轻型无人机三维测图发展与应用

报告人：李明磊导师：刘少创研究员研究方向：摄影测量与遥感中科院遥感与数字地球研究所空间信息综合集成技术研究室轻型无人机三维测图发展与应用2016年4月18日星期一地面摄影测量航空测量无人机测图卫星遥感接触测量全站仪测量GPS测量测绘技术总览4提纲摄影测量与遥感简介1无人机三维测图发展2三维测图基本原理3应用举例和分析45摄影测量与遥感简介遥感的定义：不接触被探测的目标，利用传感器获取目标数据，通过对数据进行分析，获取被探测目标、区域和现象的有用信息。广义：电磁波(光、热、无线电波)；力场遥感(重力、磁力)；声波遥感；地震波遥感等。手段多、获取的信息量大波段的延长（可见光、红外、微波）使对地球的观测走向了全天候、全天时。宏观性、综合性覆盖范围大、信息丰富。一景TM影像为185×185km2；影像包含各种地表景观信息，有可见的，也有潜在的。极地卫星地球同步卫星飞机飞机地表观测数据接收地面工作站数据处理中心遥感摄影测量与遥感简介电影《猎杀本拉登》地球同步卫星路网DEMDOM地面工作站数据处理中心各种专题图摄影测量摄影测量与遥感简介航空摄影测量地形制图近景摄影测量三维建模工业摄影测量工业检测获取航片解析测量数据加工地图输出摄影测量摄影测量与遥感简介核心原理：前方交会三角测量多个角度对同一目标物成像，找到像片中的同名交会点，利用三角测量原理，计算三维空间坐标。摄影测量摄影测量与遥感简介11雷达遥感飞机多光谱扫描仪机载PHI扫描系统摄影测量与遥感简介中科院遥感所两架航空飞机退役的海军司令座机。适用于大范围测量、多传感器应用。问题：保养维护成本高；使用率低；灵活性若。摄影测量与遥感简介航空飞机的局限性从另一方面促使了无人机测图的发展。就三维测图而言，轻型无人机提供了更开阔的思路。13提纲摄影测量与遥感简介1无人机三维测图发展2三维测图基本原理3应用举例和分析4无人机三维测图发展航空摄影测量发展JosephNicephoneNiépce(1765-1833).法国1793年Niépce原理相机8小时曝光JacquesDaguerre1837Daguerreotype可用相机FrançoisJeanArago1840摄影测量名词1930Experimentalmap……1849-热气球摄影测量AiméLaussedatNadar模拟摄影测量FC-21920-ShermanFairchildFairchildAerialSurveys仙童航空摄影公司1937AbramsAerialSurveyCorporation美国艾布拉姆斯航测公司1956ER-55解析测图仪USGeologicalSurvey(USGS)美国地质调查局无人机三维测图发展航空摄影测量发展解析摄影测量无人机三维测图发展电影《间谍之桥》1960年美苏U2事件全球共击落7架美国U2高空侦察机。中国击落下5架。（蒋策划反攻大陆时期）航空摄影测量发展20世纪60年代之后，飞机和摄像机制造水平不断提高，航测推广非常迅速。无人机三维测图发展无人机摄影测量发展1980年代之后，无人机技术开始快速发展，随之人们开始将无人机应用到测绘遥感领域。简单理解，就是将飞行驾驶的飞机替换为无人机。再结合无人机的特点，进一步在软硬件方面提出改进。各式各样的军用无人机。跟很多科技一样，首先都是军需带动起来的，然后慢慢商业化和民用化。越来越多样性：•固定翼、旋翼……•单旋翼、多旋翼……•遥控式、全自动式......轻型无人机轻型无人机：•飞行距离10km•飞行高度300m•起飞重量30kg•续航时间20hr18无人机三维测图发展输出数据多样、应用广泛无人机三维测图发展无人机三维测图发展无人机三维测图发展厘米级别精度类似LiDAR点输出三维彩色点云数字正射影像三维测图数据多样、应用广泛22无人机三维测图发展无人机三维测图发展24提纲摄影测量与遥感简介1无人机三维测图发展2三维测图基本原理3应用举例和分析4三维点云三维几何模型工程应用三维重建建模基本流程机载相机摄影25三维测图基本原理三维测图基本原理核心原理：前方交会三角测量多个角度对同一目标物成像，找到像片中的同名交会点，利用三角测量原理，计算三维空间坐标。三维测图基本原理2728三维测图基本原理特征匹配分为三步：1）特征提取，2）特征描述，3）特征匹配。匹配代价计算：1.误差平方和系数2.归一化互相关系数3.零均值归一化相关系数常用特征描述算法：SIFT特征点、FAST特征点、Harris特征点、SURF特征点SIFT特征点三维测图基本原理30三维测图基本原理31三维测图基本原理三维测图基本原理33提纲摄影测量与遥感简介1无人机三维测图发展2三维测图基本原理3应用举例和分析4应用举例和分析34无人机测图作业流程35应用举例和分析无人机测图作业流程GPS/北斗遥控、数传飞控（GPS接收机、IMU）电池控制点应用举例和分析无人机测图作业流程•观测范围：1500x300m•飞行时间：10min•飞行高度：120m•像片数量：400pictures•地面分辨率：5cm应用举例和分析施工工地的地形测图应用举例和分析无人机测图作业流程观测范围：1.5x0.3km地面分辨率：5cm应用举例和分析应用举例和分析c控制点改正后b无控制点改正卫星遥感缺点：•1）数据质量和分辨率可能不足够精确诊断农情；•2）容易受天气影响，如云或雨；•3）“时间、地点”灵活性差；•4）卫星影像价格非常昂贵。应用举例和分析作物产量是基于多种因素的输入，如天气、灌溉条件、农药量、土壤、地形等。优化投入，产量和质量是非常重要的。遥感观测是非常有效的一种预防和自诊断手段，可以高效地完成作物估产和害虫预防等。•无人机遥感优势：•1）观测周期可以缩减到3-4天；•2）硬件一次性购买，费用低；•3）可以根据天气情况和农民偏好自主选择观测时间；•4）后处理更及时。精细农业遥感检测应用举例和分析不健康作物健康作物NIR和VIS分别为近红外波段和可见光红波段处的反射率值。精细农业遥感检测应用举例和分析精细农业遥感检测不健康作物健康作物NDVI（NormalizedDifferenceVegetationIndex，归一化差分植被指数,标准差异植被指数)，也称为生物量指标变化，可使植被从水和土中分离出来。NIR和VIS分别为近红外波段和可见光红波段处的反射率值。1.灌溉调度2.灌水均匀度3.施肥营养4.收益预期5.收割时期预测6.疾病监测7.害虫负荷8.土壤压实9.盐度重建对象是一个位于沙特阿拉伯吉达市的中心老城区，使用大疆无人机携带单反摄像机进行序列影像拍摄。摄像机采用SonyQX100，具有20M像素，24mm焦距，像素地面分辨率约为2.5~3.0cm应用举例和分析47文化古城区无人机倾斜摄影三维建模应用举例和分析室内三维建模应用举例和分析49深空探测中的摄影测量应用应用举例和分析50应用举例和分析未来发展方向•1）测图实时化；•2）多传感器数据融合；•3）作业智能化；•4）抗破坏性更强；•……思考！？