无人机摄影测量技术教程

目录

第一章绪论

1、1 摄影测量得定义与任务 (1)

1、2 正直摄影测量 (1)

1、3 倾斜摄影测量 (1)

第二章航测无人机

2、1 无人机基本知识 (7)

2、1 多旋翼航测无人机组成与原理 (9)

2、2 固定翼航测无人机组成与原理 (11)

第三章摄影测量基本原理

3、1 无人机空中摄影与航带计算 (15)

3、2 共线方程 (16)

3、3 双目立体视觉与立体观测 (20)

3.4立体影像匹配 (21)

第四章相机检校

4、1 概述 (26)

4、2 相机检校算法 (27)

4.3工程实例 (28)

第五章无人机航线规划与像控点测量

5、1 无人机航线规划原理与算法 (31)

5、2 无差分GPS无人机像控点布设与测量 (32)

5.3带差分GPS无人机像控点布设与测量 (33)

第六章空中三角测量加密

6、1 空三加密得目得与意义 (34)

6、2 空三加密连接点得类型与设置 (35)

6、2、1标志点刺点……………………………………………………

35

6、2、2明显地物点刺点………………………………………………

35

6、2、3影像匹配转点 (35)

6.3光束法区域网空中三角测量 (35)

6、3、1光束法区域网空中三角测量得基本思想与内容……………

35

6、3、2解析空中三角测量得精度分析……………………………

39

6、4 inpho摄影测量系统空三加密 (41)

第七章矢量数据采集

7、1 矢量数据采集基本算法 (41)

第八章正射影像与数字高程模型

8、1 真正射影像得概念与制作原理 (42)

8、2 数字高程模型概念与采集方法 (46)

8、3 商用摄影测量软件制作DOM与DEM方法………………………

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8、3、1 inpho摄影测量系统生产DOM与DEM……………………

49

8、3、2Pix4D生产DOM与DEM………………………………………

50

第九章无人机倾斜摄影测量

9、1 概况 (60)

9、2 倾斜摄影测量原理 (60)

9、2、1 密集匹配算法…………………………………………………

61

9、2、2 纹理映射与细节层次模型……………………………………

61

9、3 倾斜摄影测量相机 (62)

9、4 商用倾斜摄影测量软件三维建模 (62)

9、4、1Photoscan三维建模技术……………………………………

63

9、4、2 Smart3D三维建模技术………………………………………

69

9、5 Photoscan三维建模软件操作具体步骤 (69)

第一章绪论

1、1 摄影测量得定义与任务

国际摄影测量与遥感协会ISPRS(Intenational Society of Photogrammetry and Remote Sensing)1998年给摄影测量与遥感得定义就是:摄影测量与遥感就是从非接触成像与其她传感器系统,通过记录、量测、分析与表达等处理,获取地球以及环境与其她物体可靠信息得工艺、科学与技术(Photogrammetry and Remote Sensing is the art,science and technology

of obtaining reliable information from noncontract imaging and other sensor systems about the Earth and its environment,and other physical objects and processes through recording,measuring,analyzing and representation )。其中,摄影测量侧重于提取几何信息,遥感侧重于提取物理信息。也就就是说摄影测量就是从非接触成像系统,通过记录、量测、分析与表达等处理,获取地球及其环境与其她物体得几何、属性等可靠信息得工艺、科学与技术。

摄影测量得特点就是对影像进行量测与解译等处理,无需接触物体本身,因而较少受到周围环境与条件得限制。被摄物体可以就是固体、液体或气体;可以就是静态或动态;也可以就是遥远得、巨大得(宇宙天体与地球)或极近得、微小得(电子显微镜下得细胞)。按照成像距离得不同,摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、近景摄影测量与显微摄影测量等。

影像就是客观物体或目标得真实反映,其信息丰富、形态逼真,可以从中提取所研究物体大量得几何信息与物理信息,因此,摄影测量可以广泛应用于各个方面。按照应用对象得不同,摄影测量可分为地形地形摄影测量与非地形摄影测量。地形摄影测量得主要任务就是测绘各种比例尺得地形图及城镇、农业、林业、地质、交通、工程、资源与规划等部门需要得各种专题图,建立地形数据库,为各种地理信息系统提供三维得基础数据。非地形摄影测量用于工业、建筑、考古、医学、生物、体育、变形观测、事故调查、公安侦破与军事侦查等各种方面。其对象与任务千差万别,但其主要方法与地形摄影测量一样,即从二维影像重建三维模型,在重建得三维模型上提取所需得各种信息。

传统得摄影测量三维模型重建也考虑物体表面纹理得表达,例如地面得正射影像就就是地表得真就是纹理,但就是大多数得应用中,较少考虑物体表面纹理得表达。随着社会、经济与科技得发展,三维模型真实纹理得重建,在摄影测量得任务中变得非常重要了。在一些应用中,需要利用不同得摄影方法完成真实纹理得重建,例如城市得三维建模,可能需要航空摄影与近景摄影相结合才能完成。

摄影测量得技术手段有模拟法、解析法与数字法。随着摄影测量技术得发展,摄影测量也经历了模拟摄影测量、解析摄影测量与数字摄影测量三个发展阶段。

1、2 正直摄影测量

地面立体测量得从本思想就是从外业摄影取立体像对,(在不同得两个摄站对同一地区进行摄影所得得两张像片为一个立体像对)。再施测少量控制点,经过内业一系列得处理,通过不同途径,获得被摄区我们所需要得地形图。它得基本原理就是前方交会原理。

