无人机时空数据获取技术

李清泉教授无人直升机多传感器集成时空数据获取技术测绘遥感信息工程国家重点实验室时空数据智能获取及应用教育部工程研究中心武汉大学2010.11.02报告内容研究背景与需求1.系统架构2.关键技术3.实验4.应用领域5.1.研究背景及需求无人直升机测图系统背景1•现有测图手段存在的一些缺点灵活性容易性低价格无人驾驶飞行器遥感系统凭借其机动、快速、经济等优势，已经成为世界各国争相研究的热点课题，现已逐步从研究开发发展到实际应用阶段，将成为未来的主要航空遥感平台之一，应用领域与产业化前景可观。CAMCOPTERS-100(AustriaSchiebel)MD4-200系统(德国四旋翼飞行器系统)SR200VTOLUAV(USA)无人直升机测图系统背景1无人直升机测图系统背景1无人机直升测图的优势由于采用无人及远距离操作、适合于人无法达到的危险地区作业火山监测滑坡与塌方调查地雷探测冰川与泥石流监测大坝监测雪崩无人直升机测图系统背景1无人机直升测图的优势由于体积小、重量轻，一般不算做飞行器受限制小,搬运方便无人直升机测图系统背景1无人直升机测图的优势相对于固定翼无人机，无人直升机载重量大，可以同时搭载多种传感器激光雷达高分辨率相机红外相机GNSS/IMU同步控制器无人直升机测图系统背景1无人机直升测图的优势由于飞行高度低,能够获取高分辨率数据在空中飞行,视点高，地面地物遮挡少,便于获取高质量的纹理信息用于3D建模和小范围测图作业无人直升机测图系统背景1√0204060801001201401601802002000200420082010北美欧洲亚太中国MUSD无人直升机的应用产值发展趋势(来源：Driscoll-Wolfe)全球无人直升机应用概况1飞前准备等待起飞指令空中悬停培训讨论武汉大学无人直升机1性能指标–主旋翼直径：3.2m–尾旋翼直径：0.65m–主旋翼转速：840rpm–净重：44kg–发动机：100cc，18PS–续航时间：1.5h–最大航速：60km/h–最大航高：2500m–有效载荷：18kg–控制方式：手动遥控/自主控制/混合控制武汉大学无人直升机1HeliMapper系统架构2.武汉大学无人直升机多功能三维测量系统HeliMapper搭载的传感器：–可见光相机–红外相机–Riegl激光扫描仪–NovatelSPAN系列POS（GPS/INS）–无线视频HeliMapper系统架构2HeliMapper系统架构2无人直升机多功能三维测量系统HeliMapper授时、定位、测姿系统测量传感器控制系统授时型GPS测量型GPS惯性导航仪IMUCCD相机激光扫描仪同步控制器单板计算机飞行平台无人直升机地面控制站可见光相机2可量测型单反相机红外相机2技术参数：•SXGA(1280x1024)1.3兆象素CMOS传感器(每个通道一个)•25mm标准滤光片(每个通道一个)•图像以DCM格式存储于闪存卡内•C-mout系统和其他镜头都兼容(提供8.5mm镜头)•USB接口•多针I/O转接口,可连接Tetracam显示美国TETRACAMInc多光谱相机激光扫描仪2扫描角度80°角度分辨率0.20°距离分辨率/最大误差在反射率为10%情况下10mm/±25mm测量距离200米温度范围0to+50°C扫描速度75HZ•RieglLMS-Q160输入电压DC18-32V，功率36W左右；重量：4.6kg；其数据输出接口为TCP/IP，波特率最大可达到100Mbps；机械特性：加固防摔。NovatelSPAN系列POS2•NovatelSPAN-CPT无线视频2工业相机采集视频数据通过无线视频服务器传输到计算机上保证数据的实时获取。可以实现无线视频的方式有两种：•3G无线传输：采用CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA;•专用的无线通信设备HeliMapper系统架构2触发CCD相机SPAN系列POS机载计算机授时型GPS同步控制器Riegl激光扫描仪授时扫描点时间同步信息GPS/IMU原始数据影像HeliMapper关键技术3.HeliMapper关键技术3影像处理技术多传感器同步技术激光数据处理技术多传感器标定技术直接地理参考HeliMapper由于无人直升机系统是在动态条件下工作，为达到较高的数据融合配准的时间精度要求，其传感器控制信号一般采用脉冲电信号，以实现“即时”的工作多传感器同步控制3GPS星座GPS天线GPSOEM板时间/秒脉冲RS232设置命令GPS时钟可编程逻辑器件CCD相机触发脉冲单板电脑RS232同步数据影像数据同步回路微控制单元Riegl激光扫描仪同步信号点云数据多传感器集成与同步控制技术路线GPSIMU热红外相机位置时间加速度角速度热红外图像点云光学影像时间、位置、姿态、速度数据源数据融合激光扫描仪数码相机航迹、姿态数据库…地表温度场分布、地表三维点云数据库…三维场景重建、虚拟现实…GPS/IMU融合航位推算卡尔曼滤波器红外图像与POS数据融合激光点云数据与POS数据融合激光三维点云与影像融合数据库及应用无人机三维测量数据融合GPS差分处理GPS/IMU数据融合GPS自动空三对激光数据进行绝对定向处理GPS基准站IMU数码相机影像激光点群数据GPS移动站DSM制作与地物提取高精度定位及姿态数据惯性解析处理激光点辅助下做立体影像匹配(融和)为了实现空间基准的统一，需要进行多传感器的标定。