无人飞机摄影测量技术研究与应用

无人机摄影测量技术研究与应用二0一三年十月主要内容引言1影像快速获取技术研究234应用与推广5影像自动化处理技术研究大比例尺成图技术研究一、引言•传统航空摄影及卫星遥感周期长、天气要求高，难以满足经济社会服务以及应急救灾的及时性方面的需求及时测绘的需要•传统航空摄影及卫星遥感地面分辨率相对较低，影像光能量相对较低，难以比较好的获取到高分辨率、高清晰度、高精度的影像数据。不能满足精细测绘的需要精细测绘的需要技术路线本研究的技术路线是综合利用无人飞机技术、数字图像处理技术、GPS技术、广西CORS技术、航空摄影测量技术、GIS技术、无线通信技术等多种先进技术，根据广西地形地貌和气候特点、以无人飞机为飞行载体，搭载非量测数码相机作为影像获取系统，采用GPS导航实现无人飞机的自动飞行和影像的获取，并以数字图像处理技术和航空摄影测量技术为理论基础，实现影像数据的快速获取、空间定位、自动拼接以及地理信息数据的获取与更新。广西第一测绘院野外实地踏勘、起飞场地确认像控点测量空中三角测量区域网平差无人机航空摄影DEM生成DOM生成DLG数据采集模型恢复DLG成果像控点布设可用已有地形资料成果应用明确任务、收集及分析资料方案制定、航线设计影像快速获取影像自动化处理大比例成图1、GPS辅助2、像控布设测量3、空三自动化处理1、无人飞机2、影像传感器3、航线设计4、飞行控制1、DOM2、DEM3、DLG4、三维建模影像快速获取影像自动化处理大比例尺成图数据应用1、应急救灾2、土地整治3、新农村建设4、数字城市5……研究任务二、影像快速获取技术研究影像获取传感器的研究航线设计与规划无人机平台选择1、无人直升机无人机类型选择优点：起飞降落不需要场地要求缺点：抗湍流的能力差稳定性差、续航能力较差操作较复杂、载荷较低。优点：载荷能力大、起降要求不高安全性相对较高缺点：抗风能力差成本高运输携带不方便效率较低2、无人飞艇无人机类型选择3、固定翼无人机优点：抗风能力强、稳定性好续航能力好、操作相对简单作业效率高、成本相对较低缺点：起飞降落场地有一定要求有效载荷相对较低无人机类型选择类型稳定性抗风能力续航能力场地要求载荷能力操作要求安全性成本费用旋翼无人机差较低普通定点起降较低复杂较低较高无人飞艇较好较低较高定点起降高普通较高昂贵固定翼无人机好较高较高略高较高普通较高普通各种类型无人机参数对比表无人机类型选择航测对无人机的技术要求——像点位移，单位为像素——航摄飞机飞行速度，单位为米/秒——曝光时间，单位为秒——地面分辨率，单位为米成图比例尺地面分辨率值（cm）1:500≤51:10008~101:200015~20成图比例尺与地面分辨率关系航测对无人机航飞速度要求当进行大比例尺测图要求高分辨率（例如5cm）影像时，为保证影像清晰（例如，要求像移小于1cm），则必须限制航速（例如，快门1/1000秒时，航速低于36km/h）。——无人机重量——机翼面积——空气密度——飞机最大升力系数min2wVsc上式说明，为了能实现无人机的低空低速飞行，无人机的荷载一定要尽量小，来保证无人机总的重量尽量小。航测对无人机航飞速度要求航测对无人机的技术要求基本要求：起飞降落场地选择要求不高，操作相对简单。技术要求：固定翼无人飞机起飞必须要有起飞离地速度。航测对无人机起飞降落要求———飞机起飞离地速度计算式公式说明无人飞机载重越大，则起飞离地速度越大，要想飞机达到起飞离地速度，一是自身发动机带动滑跑加速到离地速度，二是借助外力把飞机加速到离地速度。目前市面上的几款无人机的起飞离地速度都在60Km/h左右。航测对无人机的技术要求广西第一测绘院广西地形地貌特点航测对无人机的技术要求无人飞机起降方式选择滑跑起飞弹射起飞车载起飞伞降滑降√√航测对无人机的技术要求航测对无人机飞行姿态有要求•像片倾角一般不大于5°，最大不超过12°出现超过8°的片数不多于总数的10%，特别困难地区一般不大于8°，最大不超过15°，出现超过10°的片数不多于总数的10%。