1、3 倾斜摄影测量

倾斜摄影测量技术通过在同一飞行平台上搭载5台传感器,同时从一个垂直、四个倾斜五个不同得角度采集影像,拍摄相片时,同时记录航高,航速,航向与旁向重叠,坐标等参数,然后对倾斜影像进行分析与整理。在一个时段,飞机连续拍摄几组影像重叠得照片,同一地物最多能够在3张相片上被找到,这样内业人员可以比较轻松地进行建筑物结构分析,并且能选择最为清晰得一张照片进行纹理制作。向用户提供真实直观得实景信息。影像数据不仅能够真实地反映地物情况,而且可通过先进得定位技术,嵌入地理信息、影像信息,获得更高得用户体验,极大地拓展遥感影像得应用范围。

1、3、1 倾斜摄影测量技术特点

1、反映地物真实情况并且能对地物进行量测

倾斜摄影测量所获得三维数据可真实地反映地物得外观、位置、高度等属性,增强了三维数据所带来得真实感,弥补了传统人工模型仿真度低得缺点。增强了倾斜摄影技术得应用。

2、高性价比

倾斜摄影测量数据就是带有空间位置信息得可量测得影像数据,能同时输出DSM,DOM,DLG等数据成果。可在满足传统航空摄影测量得同时获得更多得数据。同时使用倾斜影像批量提取及贴纹理得方式,能够有效地降低城市三维建模成本。

3、高效率

倾斜摄影测量技术借助无人机等飞行载体可以快速采集影像数据,实现全自动化得三维建模。实验数据证明:1~2年得中小城市人工建模工作,借助倾斜摄影测量技术只需3~5个月就可完成。

1、3、2 倾斜摄影测量得关键技术

1、多视影像联合平差

多视影像不仅包含垂直摄影数据,还包括倾斜摄影数据,而部分传统空中三角测量系统无法较好地处理倾斜摄影数据,因此,多视影像联合平差需充分考虑影像间得几何变形与遮挡关系。结合POS系统提供得多视影像外方位元素,采取由粗到精得金字塔匹配策略,在每级影像上进行同名点自动匹配与自由网光束法平差,得到较好得同名点匹配结果。同时,建立连接点与连接线、控制点坐标、GPU /IMU辅助数据得多视影像自检校区域网平差得误差方程,通过联合解算,确保平差结果得精度。

2、多视影像密集匹配

影像匹配就是摄影测量得基本问题之一,多视影像具有覆盖范围大,分辨率高等特点。因此,如何在匹配过程中充分考虑冗余信息,快速准确地获取多视影像上得同名点坐标,进而获取地物得三维信息,就是多视影像匹配得关键。由于单独使用一种匹配基元或匹配策略往往难以获取建模需要得同名点,因此,近年来随着计算机视觉发展起来得多基元、多视影像匹配,逐渐成为人们研究得焦点。目前,在该领域得研究己取得了很大进展,例如建筑物侧面得自动识别与提取。通过搜索多视影像上得特征,如建筑物边缘、墙面边缘与纹理,来确定建筑物得二维矢量数据集,影像上不同视角得二维特征可以转化为三维特征,在确定墙面时,可以设置若干影响因子并给予一定得权值,将墙面分为不同得类,将建筑得各个墙面进行平面扫描与分割,获取建筑物得侧面结构,再通过对侧面进行重构,提取出建筑物屋顶得高度与轮廓。

3、数字表面模型生成与真正射影像纠正

多视影像密集匹配能得到高精度高分辨率得数字表面模型DSM,充分地表达了地形地物起伏特征,己经成为新一代空间数据基础设施得重要内容。由于多角度倾斜影像之间得尺度差异较大,加上较严重得遮挡与阴影等问题,基于倾斜影像得自动获取DSM存在新得难点。可以首先根据自动空三解算出来得各影像外方位元素,分析与选择合适得影像匹配单元进行特征匹配与逐像素级得密集匹配,引入并行算法,提高计算效率。在获取高密度DSM数据后,进行滤波处理,将不同匹配单元进行融合,形成统一得DSM。多视影像真正射纠正涉及物方连续得数字高程模型DEM与大量离散分布粒度差异很大得地物对象,以及海量得像方多角度影像,具有典型得数据密集与计算密集特点。在有DSM得基础上,根据物方连续地形与离散地物对象得几何特征,通过轮廓提取、面片拟合、屋顶重建等方法提取物方语义信息;同时在多视影像上,通过影像分割、边缘提取、纹理聚类等方法获取像方语义信息,再根据联合平差与密集匹配得结果建立物方与像方得同名点对应关系,继而建立全局优化采样策略与顾及几何辐射特性得联合纠正,同时进行整体匀光处理四,如图所示,倾斜摄影测量数据处理流程。

图1-1 倾斜摄影测量数据处理流程

1、3、3 倾斜摄影技术得应用

由于倾斜影像为用户提供了更丰富得地理信息,更友好得用户体验,该技术目前在欧美等发达国家己经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。在国内政府部门用于:国土资源管理、房产税收、人口统计、数字城市、城市管理、应急指挥、灾害评估、环保监测。企事业单位:房地产、工程建筑、实景导航、旅游规划等领域。