单传感器标定–Camera–Lidar–IMU&GPS系统标定–POS&Camera–POS&Lidar–Lidar&Camera多传感器标定3多传感器标定3a.标定参数均设为零时点云图像b.带入标定参数后的点云图像POS与激光相互关系的标定ZYX地面控制点只需GPS参考站对测区图形不再要求GPS基站解算简单，效率高应用领域广阔GPS流动站IMUTimePosition(x,y,z)Attitude(R,P,H)▲直接地理参考（POS）3差分GPS（基站、流动站）惯性测量单元IMU后处理软件GPS基站zSxSSensorIMUGPS天线zBxByByS直接地理参考（POS）组成3低空影像存在的问题3传统摄影测量–航向重叠60%–旁向重叠30%–姿态角3°无人机摄影测量–航向重叠70-85%–旁向重叠35-55%–姿态角可达10°以上姿态不稳定，需要新的初始值计算方法姿态不稳定，基于灰度的相关系数匹配失效重叠度增大，增加观测值个数，增加解算稳定和可靠性小像幅、小基高比航高H基线B基线B大像幅小像幅低空影像存在的问题3由于单幅影像覆盖面积小，正射影像图接缝工作量变大，像对模型变多，增加了模型切换和模型接边工作量基高比变小，使得空中三角形不稳定，降低解算稳定性二维平面法低空相机标定3•室外三维检校场低空相机标定3影像处理实例（拼接）3无人机LiDAR测图技术3LiDAR测图特点DEM和DSM可以快速直接从LiDAR点云中得到基于DEM和影像资料可直接生成DOM是否可以跳出构建立体像对模型进行DLG测图？无人机LiDAR测图技术3LiDAR测图的途径LiDAR点云POS数据数字影像DSMDEMDOMDOM采编DOM+点云DOM+DEM影像+点云DLG无人机LiDAR测图技术3DOM采编线划图无人机LiDAR测图技术3DOM+点云测图与检查DOM+点云采编无人机LiDAR测图技术3DOM+点云采编无人机LiDAR测图技术3立体测标DOM+DSM+DOM构建立体环境测图实验4.2010年8月28日，HeliMapper在武汉市江夏区进行了首次全状态试飞，规划航线成三角形，飞行高度30米，持续时间约20分钟。GPS采样频率5Hz，IMU采样频率200Hz，Riegl扫描仪每秒30线，CCD相机曝光间隔2s。实验4实验4HeliMapper数据处理流程Riegl原始数据GPS/IMU原始数据同步数据影像数据采用WayPoint软件后处理，GPS/IMU融合预处理，剔除异常值时间、坐标、姿态坐标转换数据融合影像拼接测区点云数据干净观测值测区全景影像实验4HeliMapper实验数据处理实验航迹图点位相对精度实验4HeliMapper实验数据处理实验区点云图像拼接后的影像五、应用国土与测绘领域环境与灾害领域工程与勘察领域智能交通领域军事领域其它领域国土调查–采用无人机遥感监测技术，及时、准确地掌握土地资源分布、土地变更、非法占地、利用开发现状等国土资源管理信息，提高国土资源管理效率国土与测绘领域5电厂新农村小城镇国土与测绘领域5大比例尺测图三维场景DOM小范围真正射影像生成直接三维场景切点，不需立体观测线化图编辑大比例尺测图国土与测绘领域5无人机拍摄图像更新GIS数据GIS数据库更新–快速对地质环境信息和过时的GIS数据库进行更新、修正、和升级。为政府和相关部门的行政管理、土地、地质环境治理，提供及时的技术保证国土与测绘领域5倾斜摄影测图国土与测绘领域5倾斜摄影测图国土与测绘领域5环境与灾害领域5森林防火–通过无人直升机系统，对林区进行全天候监测，及时发现火情，对已出现火情的地区进行实时火情发展态势观察环境与灾害领域5环境污染调查–通过利用无人机拍摄低空大比例尺图像，进行异常提取，解译非法废弃堆积物、非法污水和废气排放，用于环境污染和执法调查四川省什邡市蓥华镇蓥峰实业厂区灾情甘肃省嘉陵县嘉陵江堰塞湖灾情灾前图片灾后图片美国北卡罗莱纳四川甘肃环境与灾害领域5灾情调查工程与勘察领域5电力线高度测量电力巡线电力设施损坏工程与勘察领域5公路勘察与改扩建智能交通领域5交通信息获取反恐、侦查军事领域5其它领域5考古曹操高陵航拍图其他领域5森林资源调查其他领域5影视娱乐其他领域5追逐自由飞行的梦想谢谢大家！