其进行测量。4.4规划飞行航线飞行航线规划的主要目标是依据地形信息和执行任务的环境条件信息，综合考虑无人机的性能、到达时间、耗能、威胁以及飞行区域等约束条件，利用AscTec Navigator软件规划出一条或多条自出发点到目标点的最优或次优航线，保证无人机高效、快速地完成飞行任务。图4.1 AscTec Navigator软件航线规划本区域长350米，宽240米，两次飞行共十条往返航线，飞行高度80米，航向重叠75%，旁向重叠60%，地面采样间距11.18毫米，航拍照片数量384张。4.5航空摄影测量选择能见度&3000米，风力&5级的气象条件执行飞行航测任务。在航测过程中，全程监控多旋翼无人机平台的飞行轨迹、GPS信号强度、电量、高度、速度、姿态及其他参数，保证飞行的安全及数据的可靠性。4.6内业作业流程(1)利用Agisoft PhotoScan后处理软件对两次飞行任务航摄影像进行照片对齐、刺点空三解算得出密集点云数据、数字高程模型、数字表面模型及数字正射影像图。经检查4个检核点，平面和高程误差均在2厘米以内。图4.2 Agisoft PhotoScan软件界面(2)利用Virtual Surveyor软件对DEM和DOM文件建立三维模型。图4.3 Virtual Surveyor软件建立三维模型(3)利用VS软件中的计算体积功能，实地最低高程为1560m，将地形偏移水平面高程设置为1550m，进行挖方“体积计算”，并“修改地形”。如下图。图4.4 Virtual Surveyor进行第一次挖方量计算图4.5 Virtual Surveyor软件进行第二次挖方量计算(4)对两次挖方量进行对比计算。5 成果分析航测外业和内业计算两个环节决定了多旋翼无人机测量工程方量的精度。航测的精度与光照、风力、飞行重叠度、GPS信号强度、后处理软件进行空三加密处理的精度、外业像控点布设的位置选取、测点精度、人为刺点的精度、软件处理质量水平的高低等因素有关，航测外业的精度对最终结果的影响更大。经过实践，在适当的气象条件下，多旋翼无人机航测系统能够达到所需的航测精度，本文案例已经达到RTK产品的测量精度，满足了工程方量计算的需要。传统的数据采集方法采用人工测点，受地形限制，费时耗力，风险高且难以获取全面精确的数据，而利用无人机航测系统进行测绘则有效地避免了上述问题。6 结束语利用VS软件体积计算两期土方量，要求至少有两次以上的测量数据为基础，根据两次以同一标高为基准，偏移地形求两次填(挖)方差值算得两期间工程方量。方量的计算精度取决于采集数据的精度和数据采集的密度。采集数据的过程一定要保证数据的精度和完整度，为计算提供准确的数据。作为技术创新，无人机测量技术有力地推动了测量测绘技术的发展。加强无人机测绘技术的研究与应用，是提高测绘效率的有效手段，有利于有关部门及时掌握所需动态地理信息，促进创新测绘服务模式，积极推动国民经济社会信息化，从而保障经济社会健康快速地发展。参考文献[1] 张政，窦杰，陈冀渝，多旋翼无人机的航空摄影测量技术在电力测绘中的应用.科技尚品PREMIERE，2016.7(总第94期).[2] 甄宗坤，范占永，蔡东健.六旋翼无人机在城市测量中的应用.水利与建筑工程学报，第13卷第3期2015年6月.[3] 洪宇，龚建华，胡社荣，黄明祥.无人机遥感影像获取及后续处理探讨.遥感技术与应用，第23卷第4期2008年8月.本文由百家号作者上传并发布，百家号仅提供信息发布平台。文章仅代表作者个人观点，不代表百度立场。未经作者许可，不得转载。DoNews百家号最近更新：简介:专注科技报道，互联网行业的风行标。作者最新文章相关文章}