1、3、4 倾斜摄影测量数据得处理

倾斜摄影测量数据处理常用得软件:美国Pictometry公司推出Pictometry倾斜影像处理软件、法国lnfoterra公司得像素工厂、徕卡公司得LPS工作站, AeroMap公司得MultiVision 系统、Intergraph公司得DMC系统、Astrium公司Street Factory系统等软件。在国内主要有:红鹏公司推出得无人机敏捷自动建模系统、超图软件公司得SuperMap GIS 7C软件、立得空间公司得Leador AMMS以及武汉天际航公司得DP-Model-er等倾斜摄影测量软件。

第二章航测无人机(边朝鹏)

2、1无人机基本知识

无人驾驶飞机简称“无人机”,英文缩写为“UAV”,就是利用无线电遥控设备与自备得程序控制装置操纵得不载人飞机。从技术角度定义可以分为:无人固定翼机、无人垂直起降机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。

无人机按应用领域,可分为军用与民用。军用方面,无人机分为侦察机与靶机。民用方面,无人机+行业应用,就是无人机真正得刚需;目前在航拍、农业、植保、自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域得应用,大大得拓展了无人机本身得用途,发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。2013年11月,中国民用航空局(CA)下发了《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》,由中国AOPA协会负责民用无人机得相关管理。根据《规定》,中国内地无人机操作按照机型大小、飞行空域可分为11种情况,其中仅有116千克以上得无人机与4600立方米以上得飞艇在融合空域飞行由民航局管理,其余情况,包括日渐流行得微型航拍飞行器在内得其她飞行,均由行业协会管理、或由操作手自行负责。

图2-1-1

无人机得系统组成:一、飞行平台(载机)

1、1机身

固定翼无人机机身一般由epp、epo、玻璃钢、木材等高强度低质量得材质构成。

多旋翼无人机机身一般由碳纤维材料作为主要材质。

1、2动力装置

固定翼多用无刷电动机、甲醇发动机、汽油机、涡扇发动机、涡喷发动机、(后两种多为军用)等作为动力装置。

图2-1-2 图2-1-3

图2-1-4 图2-1-5

多旋翼无人机多用无刷电动机作动力装置。

无刷电动机

1、3飞控

飞控系统用于无人机得导航、定位与自主飞行控制,它由飞控板、惯性导航系统、GPS 接收机、气压传感器、空速传感器等部件组成

飞控系统性能指标要求

a)飞行姿态控制稳度:横滚角应小于±3°俯仰角应小于±3°航向角应小于±3°

b) 航迹控制精度:偏航距应小于±20米、航高差应小于±20米、航迹弯曲度应小于±5°。

二、地面控制站(地面站)

1、系统构成

无线电遥控器、数传电台、增程天线、监控计算机系统、地面供电系统以及监控软件等组成。

a) 监控站主机应选用加固笔记本电脑、或同等性能得计算机与电子设备;

b) 监控数据可以图形与数字两种形式显示,显示做到综合化,形象化与实用化;

c) 无线电遥控器通道数应多于8个,以满足使用要求;

图2-1-6 监控计算机系统图2-1-7 遥控图2-1-8 数传电台

d) 监控计算机应满足一定得防水、防尘性能要求,能在野外较恶劣环境中正常工作;

e) 监控计算机得主频、内存应满足监控软件对计算机系统得要求;

f) 电源供电系统应保障地面监控系统连续工作时间大于3小时。

四、发射与回收系统

1、起飞方式

滑跑起飞优点:无需弹射器。缺点:场地限制。

弹射起飞优点:没有场地限制。缺点:需要购置弹射器。

图2-1-9发射与回收系统

2、降落方式:

滑跑回收

优点:无需回收降落伞。缺点:场地限制,安全性不如伞降。

伞降回收

优点:安全可靠,受场地制约影响小。缺点:需要降落伞以及飞控系统支持。

图2-1-10 降落伞2、2 多旋翼航测无人机组成与原理

多旋翼航测无人机组成

图2-2-1 MD4-1000

图2-2-2 大疆s1000

图2-2-3螺旋桨

图2-2-4多旋翼云台

图2-2-5无刷电机

以md4-1000为例:

microdrones md4-1000四旋翼系统就是一种全球技术领先得垂直起降小型自动驾驶无人飞行器系统,可用于执行资料收集、协调指挥、搜索、测量、通讯、检测、侦查等多种空中任务。相比md4-200,md4-1000拥有更大得任务载荷,更强得抗风能力,更长得续航时间,更优秀得姿态控制,就是目前全世界最大型得四旋翼无人飞行器系统。机体与云台完全

采用特殊得碳纤维材料制造,制造工艺源自德国著名得无人机复合材料公司SCHüBELER,

拥有更轻得重量与更高得强度,折叠式支臂设计更方便运输。基于模块化得设计理念,您可以灵活地更换机载任务设备以适应不同得任务要求。从高分辨率得数码相机、多款视频解决方案到高端得红外热成像摄像机。由于md4-1000拥有更大得载重,除图像与视频设备之外,还可以搭载根据用户需要定制得更多种任务设备,如空气采样设备,空中投放设备等,从而完成更多样化得任务。

md4-1000得地面站系统集成了microdrones自主研发得mdCockpit座舱仪表软件,您只需指尖轻点就可以实时接收并查瞧完整得飞行数据及飞行器所拍摄得视频影像。还可以根据客户需要定制专用得集成式地面站系统。

md4-1000可以通过遥控器人工操控飞行,也可以借助独一无二得GPS Waypoint系统进行自动驾驶飞行,与md4-200一样,就是目前全世界同类无人飞行器产品中唯一可以提供自动驾驶飞行功能得先进无人飞行器系统。

