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浅析低空无人机遥感技术的测绘应用


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评论(0)|2015-11-08|发布:郑文轩 |收藏

  摘要:本文叙述了无人机遥感技术的重要原理;介绍了无人机航测系统;陈述了无人机的作业标准与技术指标;细致剖析了无人机航测的总体流程图;详细分析了空三加密、DEM匹配、DOM纠正及分幅等航测数据处理;最后文章分析了无人机遥感测绘的项目应用,在现阶段具有一定的理论与实际意义。

  关键词:无人机;遥感技术;摄影测量

  引言:

   无人机遥感技术作为一种新型的航空摄影测量方式,经过近几十年的发展,已成为传统航空摄影的有效补充。无人机遥感技术以其具有结构简单、使用成本低、起飞迅速等技术优点,在地理国情监测、应对重大突发事件、数字城市建设、国土资源调查测绘等诸多领域发挥了积极的作用。

  1无人机遥感技术的优势及系统特点

图一

  1.1无人机遥感技术

  无人机遥感是利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通讯技术、GPS 差分定位技术和遥感应用技术,快速获取国土、资源、环境等空间遥感信息,完成遥感数据处理、建模和应用分析的应用技术。(如图一)

  1.2无人机遥感技术的特点

  通常飞机会在2km~12km的对流层或者12km~25km的平流层底部飞行,飞机在这一高度高速飞行时姿态平稳。超低空航空飞行时影响因素很多,阵风、热空气的升力、高压输电线发出的电磁干扰、通讯高塔等对飞机的飞行、控制都有影响。所以飞机获取的数据姿态角通常较大,尤其是航偏角,影像比例尺变化也非常明显。使用这一数据获取方式通常测区的范围较小,在短时间内就可以完成数据获取的任务。

  传统的方法很难快速检测获取数据质量,当发现数据有问题再将飞机等设备重新运到测区补飞,成本过高。这就需要一种可以快速地处理原始数据,拼接出测区概略图的方法,虽说不能用于精确测量定位,但也具有很高的实用价值。

  1.3无人机的优势

  第一,机动快速,响应能力非常强。无人机在进行航空拍摄时,一般都需要在比较平整的地面上实现起降。但是这个准备过程时间比较短,升空时间需要15分钟。而且操作比较简单,方便使用。根据根据任务需求,进行大范围的航测。

  第二,地表数据获取时间短,建模能力强。系统中已经携带了数字彩色相机、数码相机,可以快速的获取到地面信息。这些参数可以为生成清晰的影响提供保障,从而建立起清晰的三维影像图。在各类型的环境下,方便应用。第三,航拍过程的实时性比较强。相对于卫星拍摄而言,无人机拍摄时间比较短,能够及时提供有效的数据,具备实时性。
  第三,可以在云下进行拍摄,一般受到气候影响比较小,可以在低空位置飞行。在飞行拍摄中,快速的获取高精度航空影像,为测绘成果展现提供保障,可以任意改变影像方向,相对于航空拍摄而言,使用的范围比较广,效率非常高,受到场地限制小,减少遮挡障碍。

 

  2无人机遥感平台系统

 

 

图 2

  2.1无人机平台摄影测量系统构成

  基于无人机遥感平台构建的摄影测量系统主要由以下几部分组成(如图 2  图3):1无人机飞行平台;2 飞行控制系统;3 影像获取设备;4 通信设备;5 遥控设备;6 地面信息接收与处理设备。其飞行控制系统主要包括:稳定飞行姿态的垂直陀螺,获取飞行平台位置信息的 GPS 接收天线,以及控制飞机自主飞行的微处理器。地面配套设备主要包括:实时影像的接收与显示的数据接收终端,数码相机获取的地面高清影像的数据处理终端,以及控制飞机起降、飞行和拍摄的遥控设备。

 

图 3

  作业过程中,垂直陀螺能测量飞机的俯仰/翻滚姿态角,同时垂直陀螺与微处理技术的结合,使飞机可以在在自主飞行时保持在近似“水平”状态。机载通信设备将摄像头获取的实时影像、GPS 位置数据等传回地面数据接收终端,以使地面控制中心对飞机的飞行和拍摄情况进行监控,及时修正航向、飞行姿态等。最终获取的高清影像通过地面相配套的数字摄影测量工作站进行处理,由于这些影像重叠度较大(可达到 90%)、倾斜角与传统摄影测量相比较大等特点,其具体处理方法与传统的方法有一定的区别。

  2.2系统主要技术指标

  2.2.1 飞行平台的技术指标。基于无人机的摄影测量遥感平台还处于起步阶段,还没有一套完整的作业规范。现行的航测规范主要是参照大多数测绘单位现有的技术条件和仪器设备制定的,而无人机作为一种新型的低空对地观测平台,主要在 1000m 以下的高度进行航拍,且其采用的是高分辨率的数码相机作为成像设备,与传统的航空摄影测量有较大的不同。因此,已有的摄影测量规范在这种新型摄影平台上并不一定能适用。按照传统的航测作业准则,有以下几点参考指标:

  (1)飞行速度宜在 50~100km/h 之内;

  (2)发动机宜在飞机前进方向的后部(以避免湍流的影响);

  (3)在发动机出故障时,飞机应可以安全滑翔降落;

  (4)相对地面的飞行高度的变化应小于 5%;

  (5)相邻摄站飞行高度的变化应小于 5%;

  (6)航摄平台在作业时其水平误差不得大于 3°;

  (7)测量飞行速度的误差不大于 5%;

  (8)偏离航线的绝对误差不得大于相片旁向覆盖域的 5%;