像片倾角要求•像片旋角一般不大于15°，在确保航向和旁向重叠满足要求的前提下，个别最大旋角不能超过30°，在同一航线上旋角超过20°像片数不能多于3片，超过15°旋角的像片数不能超过分区像片总数的10%。像片旋角要求航测对无人机的技术要求航测对无人机飞行姿态有要求飞机飞行的姿态是靠飞行控制系统来控制的，飞控系统定位定姿的精度对像片的质量与精度有很大的影响航测对无人机的技术要求航测对无人机的技术要求航测对无人机飞控系统的要求1、能采集电池电压、GPS导航定位、发动机转速、气压高度、空速等信息2、具备遥控、半自主、自主三种飞行控制模式3、具备GPS/INS惯性导航功能、GPS数据输出频率不小于4Hz4、能实现飞行姿态、飞行高度、飞行速度的稳定控制5、可预置航线、航点间具备沿线飞行和斜坡飞行模式，能实现对飞行航迹控制6、航路点数量大于1000，航路点数据可在飞行中修改、目标航点可实时修改7、飞行姿态稳定度控制：横滚角应小于±3°、俯仰角应小于±3°、航向角误差应小于±3°；8、航迹控制精度：偏航距应小于±20m、航高差应小于±20m、直线段航迹弯曲度应小于±5°。航测对无人机的技术要求遥控频率：L波段调制方式：FHSS遥控功率：1W遥测频率：L波段调制方式：FHSS遥测功率：1W遥测频点：16个控制半径：30km任务航线规划：≥10条地面控制站可同时控制数量：不小于3架航测对无人机数据链路的要求航测对无人机地面控制站的要求实现对无人机飞行状态及机载设备工作状态的实时遥控；实现对无人机飞行状态及机载设备工作状态的实时遥测；实现对无人机飞行航迹和遥测参数的综合处理、显示和记录；实现无人机航测信息的实时采集、传输、处理、显示与记录；对无人机的自动跟踪定位功能；具有任务规划和链路监控能力。航测对无人机的技术要求TEXTTEXTTEXTTEXT实时直观地显示飞行航迹和飞行参数及设备工作状态。飞机综合航迹以及遥测数据的处理、存储、显示及回放。飞行指挥和遥控指令的发送、记录与回放。具有飞机航线、航路点的无线电装订功能。记录所有检测数据和操作指令；航测对无人机地面控制站的要求航测对无人机的技术要求航测对无人机的技术要求存在问题改进方法对比作业时间短、效率不高选择新款机体机翼，将原系统电子设备移至新平台使用，提高飞机平台的载油量，安全作业时间达到3.5小时，作业效率显著提升。a.飞行时间增加了1倍b.飞行面积增加1倍c.飞行风险成本降低电台信号差、安全系数低a.选用433数字电台取代原系统的国产模拟电台，具有尺寸小、功率大、传输距离远等特点，遇到干扰能自动跳频，抗干扰能力显著提升；b.配备可通过手机SIM卡回传实时坐标的GPS，在突发情况下能快速找回无人机。a.基本实现地面实时监控b.飞行平台可控性提高c.飞行平台安全性增强长航时无人机无合适场地在各个县级、地级市寻找适合长航时无人机起飞降落的长期场地（废弃机场、断头公路等），以做到能覆盖全区的场地分布为目标。充分发挥长航时无人机优势；大面积作业。航测对无人机的技术要求航测对影像传感器的技术要求基本要求：1、适应低空无人飞机轻荷载条件；一般不大于3kg.2、要满足低空航测高分辨率高精度的性能要求。技术要求：1、定焦镜头，可对焦无穷远2、成像像素超过2000万像素3、快门速度小于1/1000秒4、非量测相机可量测化-——相机标定相机焦距重量像素快门速度价格Canon5DMark-II24mm35mm约1.2Kg2110万1/80002万NiKonD80035mm约1.5Kg3630万1/80002万SonyNex-724mm500g2430万1/40001万航测对影像传感器的技术要求非量测相机可量测化与传统航空胶片相机和专业航摄仪相比，非量测相机内方位元素未知，且存在较大畸变。因此，要实现非量测CCD数字相机量测化的目的，就必须对非量测相机严格标定。