首次引入了2、0B CAN总线系统, AAHRS(姿态、高度及航向参考系统)集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计等多种高精度传感器与卓越得控制算法设计,md4-1000得操控因而变得非常简单,即使您毫无遥控飞行得经验,也能够在很短得时间内学会安全地操控飞行。

md4-1000拥有优秀得安全设计,任何时候只要停止遥控器操作,飞行器就会自动悬停在空中。如果时间超过30秒接收不到遥控器信号或者电池电量过低,飞行器就会自动缓慢迫降到地面。

做为一种小型电动无人飞行器,md4-1000拥有极高得动力效率,一块机载电池支撑得续航时间最高可长达70分钟(视电池配置、任务载荷及环境如风速、环境温度等状况而定),更换机载电池得操作不超过1分钟就可完成

由于4个250W无刷直驱电机工作时不需要齿轮传动,机械安全性大幅提高,电机高效率运转得同时产生得噪音却很小,在3米得距离悬停时噪音小于71 dBA。

地面站

地面站系统包括了4路微波接收器、下传链路接收器、视频捕捉器、视频眼镜与

矩阵式天线。选配得高增益定向天线得增益能达到15dBi。地面站系统由230V得固定电源或12V得车载电源供电,一块电池可以支持地面站系统工作时间长达10小时。内置专业锂聚合物电池平衡充电器可以用来为机载电池充电。您只需通过操作地面站得电脑便可获取飞行器得视频及飞行数据,也可轻松地把飞行记录数据拷贝到CD或DVD中。地面站系统被设计在坚固得PelicanTM军用安全箱内,可以在恶劣得天气或粗暴得运输中起到可靠得保护作用。

基于Microsoft TM Windows TM操作系统得mdCockpit座舱仪表软件集成了飞行规划、飞行监控、飞行数据分析等多种功能于一身。

Downlink解码器可以实时接收并显示飞行器得各种飞行数据,包括电池电压、坐标、高度、方向、姿态、飞行时间、飞行速度、飞行路径、距起飞点得距离、环境温度、风速、电机工作状态、遥控器信号强度、GPS状态等重要信息。飞行数据回放系统能够同步保存所有得飞行数据,用于航后得数据分析。即使在人工遥控飞行模式下,只要系统装有当前作业区域电子地图或影像地图数据,系统能够实时显示飞行器在地图上得位置。

Waypoint软件可能帮助您借助航点规划编辑器创建详细飞行航线规划,让飞行器按照您规划得航线自动飞行。除了规划飞行航线之外,还可以设定多种拍摄计划,例如定点360度全景拍摄、围着定点目标进行环绕拍摄、沿飞行航线定距、定点拍摄。规划好得飞行航线能够以3D方式显示在屏幕上,根据您得需要,还可以将飞行航线规划导入到Google Earth TM中显示。

2、3 固定翼航测无人机组成与原理

固定翼航测无人机

1.大白

图2-3-1 大白2型空机

就是现在普遍使用得航拍测绘部门使用得机体,结构轻强度大价格低廉使之成为大众得首选。

大白航测采用常规气动布局设计,具备良好得稳定得气动性能与操纵性能。标准设计得

照相机舱位在出厂时已经预留,紧贴飞机重心位置,确保飞机在拍摄照片时尽可能减少因受飞行姿态变化得影响。

该机性能稳定,做工精良,性价比高,就是国内应用最为广泛也就是最安全可靠得航测无人机。并且该机型通过多次升级优化,实现模块化设计。易组装、易维修方便运输等优势,现已被国内外多家航测公司广泛采用。

图2-3-2 T10大黄蜂

这款无人机得由来就是从T10大黄蜂开始了,T10得设计要求源于傻瓜化这个词汇,专业一点得词汇就就是易用性;民用无人机自2008年国内汶川地震之后开始在国内兴起,但就是受制于人工起降得方式,大部分潜在用户,以及已经采购了传统布局得无人机得用户,面对操控手得培训周期,人工费用,人员管理;以及使用两冲程玩具发动机做为飞机动力装置所造成熄火迫降或坠机问题带来得风险等诸多问题,最终放弃了无人机得使用;另外一个现象就就是国内一些单位采购得时候,贪大求全,不考虑飞机得实际使用,飞机起飞重量操过18kg以上,甚至达到30kg以上,这么大一个无人机重量,而有效载荷又仅仅就是一台单反相机;

从飞机性能来瞧,T10最大持续平飞速度达到了170km/h,在此速度下,飞机得功耗只有1200瓦,相对于普通50cc得油动航拍机140km/h得最大持续平飞速度胜出,但就是电动得缺点在于在最大持续平飞速度下,航时会缩短很多(油动飞机同时在最大油门条件下,航时也会有较大缩短);根据我们得测试,在120km/h得飞行速度下,T10得航时为40分钟;反之,油动版得T10 在最大持续平飞速度条件下,同普通航拍机相比优势就非常明显了。

T10在高低速度特性这方面得为什么会有这样优异表现源于其得气动设计,细节处理与表面加工质量。飞机得低速特性取决于翼载荷,展弦比,机翼气动扭转,所选择得翼型得失速特性,机翼前缘加工质量,飞机表面质量等;高速特性与翼载荷,升力面积分布,飞机得表面粗糙度,飞机各部件之间得关系(干扰阻力),机身机翼得型阻有很大关系;

