无人机航测技术在长江航道整治工程中的应用

@芋头

为提高无人机航空摄影测量的精度与效率，建立一套科学的航空摄影测量方法，提出了在航测过程中需要注意的因素与实施方案，并将之应用于长江航道整治工程的航测工作中。超轻型固定翼无人飞机数码航空摄影测量具有高分辨率、高成像质量、高几何精度，以及便捷、低成本等特点。本文通过荆江航拍成果的实例验证了前期设计方法的有效性，并将获取的航摄成果用于工程的设计、审核以及利用空间信息技术将获取的离散高程信息建立三维模型展示荆江河段的宏观状态等业务中。

1. 前言

长江航道整治工程的无人机航空摄影任务总共包括两期工作，应用固定翼型无人机完成了1:2000及1:500比例尺航片的拍摄，并完成影像的后期内业处理，使得长江荆江河段的整治任务有了大比例尺航片的权威参考资料，为后期的工程设计、工程施工带来了很大方便，该资料也将成为整个荆江河段整治任务前后珍贵的历史对比资料。

    本文从航空摄影测量技术在荆江整治工程的应用案例出发，以目前最先进的航测技术为主线，对生产过程中无人机航测与大飞机航测的不同、无人机航测的一些特殊问题进行了分析探讨和解决，为无人机航测技术的掌握方面积累经验。

2. 无人机航测系统

无人机航空摄影测量系统由遥感设备及其控制系统、无人驾驶飞行平台、飞行控制系统、无线电遥测遥控系统、遥感数据处理系统等几部分组成。

2.1无人机平台及任务设备

气动布局合理、性能稳定的无人驾驶飞行平台是系统的基本保障。SKY09无人机主要采用玻璃钢和碳纤维复合材料加工而成,重量轻、强度大。无人机的后端安装有性能稳定的航空发动机和推力螺旋桨为动力装置。无人机的起降可以采用弹射方式,伞降回收,以适应不同地区和不同遥感任务的使用。

    无人机1.92米翼展，机长1.21米，最大速度130km/h,工作半径30公里，续航2小时，升限5000米，最大起飞重量12公斤。系统搭载航摄仪采用Canon EOS 5DMarkⅡ。机身芯片尺寸：36mm×24mm，分辨率：5616×3744piexl，像素大小为6.41026µm，3台相机分别配备24mm、35mm、50mm镜头。

2.2飞行控制系统

飞行控制是无人机飞行控制与管理系统的最基本的功能。一般来讲, 无人机飞行控制的基本模态包括俯仰/滚转姿态的控制与稳定、高度控制与稳定、速度控制与稳定、侧向偏离控制以及爬升/下降控制等 [1]。

飞行控制系统用于无人机的飞行控制与任务设备管理,包括传感器、执行机构和飞行控制计算机三个部份。在这个系统中,飞控计算机通过串行数据通讯接口接收高度/空速、三轴地磁向强度、GPS卫星信息等传感器数据。通过模拟输入采集俯仰/横滚姿态角、三轴角速率等传感器模拟信号,根据这些信息,实时解算各飞行参数。

2.3地面监控系统

地面监控系统主要由便携式计算机、全向天线、供电系统以及监控软件组成, 利用地面监控软件设置必要的飞行参数, 如航点输入、航线规划、相机曝光、数据的上传与下载、导航模式的选择、基本飞行参数的设置、危险情况下的报警设置等, 利用全向天线和数据链与机载飞控系统进行通讯, 实时上传或下载飞行信息[2]。