数码相机畸变(Δx,Δy)主要由径向畸变、偏心畸变和CCD面阵的内部变形畸变组成。通过专业检校场提供的固定外方位元素信息即可反演技术相应的畸变参数，用于后期像片的畸变差校正，进而求解出相机拍摄像点中心的坐标信息和主距信息，实现非量测相机的量测化。航测对影像传感器的技术要求k0,k1,k2为径向畸变系数；p1,p2为切向畸变系数。————共线方程航测对影像传感器的技术要求航测对影像传感器的技术要求双拼数码相机佳5DMarkII相机双相机单相机像幅大小（像素）7168*54405616*3744基高比值12.19/H8.39/H像元大小（微米）0.00640.0064视场角（度）86°*64°54°*38°镜头焦距（毫米）3535单相机与双相机技术参数对比航测对影像传感器的技术要求1、扩大面阵传感器容量2、形成组合宽角视场根据航程和航向重叠要求，对航程进行等距划分，确定每个曝光点位置1、30~90米采样间隔DEM数据2、双频GPS接收机3、自动调整拍照点间距和航线间距，保证立体观测重叠度指标航线设计等距拍照定点拍照航测对航线规划设计的技术要求航线设计研究成图比例尺地面分辨率值（cm）1:500≤51:10008~101:200015~20成图比例尺与地面分辨率关系航测对航线规划设计的技术要求h基—航摄分区基准面高程，单位为米；hi—分区内DEM格网点的高程值，单位为米。H—摄影航高，单位为米；f—镜头焦距，单位为毫米；a—像元尺寸，单位为毫米；GSD-地面分辨率，单位为米；基准面高程航高航测对航线规划设计的技术要求摄影基线航线间隔像片重叠度航测对航线规划设计的技术要求二、影像快速获取技术研究GPS辅助无人机航空摄影空三自动化处理技术像控点布设及测量明确任务及目标收集材料分析资料航摄资料原有资料确定布点方式像控点选点满足要求不满足要求补摄外业量测合格不合格整理并交予外业有地形图资料内业刺点像控点布设及测量根据无人机飞行平台上搭载的数码相机参数，按照无人机数字成果的精度要求，根据基线估算公式，布设像控点。具体请参照《CH/Z3004-2010低空数字航空摄影测量外业规范》。30.28246sqmKmnn30.08823100hqHmmnnb——连接点（空三加密点）的平面中误差，单位为毫米（mm）；——连接点（空三加密点）的高程中误差，单位为米（m）；——像片放大成图的倍数；——相对航高，单位为米（m）；——像片基线长度，单位为毫米（mm）；——视差量测的单位权中误差，单位为毫米（mm）；——航线方向相邻平高控制点的间隔基线数。smhmKHbqmn几款相机的基本参数注：本表中的像片基线长度b1，b2按航向重叠65%计算。像控点布设及测量1:500、1:1000、1:2000成图比例尺平面控制点航向基线数跨度像控点布设及测量1:2000比例尺影像短边垂直航向时高程控制点基线数跨度像控点布设及测量广西第一测绘院1:500、1:1000、1:2000地形图航空摄影测量内业规范（GB/T7930-2008）地形类别平地、丘陵地山地、高山地加密点中误差0.40.55地物点中误差0.60.8平面位置中误差单位：毫米比例尺1∶5001∶10001∶2000地形类别平地丘陵山地高山地平地丘陵山地高山地平地丘陵山地高山地基本等高距0.51.01.01.00.51.01.02.01.01.02.02.0中误差加密点——0.350.5—0.350.51.0—0.350.81.2注记点0.20.40.50.70.20.50.71.50.40.51.21.5等高线0.250.50.71.0地形变换点0.250.71.02.0地形变换点0.50.71.5地形变换点2.0地形变换点高程中误差单位：米像控点布设及测量比例尺1：500、1：10001：2000基线数34563456加密点平面中误差（m）0.20.240.30.370.20.240.30.37加密点高程中误差（m）————0.350.400.470.54基线跨