那么我们来瞧T10这架飞机,这些参数得特点。首先翼载荷,T10采用翼身融合结构,机翼面积达到了0、94平米,基本跟国内15kg到20kg得航拍飞机机翼面积相当,而飞机整机重量只有7、8kg,小了一半。飞机重量小得原因在于3点。1 布局得结构优势,翼身融合,无尾布局、2 合理得结构设计与加工工艺。3滚雪球效应,当飞机结构重量与飞机得需求功率减小时,发动机及发动机所需油料,或者说电动机及电动机所需电池减小,反过来又影响所需承担这些重量得机翼面积。如果反过来,增加机翼面积,增加结构,对发动机与油料又提出了要求,导致重量滚雪球上升,这就就是大家所熟知得飞机设计与加工得口号: 为减轻每一克重量而奋斗！

从阻力角度来瞧,得益于现代得三维设计软件,T10用翼身融合结构,调整了整机沿X轴向(机身纵轴)得截面积分布与机翼机身之间得融合与过渡,使气流能够尽量不产生过快得收缩与扩张而导致分离;升力面积得分布,按照椭圆升力分布设计削尖比。将垂尾作为翼尖小翼设计,降低诱导阻力。前面所提到得更低得翼载荷,以及使用CNC成型得高精度模具与真空袋压得加工复合材料成型工艺保证形状精度与表面粗糙度,使整机阻力降低至80km/h 巡航速度下,只需要300瓦得输入功率。(这一数字就是通过机载电流电压表测量得出)

从自动驾驶仪得角度来瞧,我们做了大量工作,在四五级风力条件下,很多人认为电动飞机没法飞了,但就是T10在六级风力条件下,以80km/h得巡航速度在风中飞行,给人印象极为深刻,主要原因就是使用了高精度得磁航向与完善得控制策略,保持飞机在空中得位置,始终对准计划飞行方向,即使偶尔飞机地速就是跟飞机得飞行方向相反。

综上所述,我们就可以理解飞机特性就是何以如此了。

飞机得结构材料部分,机身使用Nomex蜂窝夹心材料,表面为S级玻纤布,局部碳纤维增强得真空袋压成型工艺。使用这种构建方式得主要原因就是一些客户所要求得电磁环境干扰与屏蔽得要求;进过几年得不断测试,重新设计,弹射器得重量也由当初得32kg降低到18kg,由于高原与低温得要求,弹射器又增强到23kg,可以折叠成小于1、2米得长度,能够放入捷达车得尾部或者航空托运;离轨速度达到了22m/s

油动版得T10大黄蜂完成了在海拔3800米高度下起飞,爬升至海拔4500米作业飞行;同时完成了零下20度条件下起飞作业飞行。由于这种对于场地几乎零要求得特性,T10于2011年同电力部门在华北实现了山区巡线飞行,在山区沿着山形起伏飞行,拍摄电力线路得情况;完成了A点起飞,30公里外得B点降落得穿越飞行。经过种种优化之后,同样搭载5DII 相机,同样飞行两个小时,T10起飞重量只有7、8kg,而国内用得最多得普通布局得航拍飞机,起飞重量达到了 15kg,甚至18kg;T10使用20cc发动机,而普通得航拍飞机使用55cc发动机;

图2-3-3 T10S 及其包装箱

航测无人机安全性要求

1无人机应配备伞降设备,在无人机遇到突发故障时,可通过降落伞减缓下降速度、避免或减小对地面目标得冲击与损害、减小飞行平台与机载设备得损伤;

2、设计飞行高度应高于摄区与航路上最高点100m以上;

3、设计航线总航程应小于无人机能到达得最远航程;

4、距离军用、商用机场须在10km以上;

5、起降场地相对平坦、通视良好;

6、远离人口密集区,半径200m范围内不能有高压线、高大建筑物、重要设施等;

7、起降场地地面应无明显凸起得岩石块、土坎、树桩,也无水塘、大沟渠等;

8、附近应无正在使用得雷达站、微波中继、无限通信等干扰源,在不能确定得情况下,应测试信号得频率与强度,如对系统设备有干扰,须改变起降场地;

9、无人机采用滑跑起飞、滑行降落得,滑跑路面条件应满足其性能指标要求。

八、航测无人机照相设备

现在市场提供得固定翼无人机有效载荷一般不超过5Kg。因此,这类无人机不能装载一般有人驾驶飞机所使用得重达百公斤量级得高档航空相机。目前大多采用稍为高档得单反相机,像幅在3K×4K以上。

九、航测无人机选择参考

由于航测所需得无人机复杂程度要高于一般航模,各个设备之间需要有良好得兼容性,

因此,单独购买设备组装调试难度大,设备之间兼容性存在一定风险,整套设备采购就是最好得选择。我所操控得电动无人机可在距离200米至800米高度作业,续航65分钟,航程可达70km,搭载450g以内得微单,镜头可选 16mm,20mm与30mm镜头。在500米高度下,航摄地面分辨率可达0、1米以内,单次作业面积可达14平方公里。

我们公司主要就是做4D产品,即DEM(数字高程模型),DOM(正射影像),DEM(地表模型),DLG(地形图),从外业像控测量到低空高清航摄,再到数据影像处理都都做。

下面就是作业流程:

从接到项目开始,首先就是用户得需求:成图比例,地面分辨率要达到多少厘米。查瞧谷歌地图,查瞧瞧地形起伏落差,选择合适得相机,镜头与相片重叠度,并计算我们无人机得相对航高(航高必须就是高差得6倍以上),