  (9)因发动机引起的相机谐振,其振幅偏摆角在曝光时间内不大于 8.6″。

  从现有的相应硬件设备来看,满足以上这些要求几乎不存在任何问题 。

  2.2.2平台稳定度指标

  航摄影像质量的优劣直接关系着摄影测量过程的繁简、摄影成图的工效和精度的,因此,空中摄影测量对飞行的质量的要求是比较高的。 无人机平台发展到今天,其自身的稳定度有了较大的提高,有实验数据表明,在侧风小于 4级的情况下,装载了飞行控制系统的无人机自主飞行时,其沿预定直线飞行的俯仰角和横滚角一般都在 3°以内。另外,飞行平台的稳定性主要取决于传感器的自身精度。GPS 卫星定位接收机的位置精度一般在+/-50 英尺范围内;AP30 和 AP50 的气压高度传感器的高度精度约为+/-10 英尺;使用 GPS 高度时,约为+/-50 英尺;空速传感器的速度精度约为显示值的 10%。自主飞行的控制精度主要取决于飞机自身的性能。对于一般的飞机来说,速度保持在设定值的+/-20%、高度保持在设定值的+/-50 英尺以内没有任何问题。表 1 是航测规范的相关要求和无人机自主飞行状况的折算数据的对比。表中的对比数据只是简单换算得到的,但大体上还是能反映出其相互关系的。   

  2.2.3成图精度要求

  这里从影像地面分辨率出发,参照 ADS40 数字航测相机的摄影比例尺与地面分辨率的对应关系,来推求相应成图比例尺对小型摄影测量系统的要求。以柯达 DCS 460 为例,将其焦距设在 25mm,则其对应成图比例尺的相应航高如表 2 所示。计算出来的摄影平台的相对飞行高度均在小型无人机摄影平台的飞行高度范围内。对于可更换镜头的相机而言,其相应的航高范围更大,可选择性更强。在基高比较小的情况下,可以通过加飞骨干网等方法,通过平差处理提高定位精度。

  3无人机遥感测绘的项目应用

 

图4

  3.1航线规划和测区划分
  在地区进行航飞时,要注意到风速,保持一定的安全航高。选择1:10000地形图作为高度精确度的判断标准。保障航飞在安全合理的高度范围内。另外,需要根据实际需求划定出不同的测量区域,要求精度在1∶1000 或1∶2000之间,位置在沟壑地带。而在精度要求比较低的是在山头位置,这个位置虽然要求比较低,但是需要进行划分测区。在结合海岛的实际情况,进行测量,该过程中要避免气流变化,要保障飞行质量。

  3.2像控布设
  在布设中考虑到项目工程实际情况,因此,像控点选择的布设方式是400m的正方形网格布设方式。在一些角点位置,最好是作为像控点集中采集范围。在你测量区域之外,一些凹凸的位置可以适当的增加上像控点。该像控点的布设,误差要和平面位置进行对比,误差不能超过0.2m,另外,高程误差不能大于0.2m。

  3.3影像数据预处理
  众所周知,无人机航拍加载使用的一些相机都是非测量相机,因此,这些相机的边缘有着光学畸变缺陷。在进行航拍过程中,会改变实际的景物地面位置,因此,相机拍摄到的地面位置还需要对其进行变差改正之后,才可以进行空三加密。数据处理一般还包含对相片方位的转化,这个旋转角度相差要控制在180度内,根据统一格式进行转换。

  3.4空三加密
  空三加密是无人机影像处理的关键,也是整个处理流程的难点,对后续成果的精度直接影响。无人机影像相幅小,数量多,一个小的区域网就会有上千张影像,且由于无人机飞行受外界条件影响,航向和姿态角的偏差较大,采用传统的加密方法及软件无法满足要求。为此,本项目采用PixelGrid,该系统是专门针对无人机影像的特点而开发的无人机影像处理模块在相对定向和模型连接完成后,针对因航飞不稳定造成模型连接不稳定的地方,定义航带初始偏移量时适当增加一定的位移点,这样就可以更加精准的提高测量精度,一些连接失败的位置,可以选择人工干预的方式进行连接。从项目网连接点上,需要注意下视角要保持在一个像素位置内,这个连接过程要满足规定。检查点还有控制点,都在立体观测下方,在下方测量精确度会更高。

  3.5立体测图
  从当前的实际情况进行分析,不断提高无人机航空拍摄系统性价比越来越高,发展的空间也越来越大。具体的做法是,需要专业知识和实际技术相结合。保障系统性能和专业的领域相互匹配,这样可以提升资源使用效率。基于地形图测绘为最终目的的无人机航拍,在使用过程中也面临了诸多问题,最为关键的问题是,高程测量精确难以得到保障。在相关记载中,很多的无人机飞行器,在进行航空拍摄时,一般都是使用于正射影像绘制。因此,随着技术发展水平不断提高,选择了现代化数字测量软件,可以精确的判断出测量高度,可以灵活实现立体模型切换,避免了繁琐手工调整,快速生成核线影像,满足航拍需求。

  4结语

  目前,我国多个大中小城市均不同程度地存在基础地理数据周期更新问题,仅靠传统的有人飞机航空摄影测量是无法完成的。另外, 还存在大量小块区域的地面影像获取问题, 这迫切需求一种全新的技术手段和解决方案,这给无人机遥感平台民用遥感技术带来了巨大的市场空间。可广泛应用于矿产资源勘探、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、城市规划与市政管理、森林病虫害防护与监测等领域。

  参考文献: 
  [1]王峰,吴云东.无人机遥感平台技术研究与应用[J].遥感信息,2010 (02). 
  [2]刘小龙.基于无人机遥感平台图像采集处理系统的研究[D].浙江大学:农业电气化与自动化,2013. 
  [3]行晓黎.无人机遥感影像的处理及应用研究[D].桂林理工大学:大地测量学与测量工程,2011. 

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