无人机摄影测量技术在输电线路工程中的应用研究-优秀毕业论文.pdf

分类号:p231 10710-20078001 工程硕士学位论文 无人机摄影测量技术 在输电线路工程中的应用研究 李少龙 导师姓名职称 刘万林 副教授 申请学位级别 硕士 工程领域名称 测绘工程 论文提交日期 2012 年 3 月 19 日 论文答辩日期 2012 年 6 月 6 日 学位授予单位 长安大学 study on application of photogrammetry by unmanned aerial vehicle in transmission line a dissertation submitted for the degree of master candidate：li shaolong supervisor：prof. liu wanlin changan university, xian, china i 摘摘 要要 我国电网跨越式发展对航空摄影测量技术在输电线路测绘领域的应用提出了更高的要求。受天气、空管等诸多条件的制约，常规航空摄影时效性差，成本高。近年来，无人机摄影测量技术发展迅速，正在进入实用阶段，已广泛应用于农业、林业、水利、国土资源、交通等国民经济各领域。为了服务于坚强智能电网建设，有必要进行无人机航空摄影测量技术应用的研究。 本文分析了无人机航空摄影测量技术的特点、摄影系统组成和航空摄影及数据处理基本流程；论述了无人机摄影测量技术应用的几个关键问题： 1. 数码相机影像畸变纠正、航高与焦距选择以及飞行与摄影姿态控制； 2. 野外控制点布设方法与空中三角测量精度的关系； 3. 数据处理软件功能需求与影像匹配算法。 通过开展场地试验和工程试验，对于利用无人机搭载数码相机完成输电线路及区域航空摄影数据获取的技术可行性进行评价， 通过实地采集的检查点检验了航空摄影测量精度，得出了以下结论： 无人机摄影测量技术可满足 1：2000 地形图测绘的要求，在合理选择摄影参数和数据处理方法的前提下，也可以满足丘陵地区及山地的 1：1000 测图要求。此技术可以达到 1：500/1：5000 线路平断面图测量的精度要求，完全可以满足输电线路优化选线以及平断面图数据采集的要求， 为输电线路工程提供了一种可以替代常规航空摄影的非常实用的解决方案。 关键词：无人机、航空摄影测量、数码相机、输电线路、平断面图、地形图 ii abstract the fast development of chinese transmission grid requires it be more efficient for the application of aerial photogrammetry in transmission line survey. however, according to many limits such as air condition and aircraft control, its usually low efficient and high costly to take photo by normal manned plane. the photogrammetry by unmanned aerial vehicle （uav）is developing very quickly and becoming more practical so that it applies widely in survey of agricultural, forest, water, land, transportation and so on. its also necessary to study the application of uav photogrammetry in the transmission grid designing and construction. an analysis is made in the paper about the characteristic of uav photogrammetry, the combination of photographic system and the processing of data acquiring and computing. several key subjects are discussed as following: 1. image distortion rectification, selection of flight height and focus distance, and control of flight and photo; 2. the relationship between field control planning and accuracy of aerial triangulation; 3. function requirement of data process software and image matching algorithm. through field tests and engineering tests, to evaluate the technical feasibility of aerial photography