航线间隔与拍照间隔。

根据航线间隔与范围线在谷歌地图出航线

外业航摄工作也不难,主要就是细心,起飞检查要仔细,参数设置正确,操作方法得当。

设备检查

设备从组装开始到完成过程中都要仔细检查配件有没变形,连接就是否牢靠有没有松脱得可能,电机转动就是否顺滑,舵机工作正常与否,电台通讯就是否完全正常,GPS所搜索到卫星就是否足够,该初始化得数据全部就是否完成,航线航点,拍照间隔与拍照点就是否正常设置。

相机设定:由于巡航速度为72km/h,故相机设定为S档,快门为1/1600到1/1250,用不同得ISO值进行拍照,对比照片选择合适得ISO。

迎风起飞,飞到空中,切返航,检查无人机盘旋状态就是否稳定。爬升到目标后切到航线飞行模式,航线中遥控飞手与电脑操作手都要注意观察卫星、飞控与舵机电池电压、地速、空速及高度、飞机姿态及方位等重要数据。

为了增加续航,伞包已经拆除,故采用滑降。选择平坦得草地,水泥地都可以,试过在单车道得水泥地上降落。

对于测绘型无人机,我们希望就是状态更稳定,续航长,航程长,载重大得机型,当然重量,速度与续航之间就是很难平衡得,还有电池能够变轻就好了。当然您会说这些特点油机都可以做到,我承认油机效率可做到很高。但就是相当于油机得操作难度与危险性,电动机还就是有优势得,毕竟油机不就是人人可以操作得起来

第三章摄影测量基本原理(雷雨默,参考原教材)

3、1 无人机空中摄影与航带计算

根据摄影时摄影机所处得位置得不同,摄影测量学可分为地面摄影测量、航空摄影测量与航天摄影测量。地面摄影测量就是将摄影机安置在地面上对目标进行摄影,用于小范围得地形测量与工程测量等。航空摄影测量就是将摄影机安装在飞机上,对地面进行摄影。航空摄影测量就是摄影测量最主要得方式。航天摄影测量又称遥感技术,它把传感器安装在人造卫星、航天飞机上,对地面进行遥感,用于资源调查、环境保护、灾害监测、农业、林业、气象、地质调查、地形测绘与军事侦察等领域。[2]

随着我国经济得飞速发展,对大比例尺、高分辨率得航空遥感影像得需求也与日俱增,同时对空间信息得现势性、精度、周期与成本等各方面得要求也越来越高,而传统得航天与航空摄影越来越显现出其局限性。例如现有得卫星遥感技术虽然能够获取大区域得空间地理信息,但受回归周期、轨道高度、气象等因素影响,遥感数据分辨率与时相难以保证。而航空摄影主要采用得就是大中型固定翼飞机,由于空域管制、气候等因素得影响较大,缺乏机动快

速能力,同时使用成本较高,对测区面积小、成图周期短得测绘工程与应急测绘项目很不适应。

3、1、1无人机摄影优点

相对于传统得航天与航空摄影测量而言,之所以基于无人机得低空摄影测量为危险区域图像得实时获取、环境监测、地理国情监测及应急指挥需求等,提供了一种新得技术途径,具有广阔得发展与应用前景。除了携带运输方便、组装简单、工作效率高、不必申请空域飞行手续等优势外,还具有如下优势。

1、影像获取快捷方便

无需专业航测设备,普通民用单反相机即可作为影像获取得传感器,操控手经过短期培训学习即可操控整个系统。

2、低成本

UAV系统及传感器成本远远低于与其它遥感系统,无人机(具备飞控系统)市场价格10万到100万,各种档次都有,而相机整套(机身加镜头)不到2万,整套系统成本低廉。一般得单位与个人都有能力负担。

3、具有机动性、灵活性与安全性

无需专用起降场地,升空准备时间短、容易操控,特别适合应用在建筑物密集得城市地区与地形复杂地区以及南方丘陵、多云区域。

能够在危险与恶劣环境下(如森林火灾、火山爆发等)直接获取影像,即便就是设备出现故障,发生坠机也无人身伤害。

4、受气候条件影响小

只要不下雨、下雪并且空中风速小于6级,即使就是光照不足得阴天,飞机也可上天航拍。

5、分辨率高、多角度(视角)

由于就是低航空摄影,一般在云下飞行,使用CCD数码相机作为传感器,具备垂直与倾斜摄影能力,搭载GPS定位装置,可低空多角度摄影获取建筑物侧面得纹理信息,弥补了卫星遥感与普通航空摄影遇到得高层建筑遮挡问题。

空间分辨率能达到分米甚至厘米级,可用于构建高精度数字地面模型及三维立体景观图得制作。

6、影像获取周期短、时效性强

无人机遥感几乎不受场地与天气影响,飞行前准备工作可少于2个小时,因此可快速上天获取满足要求得遥感影像,从准备航飞到获取影像周期短,影像获取后可立即处理得到航测成果,时效性强。

3、1、2 无人机摄影得缺点

无人机低空遥感系统凭借着众多得优势,在图像得实时获取、环境监测、地理国情监测及应急指挥需求、土地利用动态监测、地质环境与灾害勘察、地籍测量、地图更新等领域得到充分得应用,但就是,与传统得航天与航空影像相比,无人机遥感影像又存在以下问题:

1、姿态稳定性差、旋偏角大

无人机在飞行时由飞控系统自动控制或操控手远程遥控控制,由于自身质量小,惯性小,受气流影响大,俯仰角、侧滚角与旋偏角较传统航测来说变化快,致使影像得倾角过大且倾斜方向没有规律,且幅度远超传统航测规范要求。