3. 无人机航测过程及关键技术

3.1工作过程

首先进行测区踏勘和收集资料，再进行航测技术设计和航空摄像工作，同时对于像片控制控制测量，使用全数字空中三角算法，最后进行数据采集和成果质量检验的全过程。

3.2数码相机检校

数字相机的误差一般分为光学误差、机械误差和电学误差。机械误差和电学误差是数字相机有别于传统的光学相机误差的地方。针对数字相机的特点,采用如下分步求解的方法对数码相机检校：首先利用3维的DLT变换,采用直接线性变换系数和像点坐标畸变改正系数交替迭代计算,分步求解的方法解算内外方位元素;其次,基于空间直线在像平面上的影像仍然是直线的原理,以第1步求解出的畸变参数初值,建立纠正随机畸变差的纠正格网,最后达到高精度检校数码相机的目的[3]。

3.3航线规划

航线规划是遥感信息采集前的关键技术工作, 是指导航空摄影的重要技术文件, 需综合考虑作业范围、地形特点、精度要求、相机参数以及影像用途等因素, 在保证质量的前提下, 进行最优设计。航线规划的主要检查内容:航线走向是否合理, 是否出现像主点落水等不利情况；区域覆盖是否完整, 分区划分是否合理, 分区内地形高差是否控制在1/6摄影航高以内；摄影基面选择是否合理, 航高是否适当, 地面分辨率和像片重叠度是否符合要求。

航线规划完成后应重点验证摄区的最低地面分辨率和最小像片重叠度。当摄影航高一定时, 在航线其它参数不变的情况下, 最低地面分辨率一般位于摄影区域最低处, 最小像片重叠度一般位于摄影区域最高处,为保证成图精度, 最低处的地面分辨率和最高处的像片重叠度均应控制在限差以内。

（1）最低处地面分辨率按下式计算:

GSD低= (H + H基- H低) * a /f 式中：

GSD低—最低地面分辩率， m；

H：相对于摄影基准面的摄影航高, m；

H 基：摄影基准面高程, m；

H低：摄区最低点高程, m；

f ： 镜头焦距, mm；

a ：像元尺寸, mm。

（2）最高处像片重叠度按下式计算：

p = (p（x）-(H高- H基) /H )/(1-(H高- H基) /H)

q= (q（y）- (H高- H基)/H)/( 1 -(H高- H基)/H)

式中p, q：摄区最高处像片航向重叠度和旁向重叠度,%；

px, qy：设定的像片标准航向重叠度和旁向重叠度, %；

H：相对于摄影基准面的摄影航高, m；

H基：摄影基准面高程, m；

H高：摄区最高点高程, m。

一般情况下, 像片标准重叠度设定按以下要求控制: 航向重叠度为60%-80%; 旁向重叠度为30%-60%。

3.4外业像片控制点布设及测量方案

（1）像控点布设

无人机航片通常重叠较大、基线短，且重叠范围多数不规则，因此在布设外业控制点时应结合航片的实际情况而定。结合低空无人机数据生产DOM的一些经验，按照用图单位规定的成图要求，提出生产1∶2000比例尺DOM外业像控点布设方案（见图3），其中GCP（geodetic control point）为地面平高控制点[4]。

（2）像控点测量

在像控测量之前，首先对测区内收集到的已知控制点进行联测，检核控制点情况；为满足后续像控测量，联测已知点的同时加密4个控制点。联测采用GPS静态相对定位方式施测，采用边连式的布网形式。通过计算，最弱点点位误差为0.035m，最弱边相对误差为1/45537m，满足像控测量要求。

本测区像控点采用GPS实时动态定位（RTK）的方法进行测量。

GPS实时动态定位（RTK）测量使用5台GPS RTK接收机进行测量。充分利用已测控制点数据，采用室内求解转换参数，已知点上设置参考站的测量方法。为了保证精度，流动站不超过5公里，坐标精度在3㎝以内时记录数据，每个点重复测量三次取平均值为测量成果。

3.5影像预处理

影像预处理主要包括畸变重采样和影像拼接处理。对原始影像数据进行畸变重采样从而能实现数字摄影测量工作站进行的后续数据处理；当采用多面阵数码航摄系统时就需要进行影像拼接处理, 其核心是进行影像的匹配运算[5]。

3.6空中三角测量

本项目采用SSK工作站进行空三加密，根据航飞及影像分布情况，将空三区域分为两个加密区域网采用自动与手动相结合的方式进行空三加密，即采用自动匹配进行像点量测，剔除粗差。人工调整直至连接点符合规范要求，保证在2/3个像素以内。加入外业像控点对本区大地定向，进行计算、检查，检查点平面中误差为0.3米，高程中误差为0.17米，根据规范GB/T 23236-2009最终加密成果符合1:2000数据采集要求。

空三加密主要检查的内容: 航片畸变改正、信息文件设置、相机文件设置、像点匹配、航带连接、外业像控点的转刺以及平差处理等[6]。

3.7正射影像的制作

在空中三角测量完成之后, 可以利用同名点和控制点生成DEM, 根据生成的DEM 即可制作该区域的正射影像。在制作正射影像时, 为了使生成的正射影像在接边处色彩均匀、过渡自然, 应该对生成的正射影像进行羽化和重曝光处理[7]。

3.8数据处理过程

4. 系统成果与优势

此次航测区包括1:2000比例尺重点河段158平方公里，1:500比例尺的工程施工河段45平方公里。

航测成果数据为img格式，并同时获取了部分视频数据。工作成果的用途主要包括以下几个方向：

1）工程设计、施工、监理、勘测的参考资料；

2）作为工程结束时与工程施工前的对比素材；

3）作为制作荆江河段航道整治工程宣传素材；

4）可利用影像数据发掘制作三维模型，实现三维立体展示模型的制作等[8]。

技术优势包括：

1）具有机动快速响应能力，运输便利、升空准备时间短、操作简单，可快速到达监测区域，可以在短时间内快速获取航拍数据。

2）性能优异无人机可按预定飞行航线自主飞行、拍摄,航线控制精度高,飞行姿态平稳,适应不同的遥感任务。

3）操作简单可靠，飞行操作自动化、智能化程度高,有故障自动诊断显示功能,便于掌握和培训。

4）无人机搭载的高精度数码成像设备, 具备面积覆盖、垂直或倾斜成像的技术能力[9],获取图像的空间分辨率达到厘米级。

5. 结束语

本文通过对无人机摄影测量技术的探索与应用，验证了无人机航拍应用于在长江整治工程中的大比例尺航测成图的应用有效性。分析了控制点数量及分布和空中三角测量精度的关系，提出了无人机低空摄影测量布设控制点的原则和方法[10]。利用数据处理系统生成的成果DEM及DOM进行工程设计的应用研究，得出可以方便快捷的生成宏观的三维数字模型进行长江整治工程中施工工程位置选取及工程量测算，并进行设计优化的结论。

没有目标的方向

路过帮顶

tjcdq

跳过了。。。。

大牛

项目应用么？好牛叉啊！

大汉军魂

楼主难道是内部人士？

coulds0501

赞赞赞赞

星空下的夜

学习了

魔鬼1993

本文通过对无人机摄影测量技术的探索与应用，验证了无人机航拍应用于在长江整治工程中的大比例尺航测成图的应用有效性。分析了控制点数量及分布和空中三角测量精度的关系，提出了无人机低空摄影测量布设控制点的原则和方法[10]。利用数据处理系统生成的成果DEM及DOM进行工程设计的应用研究，得出可以方便快捷的生成宏观的三维数字模型进行长江整治工程中施工工程位置选取及工程量测算，并进行设计优化的结论。

测绘燕子

本文通过对无人机摄影测量技术的探索与应用，验证了无人机航拍应用于在长江整治工程中的大比例尺航测成图的应用有效性。分析了控制点数量及分布和空中三角测量精度的关系，提出了无人机低空摄影测量布设控制点的原则和方法[10]。利用数据处理系统生成的成果DOM及DOM进行工程设计的应用研究，得出可以方便快捷的生成宏观的三维数字模型进行长江整治工程中施工工程位置选取及工程量测算，并进行设计优化的结论。

龙脊

帮顶