data acquisition by uav equipped with digital camera for the transmission line and regional area is evaluated. the accuracy of aerial photogrammetry is tested by checkpoints collected in field, and the following conclusions are drawn: uav photogrammetry technology can meet the requirements of 1:2000 topographic mapping, also can meet the requirements of 1:1000 topographic mapping in hilly areas and mountain under the premise of the reasonable choice of photographic parameters and data processing methods. this technology can meet the accuracy requirements of 1:500 / 1:5000 line flat sectional drawing, and fully meet the requirements of transmission line selection and data acquisition. it provides a very practical solution to alternate the normal aerial photography in transmission line projects. key words: uav, aerial photogrammetry, digital camera, transmission line, planemetric and section plan, topographic map iii 目目 录录 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景与意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国内外地理空间信息技术及无人机遥感发展现状 . 2 1.2.2 目前输电线路测绘中存在的问题 . 5 1.3 研究主要内容 . 6 第二章 无人机摄影测量技术特点 . 7 2.1 无人机航空摄影的特点 . 7 2.2 无人机摄影原理 . 8 2.2.1 无人机低空摄影系统的组成 . 8 2.2.2 无人机航空摄影作业流程 . 10 2.2.3 无人机摄影数据处理系统 . 11 2.3 无人机摄影测量在输电工程中的应用优势 . 12 2.4 无人机摄影测量应用于输电工程的技术流程 . 15 第三章 无人机摄影测量技术应用关键问题 . 17 3.1 航空摄影关键问题 . 17 3.1.1 影像畸变纠正 . 17 3.1.2 航高与镜头焦距的选择 . 19 3.1.3 飞行及摄影姿态控制 . 20 3.2 外业控制测量关键问题 . 21 3.3 数据处理关键问题 . 25 第四章 试验过程及方法 . 28 4.1 试验主要过程. 28 4.2 试验原则与方法 . 30 4.2.1 试验原则和依据 . 30 4.2.2 场地试验方法 . 32 4.2.3 工程试验方法 . 34 第五章 应用实例及成果分析 . 37 5.1 应用实例一 . 37 5.1.1 测区概况及航摄方案 . 37 5.1.2 技术指标 . 37 5.1.3 控制点分布 . 38 5.1.4 野外精度检查 . 40 5.1.5 结论 . 41 5.2 应用实例二 . 42 5.2.1 测区概况及航摄方案 . 42 5.2.2 技术指标 . 42 5.2.3 控制点分布 . 43 5.2.4 空中三角测量 . 43 5.2.5 野外精度检查 . 44 iv 5.2.6 结论 . 45 结论及展望 . 46 参考文献 . 47 致谢 49 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 “十一五”期间，我国电网建设实现了跨越式发展，迈上了新台阶， “十二五”乃至今后一个时期，将是坚强智能电网加快发展的重要时期，也对今后电网建设提出了新要求。为加快建设坚强智能电网，应用航空摄影测量与遥感等技术实现数字化的三维勘测设计及施工管理，成为对输电线路测绘领域的必然要求。 目前，输电线路工程相关空间地理信息数据主要通过卫星遥感与常规航空摄影等手段获取。卫星遥感数据通过卫星平台搭载专业传感器获取，具有宏观、直观、信息丰富等特点，在输电线路工程前期规划、可行性研究等方面取得广泛应用，但在时效性、分辨率、数据精度等方面存在一定局限性。常规航空摄影利用大中型飞行平台搭载专业航摄仪进行作业，可较快获取高清晰影像数据，可满足线路工程施工图勘测设计阶段应用，但需要专用机场、审批、空情条件以及军事和航空限制，存在成本较高，作业周期长，机动性不足等问题。 1.11.1 研究背景与意义研究背景与意义 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。