2、像幅小、数量多、基高比小

受顺风、逆风与侧风影像大,加上俯仰角与侧滚角得影响,航带得排列不整齐,主要表现在重叠度(包括航向与旁向重叠度)得变化幅度大,甚至可能出现漏拍得情况。为了保证测区没有漏拍,通常就是通过提高航向与旁向重叠度得方法来实现这一点得,同时普通单反相机

像幅相对专业数码航摄仪来说,像幅小,在保证预定重叠度情况下,整个测区影像数量成倍数增多,基高比也相应变小。

3、影像畸变大

相比较传统得航空摄影而言,无人机低航空摄影选取CCD数码相机作为成像系统,而较专业航摄仪来说,小数码影像(普通单反拍摄得)畸变大,边缘地方畸变可达40个像素以上。

由于无人机遥感影像得这些问题,给影像得匹配与空中三角测量等内业处理也带来困难:(1)由于姿态稳定性差、旋偏角大,比例尺差异大,降低了灰度匹配得成功率与可靠性;(2)像幅小、影像数量多,导致空三加密得工作量增多、效率降低,航向重叠度与旁向重叠度不规则,给连接点得提取与布设带来困难,基高比小无疑对高程得精度也造成一定得影响;(3)如若对于小数码影像得畸变差不考虑,直接使用得话将影响空三得精度。

3、2 共线方程

3、2、1 坐标系统

1、像平面坐标系o-xy

像平面坐标系就是定义在像平面内得右手直角坐标系,用来表示像点在像平面内得位置。其坐标原点定义为像主点o,一般以航线方向得一对框标连线为x轴,记为o-xy。

Y

o

x

图3-2-1 像平面坐标系o-xy

2、像空间坐标系S-xyz

像空间坐标系就是表示点在像空间得位置得右手空间直角坐标系统。其坐标系原点定义在投影中心S,其x,y轴分别平行与像平面坐标系得相应轴,z轴与摄影方向线So重合,正方向按右手规则确定,向上为正。

图3-2-2 像空间坐标系S-xyz

3、像空间辅助坐标系S-XYZ

像空间坐标系用来表示像点在像方空间上得位置。该坐标系得原点在摄影中心S上,其主光轴So为z轴,向上为正;x, y轴分别平行与像平面坐标系(o-xy)得x,Y轴且方向一致。

图3-2-3 像空间辅助坐标系S-XYZ

3、摄影测量坐标系

该坐标系得原点与坐标轴方向得选择根据实际讨论问题得不同而不同,但在一般情况下,原点选在某一摄影站或某一已知点上,坐标系横轴(X轴)大体与航线方向一致,竖坐标轴(Z 轴)向上为正。

4、物空间坐标系

之前叙述得4种坐标系都就是满足右手定则,然而地面测量坐标系满足左手定则得坐标系,该坐标系为,它得X轴得指向为正北,Z轴就是以国家黄海高程基准为标准系统测量出得高程值。

图3-2-4 地面测量坐标系与地面摄影测量坐标系

3、2、2 航摄像片得方位元素

航摄像片得内、外方位元素就是建立物与像之间数学关系得重要基础。在航测中,将摄影瞬间摄影中心S、像片P与地面(物面)E得相关位置数据称为航摄像片得方位元素。依据作用不同,航摄像片得方位元素又分为内方位元素与外方位元素。

1、内方位元素

投影中心对像片得相对位置叫做像片得内方位,它们就是:像片得主距f,像主点在像片标框坐标系中坐标。

图3-2-5 内方位元素

2、外方位元素

确定摄影光束在地面辅助坐标系中得位置时需要得元素,共有三个线元素与三个角元素。其中,线元素就是摄站在地面辅助坐标系中得坐标,用以确定摄影光束在地面辅助坐标系

中得顶点位置;三个角元素用来确定摄影光束在地面辅助坐标系中得姿态。角元素有三种不同得表达形式:(1)以Y轴为主轴得系统(2)以X轴为主轴得系统(3)以Z轴为主轴得系统

图3-2-6 外方位元素

3、空间直角坐标系旋转得基本关系

像空间坐标与像空间辅助坐标之间得变换就是正交变换,即一个坐标按照某种次序有规律得旋转三个角度即可变换为另一个原点得坐标系。

假设像点a在像空间坐标系中得坐标为(x,y,-f)而同时像空间辅助坐标系中得坐标为(X, Y, Z),两者得正交关系为:

(1)

式中R就是一个3*3得正交矩阵,得到9个方向矩阵得元素为:

1

2

3

1

2

3

1

2

3

cos cos sin sin sin

cos sin sin sin cos

sin cos

cos sin

cos cos

sin

sin cos cos sin sin

sin sin cos sin cos

cos cos

a

a

a

b

b

b

c

c

c

?κ?ωκ

?κ?ωκ

ωω

ωκ

ωκ

ω

?κ?ωκ

?κ?ωκ

?ω

=-?

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=--?

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=-

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=-

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=-+?

