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无人机航测技术的发展与应用探讨

发布时间:2017-12-07 09:07:00 文章来源:未来智讯    
    关键词:无人机;航空遥感;测量系统
    1 引言
    无人机航摄系统是一种以无人机(Unmanned Aerial Vehicle,简称 UAV)为平台,搭载小型影像传感器,借助卫星导航技术、通讯技术实现低空航摄飞行,快速获取地面影像数据的系统。该系统具有机动性强、成本低、外部环境影响小、分辨率高、作业周期短等优势,逐渐成为工程数据获取的重要手段之一。发展低空遥感产业,不仅能满足一定范围的数据获取的需要,更重要的是能促进完善我国航空遥感体系,改善我国地理空间数据的获取、处理和分析能力,促进高分辨率遥感数据在国家不同领域的应用,减少对国外高分辨率遥感数据的过分依赖。
    2 无人机摄影测量系统的组成
    2.1 硬件组成
    无人机测绘遥感系统由无人机飞行平台、传感器、飞行控制系统、地面监控系统以及地面运输与保障系统五部分组成。国内比较成熟的飞行平台有“垂直尾”型无人机、“双发”型无人机“倒桅尾”型无人机等,搭载高端单反数码相机,无人机飞行控制系统主要包括自动驾驶仪、GPS导航仪、姿态控制仪、高度计、气压计等。关键技术为GPS导航控制的定点曝光技术和相机旋偏改正技术。地面监控系统主要包括通讯系统、监控软件系统和维护系统。
    2.2 软件组成
    无人机航空摄影及影像处理比传统航测复杂很多,为保证航摄质量需进行精确航摄规划、航摄质量快速检查及影像快速预处理等,完成这些工作需配置相应的软件。
    精确航摄任务规划软件主要用于航摄任务规划,功能包括:设计成果统计与制图、自动/半自动航摄分区、自动航线敷设、自动调整曝光点间距、航线间距,保证立体观测重叠度指标、修改编辑曝光点、航线功能、构架航线、基站布设功能、片数、航线长度、距离等统计报告。航摄质量快速检查软件包括以下技术内容:快速浏览影像质量、检查重叠度指标、检查旋偏角指标、自动形成像片预览索引图、影像自动批量打号、输出航摄质量检查统计报表、快速检查飞行数据覆盖情况,以便决定补飞以及撤场事宜。同时直接关系到作业效率,飞行质量检查与评价。最核心的指标是重叠度和旋偏角,必须满足航测规范的要求。两张相邻航片,通过一对同名点即可根据影像宽度计算重叠度和旋偏角,数字航片原始片像素数固定,按照同样方式重采样后的预览片也可计算重叠度。
    影像快速预处理软件的主要目的是为了改正无人机航摄影像的畸变差,基于影像纠正变换的畸变差改正软件就是为了提高摄影测量的精度,以便于后期处理时模型间的相对定向。软件包括以下技术功能:
    ⑴ 批处理读入TIF格式原始影像数据。
    ⑵ 读入相机参数文件。
    ⑶ 自动完成畸变差改正。
    ⑷ 对影像上像点坐标进行系统误差改正。
    3 无人机摄影测量的特点
    无人机飞行平台自身的特性,使得无人机航摄影像和传统航摄影像之间有一定的差异。与传统航空摄影相比,无人机航摄系统的主要特点包括:搭载的是非量测数码相机、无人机平台飞行姿态不稳定、影像不仅像幅小而且重叠度大以及基商比小等。目前,专业的量测相机有SWDC-4数码航摄仪、ADS40、ADS80、Ultra CAM大幅面数字航摄相机以及数字航摄相机DMC(Digital Mapping Camera)等,这些专业量测相机质量大、价格高主要适用于有人飞机的航空摄影测量,小型无人机平台是无法荷载这些专业测量相机的。因此,无人机航摄系统使用的都是价格低、质量轻的非量测数码相机。传统航空摄影使用最多的是23cmX23cni和18cmX 18cm两种规格的胶片,而像幅尺寸与胶片大小有直接关系。但是,无人机航摄系统使用的非量测数码相机的像幅很小,航摄时通常设置成最大像幅模式,以便更好的利用像幅面积。因为航摄图片像幅的大小,直接影响航摄基线的长短。所以,当使用无人机进行航摄作业时,航摄基线变短,基高比变小。这就意味着空中三角形的稳定性变差,解算精度下降。小型无人机飞行平台自身的特性决定了它在低空飞行时容易受到气流的干扰。传统摄影测量采用有人大型飞机,飞行时受气流影响小姿态比较稳定。只要姿态角在±3°内,航向重叠度达到60%、旁向重叠度达到30%就可满足精度要求。同样的天气状况,无人机平台的姿态角会达到±10°或者更大。所以无人机影像重叠度都要比传统航摄影像的重叠度大很多,通常航向重叠度设置为70-85%、旁向重叠度设置为35-55%。以此来保证航摄影像的质量和后续处理成果的精度。
    4 无人机航测的应用
    4.1电网应急救灾
    我国属于自然灾害多发国家,平均每年因灾造成直接经济损失近2000亿元,灾害突发时,采取恰当的应急措施可以大幅降低经济损失。为应对突发的自然灾害,减轻灾害对国家电网造成的损失,及时恢复、重建电网,国家电网公司建立了应急救灾指挥中心,但应急手段还须完善。灾害发生时及时获取灾区的高清晰影像,第一时间为应急救灾指挥中心 提供现场影像资料至关重要。但是,灾害发生时往往伴随恶劣的天气状况,如2008年南方冰灾,当时的受灾地区受天气影响,采用普通航飞、卫星拍摄等方法无法及时获取灾区的高分辨率影像,利用无人机低空遥感系统机动性高、环境适应性强、无需机场起降、对天气条件要求低等特点,可以及时、高效获取高清晰影像,为国网公司应急救灾指挥中心进行灾害评估、制定救灾决策、制定电网重建方案提供先进、可靠的技术手段。
    4.2无人机航测绘制大比例尺地形图
    无人机航摄系统自身的特点和性能决定影像的获取和处理都与传统的航空数码影像存在差异,下面将具体介绍无人机航摄影像的获取与处理流程。采用DP Grid影像快速处理系统,对无人机影像进行处理。
    (1)航空摄影:使用无人机飞行平台搭载Canon5DMarkII数码相机对测区进行航空拍摄,并获取摄区影像。航线设计是航摄影像信息采集前的关键技术,需要对影像的地面分辨率、航摄区域的形状和地形特点以及数码相机性能等因素进行综合考虑,以保证影像精度和质量为前提进行航线的最优设计。
    (2)像片控制测量:像控点可按区域网布设,为提高像控点的加密精度,可以在区域网的两端和中部位置增加平高点。采用RTK、GPS静态或测距导线测定像控点平面坐标,采用GPS曲面拟合或图根水准测定像控点高程。
    (3)内业测图:在全数字摄影测量工作站上进行地形要素数据�集。影像模糊或立体判测有疑问的地物,要做出标记供外业补调,内业能定性的地形要素可直接标注图式符号。
    (4)外业地形图调绘:外业调绘和补测时,简单易补测的新增地物可直接补测上图,只需标注好与附近相关地物的距离尺寸;成片新增地物可用全站仪或RTK进行野外�集数据,配合外业草图进行编辑。
    (5)将编辑好的数字线划地形图按照CASS软件的数据标准,编辑成需要的数字地形图。
    参考文献:
    [1]刘小民.基于全数字摄影测量系统的数字正射影像图的制作[J].测绘科学.2010,35(4):198-199.
    [2]韩文军.无人机航测技术及其在电网工程建设中的应用探讨[J].电力勘测设计.2010,6(5):62-67.
    [3]杨瑞奇,孙健,张勇.基于无人机数字航摄系统的快速测绘[J],遥感应用,2010: 3,108-111
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