因此，无人机航摄系统的应用，能有效弥补常规航测手段的不足，满足局部、应急工程建设需求。 当前，无人机航空摄影测量技术在我国航测遥感领域蓬勃发展，已广泛应用于农业、林业、水利、国土资源、交通等国民经济各领域，是国家测绘局重点推广支持的科研新技术。随着需求日益增大和技术设备日趋成熟，该技术应用于电网建设已取得初步成效。因此，为进一步深化应用并服务于坚强智能电网建设，有必要进行无人机航空摄影测量应用技术的研究探索。 因此，本课题以“无人机摄影测量技术在输电线路工程中的应用研究”为题，通过开展相关试验， 对于利用无人机搭载数码相机完成输电线路及区域航空摄影数据获取的技术可行性进行评价，总结相应的作业模式、精度质量标准和软硬件配置要求等，为无人机摄影测量技术在输电线路勘测设计中推广应用提供参考。 第一章 绪论 2 1.21.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.11.2.1 国内外地理空间信息技术及无人机遥感国内外地理空间信息技术及无人机遥感发展现状发展现状 地理空间技术的发展，给电网建设提供了更多可靠、更详细的基础资料。1：50000地形图也已经全部覆盖我国国土，我国已经建成 1：50000 基础地理信息数据库，多数省份建成了 1：10000 基础地理信息数据库。 近年来高分辨率成像遥感卫星有了很大的发展， 空间分辨率优于 1m 的卫星层出不穷，自美国空间成像公司于 1999 年 9 月 24 日发射升空世界第一颗高分辨率商用卫星ikonos 之后，在短短 10 年时间中，geoeye-1、orbview-3、quickbird、world view-1和 world view-2、eros-b、kompsat-2 等卫星先后发射，为我们提供了分辨率高达 0.5m的遥感卫星数据。这些卫星大多同时搭载多光谱传感器和高空间分辨率的全色传感器，有相当部分卫星还具有立体观测能力，为我们获得详细的地形信息、土地利用信息、地表粗糙度信息提供了各种手段。 航空摄影测量技术经过一百多年的发展，已经跨越了模拟摄影测量和解析摄影测量阶段，进入了数字摄影测量阶段。航空摄影测量普遍应用国民经济的各个方面，是基础测绘、国土、矿产、交通、海洋等各行业完成空间地理数据采集和更新所采用的最主要的手段之一。目前航空摄影基本采用载人飞机上搭载专业航摄仪的方式完成。 无人机是无人驾驶飞行器（uav)的俗称。无人机的种类很多，最早出现在 20 世纪20 年代。 早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作训练用的靶机， 主要应用于军事方面。随着技术的发展及应用需求的拓展，后逐渐应用于战争、侦查及民用的遥感飞行平台。自 20 世纪 80 年代以来，随着计算机技术、通讯技术、gps 技术的迅速发展，以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的问世，无人机性能得以不断提高，应用范围和应用领域迅速扩展，在航空摄影测量、地球物理勘探、灾情监测、土地利用调查、海岸缉私、毒品种植调查等民用领域，并发挥着重要的作用。目前，世界范围内，各种用途、各种性能的无人机类型已达数百种之多。续航时间从 1 小时左右延长至几十个小时，任务荷载从几公斤达至几百公斤，为长时间、大范围的数据获取提供了保障，也为无人机搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。 90 年代后期，无人机由地面(机场)通过无线电通信网络，实现飞机的起飞、到达指定空域、实行遥感飞行操作、以及返回机场降落等操作。无人机（包括无人飞机、无长安大学硕士学位论文 3 人直升机、无人飞艇）具有可在云下低空获取高分辨率高清晰度影像，无需机场起降、用户自主拥有、灵活机动等优点，因而成为卫星遥感和有人驾驶飞机遥感的有效补充手段，在救灾应急和工程精细测绘方面显示出独特的优越性，在输电线路优化选线及地表数据采集中，也具有很好的应用前景。 中国无人飞行器航空遥感技术的进步不仅表现在无人飞行器的研制，还表现在适用于航空遥感的飞行控制系统、遥感通讯系统的研制，更表现为轻小型化传感器及其数据处理系统相匹配的航空遥感系统集成，最终形成可执行航空遥感任务的业务系统。 我国已有多家科研机构和公司研制出轻小型无人机遥感系统(固定翼无人机和无人直升机低空遥感系统)。目前比较适用的低空遥感无人机，一般任务载重 10-20 千克，安装 1-4 个面阵数码相机， 适宜获取 0.05-0.50m 分辨率的光学彩色影像。 机上安装 gps和轻小型稳定平台。 在无人机航摄系统的应用前景方面：j. everaerts 等研究认为未来无人机将成为首选的遥感仪器应用平台； colomina 指出了基于摄影测量与遥感的无人机飞行平台的挑战及优势； nebiker 和 annen 进一步探讨了用两种无人机平台和多光谱传感器试验结果，由此论证基于遥感应用的高分辨率微型无人机具有极好的应用潜力； grenzdrffer 使用无人机航摄系统在不同地区进行了试验，认为无人机可以以系统方式获取影像，通过后处理得到摄影测量产品和用于 gis 的数据，具有直接定位进行航空摄影测量的潜力；henri eisenbeiss 等的研究表明无人机在恶劣环境条件下具有更高应用价值。 在无人机航摄系统软硬件开发上：瑞典瓦伦实验室进行了无人机航摄系统的基础性研究，以开发一个综合软硬件（uav 垂直起降）平台，从而实现全自动道路监控、紧急求援以及摄影测量；澳大利亚 gurtner, alex 等采用鱼眼镜头克服无人机体型小和轻量化设计带来的系统灵敏且易受外界扰动的问题，提高了平台稳定性。 在无人机航摄系统的数据处理研究方面：美国 andrea s. laliberte 等人采用无人机航摄系统对美国爱华达州西南部 290 公里范围牧场进行监测， 并开发了一种处理无人机影像的半自动正射纠正程序；瑞典 henri eisenbeiss 提出了针对用于无人机影像的自动空三处理流程，并用于生成高精度的地面模型；美国 peter johnson 综合无人机系统和 lidar、ins、gps 等技术，成功应用于高精度地表模型的制作，用于地表水流侵蚀研究；美国 andrea s.labierte 等人认为无人机影像分辨率高，数据采集相对简单，而对正射影像生成、图像镶嵌等方面存在诸多挑战；andrea s.labierte 等提出了一种自动化算法，提高了无人机数据处理精度和工作效率。 第一章 绪论 4 在无人机航摄系统应用方面：美国是目前世界上无人机航摄系统发展速度最快、技术水平最高、品种最多、功能最全、应用最广的国家，在系统体制、硬件装备、通信协议等方面具有一系列的标准，规范相关发展。民用领域，美国 nicolas lewyckyj 等人利用 uav-rs 技术在北卡罗莱纳洲进行自然灾害调查，通过正射影像处理与分析准确评估场房和村庄的损失；美国运输部示范性的建立了基于无人机的遥感系统，将其应用于快速获取道路运输网络的图像，并对所得信息快速分析；日本减灾组织使用 rph1 和yamaha 无人机携带高精度数码摄像机和雷达扫描仪对正在喷发的火山进行调查， 进行灾情评估；日本环境省利用 yamaha 加载核生化传感器进行核污染探测，对不同地理环境、不同埋藏深度的辐射源的辐射强度的反映能力进行量化研究。 在国内，无人机技术也得到了迅速发展，是航测遥感领域的发展趋势之一。随着技术的成熟与民用领域需求的不断扩大，该技术已渗入到民用领域的各个行业，无人机航摄系统可应用于国家基础地图测绘、数字城市建设、通信站点建设、国土资源调查、土地地籍管理、城市规划、突发事件实时监测、灾害预测与评估、城市交通、网线铺设、数字农业、测绘、环境治理、生态保护、森林管理、矿产开发等领域，对国民经济的发展具有十分重要的现实意义。 国内无人机系统相关研究情况：在航测应用方面为满足对大比例尺、高分辨率的低空数字航空影像的需求, 中国测绘科学研究院早在 2003 年就研制了无人机遥感监测系统 uavrs ii,后续研究了非量测数码相机用于测绘的关键技术，并开发了相关处理软件 map-at。北京航空航天大学无人机飞行器研究所在无人机设计、硬件制造、系统集成等方面做了大量研究；北京工商大学陈天华等研究了弹射起飞型无人机的系统设计，并在空中自动飞行控制技术方面做了研究； 中国科学院遥感应用研究所洪宇等人就无人机数据采集方式、拼接方法、机器精度进行探讨，证明无人机适合小范围的高分辨率影像的及时获取。 国内无人机航摄系统用于航测地形图测图的研究主要有：北京测绘设计研究院的王磊、 李兵等人分别于 2003 年和 2008 年详细地研究了无人机航摄系统用于城市大比例尺地图测图的作业方式、数据精度问题。解放军信息工程大学吴云东、张强等 2007 年利用无人直升机、 无人飞机和无人飞艇等手段进行了低空摄影测量工程试验， 并从安全、质量和效率方面对三者进行了研究和详细比较， 并给出了如何改进低空无人机摄影技术的建议。湖北水利电力勘测设计院程崇木等人 2010 年对无人机航摄系统的误差来源进行了详细探讨和阐述， 并就影像航测成图的关键因素和相应的措施建议提出了自己的见长安大学硕士学位论文 5 解。 陕西第二测绘院杨瑞奇等人 2010 年做了基于无人机数字航摄系统的快速测绘研究，介绍了利用该系统实施的12000航测试验实践， 结果证明了该系统的可行性与适用性。 另外在应用方面，台湾大学理学院空间信息研究中心利用无人机拍摄低空大比例尺图像， 配合 formosat2 分类进行异常提取， 解译桃园县非法废弃堆积物 （固体垃圾等） ，用于环境污染和执法调查。 朱子豪等使用无人机携带大面阵数码相机在台湾盐寮福隆海岸进行追踪调查，就海岸变迁及其未来变化趋势进行了研究。 我国内地的无人机航摄系统应用已经在汶川地震、玉树地震、舟曲的泥石流灾害等应急救灾中大显身手， 成为了应急救灾一个新的手段， 同时国家也成立了急减灾中心，其中就有以无人机为平台的应急救灾应用系统。2010 年 6 月 30 日贵州国土资源厅利用无人机低空航摄遥感技术对关岭县岗乌镇大寨村“6.28”地质灾害区域周边地区 10 平方公里实施航拍检测。 另外面对测绘领域的需求，国内无人机航测系统用于测绘方面的应用研究也在不断深化，主要应用于大比例尺地图测绘航测成图、地理信息数据获取与更新以及公路、铁路、电力、油气等工程应用等。 在电力工程勘测设计应用领域，中南电力设计院高福山等人利用无人机完成了发电厂厂址 1：1000 地形图的测绘，经实地检验证实其可满足丘陵地区成图高程精度的要求。北京洛斯达公司郑小兵等人开展了输电线路无人机航空摄影测量的试验，讨论了无人机摄影测量技术与常规航空摄影的差别，并提出了关于无人机技术应用的建议。但总体来说，无人机摄影测量技术尚未在电力勘测设计领域推广应用。 无人机具有机动、快速、经济等优势，已成为世界各国争相研究的热点，现已逐步从研究开发阶段发展到实际应用阶段，成为未来的主要航空摄影方式之一。 1.2.21.2.2 目前目前输电线路输电线路测绘测绘中中存在的问题存在的问题 随着 gps 和摄影测量与遥感技术在电网工程勘测设计工作中的广泛应用，我国的电网勘测设计的精细化程度和效率有了显著的提高，作业模式也发生了深刻的变化。目前，在 220kv 及以上电压等级的输电线路工程勘测设计中，利用航空摄影数据进行线路路径优化和定线、定位测量已经成为常态。但是，常规的航空摄影手段存在以下问题：一是受天气条件制约很大，符合飞行和摄影标准的天气很少，在我国的西南地区或空气污染严重的局部地区甚至整年都等不到合适的天气； 二是常规航空摄影受严格的空中管制，常常因为不能及时取得批文而影响工程进度；三是常规航飞费用昂贵，限制了应用第一章 绪论 6 范围和深度， 目前在短距离输电线路和发电、 变电工程中基本不采用航空摄影测量手段。 1.31.3 研究研究主要内容主要内容 通过分析输电线路工程测绘工作的现状及其存在的问题和难点，结合国内外无人机摄影测量技术应用的发展特点，将本研究的主要内容确定为以下两方面： （1）通过在平丘、山区以及高山区等不同地貌单元的飞行试验，研究无人机摄影测量系统在不同的地形条件和天气条件下完成线路带状数据采集的技术可行性。 （2）研究在不同飞行比例尺和航向、旁向重叠度条件下采集无人机影像数据的精度和质量，给出适应输电线路工程技术要求的飞行和摄影参数。研究适应无人机摄影数据处理的软硬件平台,并对其处理模式进行研究评价。 目前普遍应用的低空无人机航空摄影平台有固定翼无人机、无人直升机以及无人飞艇等，其中应用最广泛、实用性最强的是小型固定翼无人机。本课题同样以小型固定翼无人机作为研究对象，以下如不进行特别说明，所述无人机均指小型固定翼无人机。 长安大学硕士学位论文 7 第二章 无人机摄影测量技术特点 近年来地理空间信息技术取得了飞速的发展，尤其是灵活机动、具有快速响应能力的轻小型航空摄影测量，更是在最近几年迅速成长，成为航空遥感领域一个引人注目的亮点。无人机航测技术体现了无人机与测绘的紧密结合，同时也提供了更高效的测绘方式。经实验证明，无人机航测技术完全可以达到 1：2000 国家航空摄影测量规范的要求，在某些技术条件下可满足 1：1000 及以上地形图测绘的要求。 2.12.1 无人机航空摄影的特点无人机航空摄影的特点 由于航空遥感平台及传感器的限制，普通的航空摄影测量手段在获取小面积、大比例尺数据方面存在成本高、周期长等问题。具有低成本和机动灵活等诸多优点的低空无人机摄影能在小区域内快速获取高质量航空影像， 是国家航空遥感监测体系的重要补充，是航空遥感的未来发展方向。在当今卫星遥感和普通航空遥感蓬勃发展的形势下，轻小型低空遥感是粗中细分辨率互补的立体监测体系中不可缺少的重要技术手段。 低空无人机航空摄影系统，作为卫星遥感与普通航空摄影不可缺少的补充，它有如下优点： （1） 无人机可以超低空飞行， 可在云下飞行航摄， 弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷； （2） 由于低空接近目标， 因此能以比卫星遥感和普通航摄低得多的代价得到更高分辨率的影像； （3） 能实现适应地形和地物的导航与摄像控制， 从而得到多角度、 多建筑面的地面景物影像，用以支持构建城市三维景观模型，而不局限于卫星遥感与普通航摄的正射影像常规产品； （4） 使用成本低， 无人机体形小, 耗费低, 对操作员的培养周期相对较短。 系统的保养和维修简便, 同时不用租赁起飞和停放场地， 可以无需机场起降， 因而灵活机动，适应性强，容易成为用户自主拥有的设备； （5） 回避了飞行员人身安全的风险； （6） 比起野外实测而言，无人机航测方法具有周期短、效率高、成本低等特点。 第二章 无人机摄影测量技术特点 8 对于面积较小的大比例尺地形测量任务(10100km2)，受天气和空域管理的限制较多，成本高；而采用全野外数据采集方法成图，作业量大，成本也高。将无人机遥感系统进行工程化、实用化开发，则可以利用它机动、快速、经济等优势，在阴天、轻雾天也能获取合格的彩色影像，从而将大量的野外工作转入内业，既能减轻劳动强度，又能提高作业的技术水平和精度。 2.22.2 无人机摄影原理无人机摄影原理 无人机是通过无线遥控设备和机载计算机程控系统进行操控的不载人飞行器（uav） 。无人机结构简单、使用成本低，不但能完成有人驾驶飞机执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务。 无人机航空摄影是以无人驾驶飞机作为空中平台，利用机载高分辨率 ccd 数码相机获取影像信息。 2.2.12.2.1 无人机低空摄影系统的组成无人机低空摄影系统的组成 （1 1）无人机飞行平台无人机飞行平台 无人机低空摄影系统将主要由无人驾驶飞行平台、相机及其控制系统、飞行控制系统、无线电遥测遥控系统和无人飞行器测控信息系统组成1。具体包括： 1) 无人机机身：机翼、机身、尾翼、起落架等。 2) 自驾仪(飞行控制设备)：测姿、导航、自驾、定点曝光，相当于无人机大脑。 3) 舵机：控制起落、航向、拐弯控制，相当于无人机四肢。 4) 遥控接收机：无线飞行控制设备。 5) 数字电台（包括 gps 天线、电台电线） 。 6) 发动机、油箱、及螺旋桨：动力来源，相当于心脏。 7) 笔记本电脑及地面控制导航软件：飞行设计、调试、指令发射中心。 8) 数码相机及云台等固定装置：控制航拍及拍摄姿态调整。 9) 弹射架、降落伞；特殊条件下的起落设备。 10) 地面配套设备（汽车、电瓶、充电器、对讲设备等） 。 国内常用于航空摄影的无人机机身长度和翼展一般在 23m 之间，木质或玻璃纤维机身，搭载单发或双发活塞发动机，螺旋桨驱动，飞行速度每小时 100km 左右，飞行长安大学硕士学位论文 9 高度可达数千米。起飞方式有滑跑起飞、弹射起飞等，滑跑降落或伞降回收。此类无人机的有效载荷较小，一般不超过 5kg。图 2.1 所示为国产测量者-1 型无人机。 图图 2.2.1 1 测量者测量者- -1 1 型无人机型无人机 （2 2）飞行控制系统飞行控制系统 作为任务系统载体的无人飞机，其飞行控制系统是飞机安全飞行以及将任务设备从地面升空至定点高度和空域、确保预定任务使命完成的关键系统之一。飞机飞行控制系统由地面遥控和机载自主控制两大部分组成。 飞机的升空过程控制和回收过程控制由地面人员通过地面控制中心进行遥控控制， 飞机到达预定高度后的定点控制通过机载自主控制系统进行控制，并可以在上述两种控制方式之间进行切换。飞机机载自主控制系统由感知飞机状态的传感器、实施数据处理和执行控制功能的计算机、操纵舵面运动的伺服作动系统、无线电遥控收发装置、机内自测试（bit）等分系统组成。 飞行控制系统的主要功能是实施对无人飞行器的有效操纵， 为用户提供人工控制、程序控制和自主飞行三种飞行控制模态。 （3 3） 地面遥控系统地面遥控系统 无线电遥测系统传送无人机和摄影设备的状态参数,可实现飞机姿态、 高度、 速度、航向、方位、距离及机上电源的测量和实时显示, 具有数据和图形两种显示功能。供地面人员掌握无人机和摄影设备的有关信息, 并存贮所有传送信息, 以便随时调用复查。无线电遥控系统用于传输地面操纵人员的指令, 引导无人机按地面人员的旨意飞行。 地面遥控系统主要由无线电遥控收发装置、地面中心控制计算机、地面遥控工作台等部分组成。 （4 4）摄影摄影设备及控制系统设备及控制系统 第二章 无人机摄影测量技术特点 10 无人机载航空摄影机必须要轻小型化 （重量不超过 5kg） ， 目前常用佳能 eos 5d mark ii 等全画幅单反数码相机。 由地面站根据航摄任务需求设计好航线，并上传至机载计算机，机载计算机根据设计航线控制无人机飞行， 并控制机载传感器曝光， 记录曝光时刻的 gps 数据及姿态数据，航线飞行完成后通过航点下载系统将航点轨迹数据下载到地面监控计算机， 传感器获取的数据待飞机落地后再导出。 2.2.22.2.2 无人机航空摄影作业流程无人机航空摄影作业流程 无人机航空摄影流程与常规航空摄影流程基本一致，见图 2.2，但又与常规航空摄影测量有所差别，因此应注意以下事项： 航带设计：根据成图比例尺，确定影像地面分辨率（ground sampling distance，gsd） ，确定航片摄影比例尺和飞行高度，根据航向旁向重叠度设计，确定基线距离和航线距离； 选择起降场地：根据测区地形条件、通讯距离选择合适起降场。 飞行前检查：确定航时，航程，进行飞行架次设计；检查空速、通讯、电源、电压、油量、相机、发动机、rc（uav）转换； 飞行监控：1.对航高,航速,以及飞行轨迹的监测；2.对发动机转速和空速地速差进行监控；3.对燃油消耗量进行监控及评估；4.随时检查照片拍摄数量;5.检查通讯连接状况。 数据检查：数据备份下载，检查曝光点数据，更改影像文件名，检查叠片率，检查飞行轨迹，检查重叠度，检查飞行姿态，确定姿态正常，有无摄影漏洞。提交数据成果到后工序。 长安大学硕士学位论文 11 图图 2.2 2.2 无人机航空摄影流程无人机航空摄影流程 2.2.32.2.3 无人机摄影数据处理系统无人机摄影数据处理系统 （1 1）无人机数据处理难点）无人机数据处理难点 无人机遥感数据处理过程和传统航空摄影测量数据处理过程基本一致， 但由于无人机遥感系统在载重和飞行控制等方面的苛刻条件， 以及适用其要求的特殊载荷导致无人机遥感数据后期处理出现了新的技术难题。主要表现在如下三个方面： 1）无人机遥感数据处理要能够实现稀少地面控制的空三解算。由于无人机遥感系统飞行高度低并且采用非量测小型数码相机，所以获取的影像像幅小、单幅影像地面覆盖范围小、像片多，因此后期数据处理量要比传统航测数据成倍增加。如果按照传统航测要求布设野外控制点，会成倍增加野外控制工作量，失去了无人机航空摄影测量的意义。所以无人机遥感数据处理要能解决稀少地面控制的空中三角测量，保证在稀少地面控制的情况下达到航测精度要求； 2）传统航空摄影测量的姿态角一般要求控制在 3 度以内，带简易稳定平台的无人机遥感系统虽然能够保证横滚和俯仰角变化接近 3 度， 但航偏角却很大， 这给影像特征点的自动提取、相对定向、绝对定向、空三解算均增加了难度，因此数据处理系统必须能够支持倾斜影像的空三解算； 3）遥感数据处理系统要能支持全自动化数据处理，以弥补小型数码相机的小像幅带来的低效率问题。 第二章 无人机摄影测量技术特点 12 （2 2）无人机数据处理流程）无人机数据处理流程 无人机数据处理与常规航空摄影测量的流程基本一致，见图 2.3。 无人机飞行前准备无人机飞行前准备航线规划航线规划检校场相机检校检校场相机检校无人机低空摄影无人机低空摄影概略概略pos数据数据自由网空中三角测量自由网空中三角测量相机参数相机参数控制点误差方程控制点误差方程野外控制测量野外控制测量光束法区域网平差光束法区域网平差微分纠正生成微分纠正生成domdom影像匹配生成影像匹配生成demdem利用航测仪器生产利用航测仪器生产dlgdlg 图图 2.32.3 无人机数据处理流程无人机数据处理流程 但由于无人机搭载的是非量测相机，其镜头往往存在明显的畸变差，如直接使用原始影像进行空三加密计算，由于共线条件被破坏，计算外方位元素的精度很差，甚至常常出现迭代不收敛的情况。因此必须对原始影像进行畸变纠正。 2.32.3 无人机摄影测量在输电工程中的应用优势无人机摄影测量在输电工程中的应用优势 采用无人机摄影测量技术用于输电工程勘测设计，具有以下优势： （1）产品更丰富：除了常规的 dlg 产品，还可以提供高精度的 dem 和高分辨率的dom。利用高分辨率的影像进行输电线路设计不仅更加直观，而且可以作更准确的地物识别，获得更精确的地表障碍物信息，从而实现更可靠的输电线路路径优化（图 2.4、图 2.5） 。高精度的 dem 同样可以为铁塔的布置提供更可靠的依据（图 2.6） 。 长安大学硕士学位论文 13 图图 2.42.4 电力线和杆塔清晰可辨电力线和杆塔清晰可辨 图图 2.52.5 农村饲养场，甚至可分辨家禽的种类农村饲养场，甚至可分辨家禽的种类 第二章 无人机摄影测量技术特点 14 图图 2.2.6 6 demdem 细节丰富细节丰富 （2）利用 dem 和 dom，可以真实再现实地三维状态，便于室内微观选址选线，减少了大量的野外工作（图 2.7） 。 图图 2.72.7 domdom 叠加叠加 demdem 三维显示，更加直观三维显示，更加直观 （3）快速响应，受天气影响较小，可进行云下摄影，因此可随时对项目区进行航摄，获得最新的项目区地理空间信息。采用无约束网空三加密，可快速获得影像和 dem，及时用于可行性研究和优化选线，而常规的资料收集时间至少要十个工作日。 在实施某工程的无人机航摄时，因一直下雨，工期紧迫，只好在厚重的云下进行摄长安大学硕士学位论文 15 影，经后期对影像进行增强处理，顺利完成了航测任务，这是常规航摄和卫星遥感所达不到的。 （4）影像和数字线划图完全一致，不再因影像和地形图几何上的套合误差和时效性差异导致的图面内容上的矛盾而影响设计工作（图 2.8） 。 图图 2.82.8 影像和数字线划图完全一致影像和数字线划图完全一致 （5）相对传统的全野外实测而言，效率高、周期短；而且可对人工难以到达的地方进行测绘；同时通过影像和地形图的叠加检查，可以避免实地少测或漏测的情况。 总之， 采用无人机摄影测量技术可以大大提高输电线路工程室内选线的准确性， 并在一定程度上可以替代初步实地选线工作，显著提高了工作效率。同时，可获得高精度的平面坐标和高程数据，减少了大量的野外作业工作量。 2.42.4 无人机摄影测量应用于输电工程的技术流程无人机摄影测量应用于输电工程的技术流程 经过多次实验， 我们已成功将无人机航测技术用于输电线路工程， 在线路路径优化和施工图测绘中可发挥很大作用，并大幅度提高工作效率。 其具体流程见图 2.9。 第二章 无人机摄影测量技术特点 16 无人机航摄无人机航摄无约束网空三加密无约束网空三加密外业控制外业控制快速快速dem空三加密空三加密地物识别地物识别路径优化路径优化dlgdomdem快速影像快速影像初步确定路径初步确定路径杆塔施工放样杆塔施工放样精细路径优化精细路径优化平断面图测绘平断面图测绘三维展示三维展示 图图 2.92.9 无人机应用于无人机应用于输电线路工程输电线路工程技术流程技术流程 无人机航摄后，先进行无约束网空三加密，提供快速 dem 和快速影像，用于路径初选。同时开展外业控制工作，随后进行空三加密，生产 dem、dom 等产品，利用 dem、dom产品在立体选线平台上进行精细的路径优化选线，确定合理可行的线路路径。并进行线路平断面图立体量测，提交设计使用，采用 gps 完成线路杆塔施工放样。后期还可以进行整个线路的三维虚拟现实展示。长安大学硕士学位论文 17 第三章 无人机摄影测量技术应用关键问题 3.13.1 航空摄影关键问题航空摄影关键问题 3.1.13.1.1 影像畸变纠正影像畸变纠正 无人机搭载的是非量测数码相机。近年来，随着生产工艺的进步，数码相机的分辨率提高的同时，其几何性能和辐射性能也大幅攀升，其点位精度己达到次微米级，ccd芯片的不平度也达到了微米级。另外，对 ccd 芯片来讲，几乎不存在底片变形的问题2。但是非量测数码相机应用于摄影测量还需要解决以下问题： 首先必须获取相机的内方位元素。其次，其成像系统往往存在较明显的畸变差，且随离主点的增大而显著增大，直接采用空间后方交会方法计算外方位元素时，精度会很差，甚至常常出现迭代计算不收敛的情况。如国内常用的佳能 eos 5d mark，搭载一款 24mm 焦距镜头时，在距离主点 10mm 处，畸变差即达到 10 个像素以上（图 3.1） 。因此必须对原始影像进行畸变纠正。 图图 3.13.1 非量测相机畸变曲线（单位：像素）非量测相机畸变曲线（单位：像素） 镜头畸变一般分为径向畸变和切向畸变。径向畸变分布在以像主点为中心的轴线上，属对称性畸变，它使像点沿径向偏离准确位置；切向畸变是由于镜头光学中心与几何中心不一致引起的， 是一种非对称畸变， 使像点沿径向和垂直与径向都偏离正确位置。后者比前者小得多，仅为前者的 1/5-1/7。此外，数码相机 ccd 成像面也存在一定程度的畸变。目前常采用公式（3.1）的数学模型对数码影像进行畸变纠正3： 第三章 无人机摄影测量技术应用关键问题 18 其中： x、y 为像片坐标改正值； x、y 为像方坐标系下的像点坐标，坐标系如图 3.2 所示，x0、y0 为像主点坐标； r 为像点的径向半径，即像点到像主点的距离； k1、k2 为径向畸变系数，p1、p2 为偏心畸变系数，为 ccd 非正方形比例系数，为 ccd 非正交性畸变系数。 图图 3.23.2 像方坐标系示意图像方坐标系示意图 畸变系数通常和相机的内方位元素一并获取，一般需要建立高精度的专用检校场，通过拍摄检校场中已知坐标的控制点来求解上述参数3。首先，应用待检校的数码相机对高精度室内三维检校场进行数据采集， 采用附加参数光束法平差测定内方位元素和系统畸变系数。 获得检校结果后即可利用式（3.1）对原始影像逐个像素进行畸变纠正和重采样，此过程可以自行编写程序完成。 普通数码相机的机身和镜头连接并不十分稳固， 加上飞行和运输过程中的颠簸、 震动等影响，其内方位元素和畸变参数往往变动很大，应采取额外的加固和保护措施，尽可能保持镜头与机身的位置关系不变。为了保证成果的精度，最好在承担工程项目的前后各进行一次相机检校。发生相机磕碰等意外情况时应立即进行检校。 长安大学硕士学位论文 19 3.1.23.1.2 航高与镜头焦距的选择航高与镜头焦距的选择 无人机航空摄影方案设计同样要根据测图比例尺与平面、 高程精度要求确定航摄比例尺、镜头焦距、航摄分区等技术指标，这些技术指标中首先应确定影像的地面分辨率（gsd） 。这是因为对于数字成像系统而言，航空摄影测量处理的几何精度首先取决于影像的地面分辨率，即地表细节在影像中的可区分/量测程度。影像的有效分辨率为标称分辨率乘以一个由点扩散函数决定的比例因子。一般而言，数字影像的有效分辨率比扫描后的传统胶片影像高。因此，在相同的分辨率情况下，航空数字影像具有比传统航空影像更高的平面和高程精度4。目前数字航空摄影时 gsd 通常根据测图比例尺而定，测绘 1：500 地形图是一般要求 gsd 为 5cm，1：1000 地形图为 810cm，1：2000 地形图为 1520cm。 由立体像对空间前方交会原理可知， 如果像点的量测精度为 1/k 象素， 其对应的地面点的坐标、高程量测精度 mxy、mz 分别为： (3.2) (3.3) 其中， b 为像方基线长度，f 为摄影焦距。b/f 即为大家熟知的基高比。 从（3.2） 、 （3.3）式可以看出，立体量测的地面点高程精度要低于平面精度，因此在航空摄影方案设计中主要考虑高程精度。显然，gsd 越小，像点量测精度越高，基高比越大，则地面高程量测精度越高。在相机和镜头固定的前提下，gsd 主要由航高来决定。 与载人机通常要求至少 2000m 安全航高距离相比， 无人机的航高甚至可以低至 100m以下。但航高过低会导致影像基线大幅缩短，从而降低基高比，同时影像的覆盖面积也会降低很多。因此，需要选择合适的航高，在 gsd 与基高比之间求得一定的平衡。通常首先根据航空摄影的目的确定 gsd 指标，然后利用公式（3.3）推算地面高程精度是否满足要求，以此来确定航高与镜头焦距。以 5d mark ii 相机为例，假设像点量测精度为 k=2(保守估计，有文献认为数码影像的 k 值可达到 3)，航向重叠度为 70%，则不同gsd 和镜头焦距对应的地面高程精度如表 3.1 所示。 第三章 无人机摄影测量技术应用关键问题 20 表表 3.1 地面高程精度估算表地面高程精度估算表 gsd(cm) 5 10 15 20 焦距（mm） 航高（m） mz (cm) 航高（m） mz (cm) 航高（m） mz (cm) 航高（m） mz (cm) 24 187 8.4 375 16.7 560 25.0 750 33.3 35 273 12.2 547 24.3 820 36.5 1094 48.6 50 390 17.4 780 34.7 1170 52.1 1560 69.4 理论上焦距越小，地面高程精度越高，但 5d mark ii 的 24mm 镜头属于广角镜头，影像变形大，对航高的限制也较大。所以目前在进行常规地区的航空摄影时，多数采用35mm 镜头。 3.1.33.1.3 飞行及摄影飞行及摄影姿态姿态控制控制 根据有关的航空摄影测量技术规程的要求， 无人机平台同样应保证相对航高的变化小于 5，测量飞行速度的误差不大于 5，偏离航线的绝对误差不得大于相片旁向重叠的 5，俯仰角和横滚角控制在 3之内，等等。因为无人机重量轻，抗风和抗气流扰动能力差，飞行过程较容易受天气影响，尤其是受侧风影响最明显。 小型无人机平台经过长期发展， 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小型无人机自主飞行时，其沿预定直线飞行的俯仰角和横滚角一般都在 3以内5。另外，飞行平台的稳定性主要