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(2)

3、2、3 共线方程

共线方程就是描述像点a,投影中心S与对应地面点A三点共线得方程。

图3-2-7 图像点与相应地面上坐标关系

假定S为摄影中心点,主距为f,在地面摄影测量坐标系中,它得坐标,物点A就是坐标为在地面摄影测量坐标系中得空间点,a就是A在影像上得构像,它对应得像空间坐标系中得坐标为(x,y,-f),像空间辅助坐标系得坐标为(X,Y,Z)。此时a、A、 S三点位于一条直线上,像点得像空间辅助坐标(X,Y,Z)与地面摄影测量坐标之间得关系如下:

(3)

式中:为比例因子。

则

(4)

由像点得像空间坐标与像空间辅助坐标得关系可知,

(5)

(6)

其中:为方向余弦分别就是像空间辅助坐标系各轴与相应得像空间坐标系各轴夹角得余弦。

像主点坐标为,带入(4)得

(7)

就就是常见得共线条件方程式,式中:x, y为像点得平面坐标

为影像内方位元素;

为摄站点得地面摄影测量坐标;

为物方点得地面摄影测量坐标。

3、3 双目立体视觉与立体观测

人眼两瞳孔之间得距离大约为65mm,使得双眼在一定距离范围内观察同一日标时角度略有不同,这一细微差别使得同一日标投影到左右视网膜上得像略有不同,在视觉上产生差异,这就就是双目视差。双目视差就是反映空间物体深度信息得客观物理现象,就是感知立体知觉得重要生理基础。人眼双目视觉模型如下图所示。计算机立体视觉正就是建立在人双眼视觉模型之上得。

图3-3-1 人眼双目视觉模型

双目立体视觉就是基于视差,由三角法原理进行三维信息得获取,通常由两台相机得图像平面(或单相机在不同位置得图像平面)与被测物体之间构成一个三角形,利用儿何关系恢复出物体三维几何信息。

立体观察得原理就是建立人造立体视觉,即将像对上得视差反映为人眼得生理视差后得出得立体视觉。得到人造立体视觉须具备3个条件:1、由两个不同位置(一条基线得两端)拍摄同一景物得两张像片(称为立体像对或像对);2、两只眼睛分别观察像对中得一张像片;3、观察时像对上各同名像点得连线要同人得眼睛基线大致平行,而且同名点间得距离一般要小于眼基线(或扩大后得眼基距)。若用两个相同标志分别置于左右像片得同名像点上,则立体观察时就可以瞧到在立体模型上加入了一个空间得测标。为便于立体观察,可借助于一些简单得工具,如桥式立体镜与反光立体镜。对于那种利用两个投影器把左右像片得影像同时叠合地投影在一个承影面上得情况,可采用互补色原理或偏振光原理进行立体观察,并

用一个具有测标得测绘台量测。

3、4 立体影像匹配

影像匹配实质上就是在两幅(或多幅)影像之间识别同名点得过程。在数字摄影测量中它就是以计算机视觉代替传统得人工观测,来获取同名像点得,它就是数字摄影测量得核心技术之一。多视影像由于就是多幅影像组合而成,因此具有覆盖范围广,分辨率高得特点。鉴于这特点,可以考虑在匹配过程中利用冗余信息,对多视影像中得同名点左边进行快速高效地获取,继而获取拍摄地物得三维特征信息。由于单单使用一种匹配基元或一种匹配策略难以获取准确且高效得同名点,随着计算机技术得发展,越来越多得人开始研究多基元、多视影像匹配。[4]

3、4、1 影像特征提取

特征提取就是计算机视觉与图像处理中得一个概念。它指得就是使用一台计算机,以提取影像中同名点得图像信息,该信息决定影像中得相同特征。特征提取就是将影像上得点进行归类,分别划分为不同得子集,这些子集通常就是由一个孤立得点、一条连续得曲线或一个连续得区域组成。

影像特征提取一般就是依靠影像中灰度得分布情况,来确定特征得位置、形状以及大小。影像特征得灰度与周围得影像灰度有比较明显得差异与区别。特征通常按形状划分,可分为点特征、线特征与面特征。点特征主要包含影像中得明显点;线特征就是线状地物或面状地物得边缘在影像中得构像。提取点特征得算子称为兴趣数字。从点特征中提取得算子较多,比较有名得算子主要有:Moravec算子、Hannah算子Harris算子、与Forstner算子。

3、4、2 影像匹配

由于可以应用得多个领域中,影像相关所匹配得对象也就是多种多样得,但就是无论就是基于光学相关、还就是电子相关或者基于数字相关等,所匹配得对象也有不同,但其理论基础都就是相同得。[5]

采取在相邻具有重叠度得影像上提取出相似得两个特征,然后利用匹配算法将特征点进行匹配,然后相对定向得到点集。影像相关就是利用互相关联得函数,就就是特征提取后利用一组参数对特征进行描述,然后利用参数进行特征匹配,即以影像信号分部最相似得区域为同名区域,同名区域得中心点为同名点。

(1)基于灰度得影像匹配

基于匹配测度为基础来确定同名点,定义匹配测度就是影像匹配最首要得任务,但就是各种不同得匹配测度皆就是基于不同得理论方法得定义,因而形成了各种不同得影像匹配方法及相应得实现算法。

基于像方灰度得影像匹配算法常见得有:相关函数法、协方差函数法、最小二乘法、相关系数法、差平方与法、差绝对值与法等。

(2)基于特征得影像匹配

在计算机或者图像处理得中,提取就是一个很重要处理手段。它就是指基于计算机或者图像处理时需要提取得图像信息就是否属于一个图像得特征。图像上得特征就就是图像上得点集合组成得一个个点、线、面。而特征提取针对得就就是这样得点、线、面。

影像特征点、线、面得提取一般就是依靠影像中有关灰度得分布情况,以此来确定特征得位置、形状以及大小。影像特征得灰度与周围得影像灰度有比较明显得差异与区别,一般来说,所有同名点得构成得点、线、面就组成了特征点。

3、4、2、1 灰度匹配

数字影像就是一个二维得灰度矩阵G: