无人机航摄系统可行性报告

1、无人机航摄系统可行性报告宁陕县开发实施中测系列固定翼轻型无人机航摄系统可行性报告第 1页-共 15页目 录前言 . 3第一部分无人机航摄系统在宁陕县新农村建设工作中的意义8第二部分建立自然灾害预警系统 . 9一、 森林火灾防范工作中的应用9二、 泥石流灾害的防范作用 . 9三、 汛期汛情勘察工作的应用10第四部分无人机在遥感航拍中的应用10第五部分应用领域 . 12一、 空中拍摄的运用 . 12二、 低空遥感中的运用 . 12三、 精准农业领域的运用 . 12四、 电力部门的运用 . 12五、 智能化交通领域 . 13六、 公共安全领域 . 13七、 国土资源领域 . 13八、 旅游领域 .

2、15九、 气象探测领域 . 15十、 无线电信号空中转发 . 15第 2页-共 15页前 言1. 研究目标研究集成多套适用于城镇和乡村飞行作业的超轻型飞机/ 无人机低空数码遥感系统，将该系统经过一些专题的试飞应用和数据处理，总结出小范围农村低空摄影飞行的方案与遥感影像的处理工艺，为最终实施全国范围内的新农村高精度轻小型低空遥感数据获取和处理提供完整流程的生产装备和处理技术。2. 研究内容(1) 数码传感器与飞行平台的系统集成研究包括飞机机型的选择与改装、轻小型航空数码影像获取系统研究。包括: 单镜头数码相机前端的光学系统和数码后背的集成、双镜头和四镜头大幅面数码相机的拼接硬软件研究、视频摄像机

3、 /LIDAR 等设备的集成研究、数据获取装置稳定平台、GPS导航信号接口、飞行导航、摄影操作控制软硬件系统和旋偏纠正云台的研制、电源系统等的集成安装及相互协调等。(2) 飞行试验研究第一，对集成系统的软硬件进行验证以便改进优化设计; 第二，进行数码航摄工艺流程探索总结，包括航摄方案设计、航摄实施、数据预处理; 第三，对高精度轻小型低空数码遥感系统的性能优缺点进行测试分析。(3) 影像处理技术研究针对不同的低空飞行平台获取的数据进行并行处理实验研究，总结低空类影像和低空 LIDAR点云的处理方法和流程等。一、 拟解决的关键技术1. 轻小型航空器改造及荷载优化安置技术针对轻小型航空遥感系统高精度

4、、灵活机动的要求，结合轻小型航空器、第 3页-共 15页遥感载荷、 POS与稳定平台各自的特点，进行轻小型航空遥感系统的总体优化设计 ; 改造国内成熟的轻小型航空器以适应遥感系统配装，完成轻小型航空遥感系统的系统集成 ; 进行航空遥感系统检校与测试，并进行高分辨率(1:500 制图 ) 遥感作业及地面监测 ( 如轻小型无人飞行器 ) 测试验证。2. 轻小型航空遥感系统飞行试验研究(1) 空中试验飞行指挥系统研制研究集成飞行指挥系统，使得轻小型飞行平台能够满足空军和民航对管理飞行器的技术要求，拥有合法飞行资质，同时能够根据遥感任务需要自主管理飞行航线和飞行方式。(2) 地面运输保障系统研究主要包

5、括设计研制轻小型遥感系统飞行器运输保护系统，即飞行器专用运输集装箱，用于地面转场装载飞行器，避免颠簸、雨水等因素造成损伤。必须符合交通车辆管理要求。其次研究建立飞行器外场作业的维护保障系统。第三根据不同传感器研究建立各自维护保障系统。(3) 飞行试验软件系统开发开发飞行试验的全流程作业软件，包括轻小型航空遥感任务设计软件、飞行管理软件开发、航摄质量检查软件。(4) 验证飞行研究研究不同的载荷结合POS系统和稳定平台，选取不同的组合方案开展飞行实验和测试。主要研究以下内容:根据不同的任务制定不同的飞行测试方案，重点为组合方案优化，不同飞行方式研究 ;数码航空相机结合POS系统和稳定平台的飞行实验

6、;第 4页-共 15页轻小型激光雷达系统的飞行实验 ;根据不同传感器的飞行检校测试，如测定位置偏心量和安装角度等。3. 轻小型航空遥感系统数据集成处理技术研究针对轻小型航空遥感系统区别于卫星遥感和普通航空遥感的特点，研制一套适用于轻小型航空遥感系统及其所开拓的新应用领域共性技术的光学影像处理算法及软件。具体研究下列内容:解决云下低空获取的厘米级高分辨率影像面临的幅面小、片数多、只能施设稀少地面控制点等困难，研制全自动化特大区域的空中三角测量软件; 解决复杂姿态、复杂重叠高分辨率影像高精度量测问题，研究能适应高精度、高复杂度摄影测量处理算法和软件 ; 解决在双目立体条件下难以实现建筑物多面体细节

7、量测的困难，研究基于多视几何学原理的建筑物多面体景观建模的算法和软件，开拓三维数字新农村的应用领域。二、 拟采取的研究方案及可行性分析1. 研究方法(1) 轻小型航空遥感系统的系统集成研究针对轻小型航空遥感系统高精度、灵活机动的要求，结合轻小型航空器、遥感载荷、 POS与稳定平台各自的特点，进行轻小型航空遥感系统的总体优化设计; 改造国内成熟的轻小型航空器以适应遥感系统配装，完成轻小型航空遥感系统的系统集成(2) 轻小型航空遥感系统飞行试验研究根据不同任务，选择不同载荷组合，研究制定飞行试验方案。选择起降场地，开展飞行试验，包括空域申请，飞行实施，数据的测试分析，各种传感器及配第 5页-共 1

8、5页套系统的性能和工作状态测试。同时对传感器的偏心量及总体性能检校。(3) 轻小型航空遥感系统数据处理技术研究基于对光学相机成像机理的理解，推导出考虑各种条件限制中的同名点影像自动匹配提取及其粗差过滤方法; 研究引用 POS数据进行巨量影像数据的区域网排列以及推算同名影像的初定位值的方法; 研究利用地面数据反演空中三角格网模型以及评定其精度的方法 ; 研究利用空中三角测量成果全面构建地面数字高程模型的算法及影像匹配技术 ; 研究适用于轻小型航空遥感系统特点的从复杂数据制作无缝正射影像的技术 ; 建设支持上述研究的野外实验场。2. 可行性分析由于轻小型航空遥感系统具有精度高、成本低、效率高、运营

9、方便等突出的优点，因此获得了广泛的应用。在欧美发达国家，几乎每个州都有很多家航测公司具有高精度轻小型航空遥感系统，这些轻小型航空遥感系统一方面轻松灵活地接收本地区的工程任务，另一方面还承担着大量的国家的任务需求，与卫星遥感、普通航空遥感各占据了遥感总量的 1/3 。国内虽起步较晚，但相关技术已有一定研究基础。中国测绘科学研究院中测新图公司分别于 2005 和 2007 年开始了超轻型载人飞机、载人直升机和无人机数码遥感系统的研究。集成的超轻型飞机低空数码遥感系统获得了 2007 年国家测绘科技进步一等奖，解决了高精度轻小型航空遥感的部分关键技术问题，这使得项目的研究已经具备了自主研发的主要技术

10、基础。且随着中国测绘科学研究院张力研究院研发的基于并行计算的数字摄影测量网格系统 PIXELGIRD目前已经具备了高精度并行处理轻小型遥感数据的能力，拥有充分的技术积累和科研成果。因此，项目的实施是可行的。三、 预期研究成果第 6页-共 15页1.集成多款具有自主知识产权，能适用于农村地区起降，达到1:500 测图精度的轻小型低空数码遥感系统。2. 总结一套面向产业化的完整的轻小型低空数码遥感系统的数据获取、数据处理的工作流程和生产规范，为该系统的产业化铺平道路。第 7页-共 15页第一部分 无人机航摄系统在宁陕县新农村建设工作中的意义党的十六届五中全会以来，国家局确定了 2008 至 201

11、2 年社会主义新农村建设测绘服务保障的目标和任务，明确了国家、省、市和县各级测绘行政主管部门的工作职责。国家局的总体目标是 : 以科学发展观为指导，紧密结合新农村建设急需，编制测绘保障服务规划并组织实施 ; 健全经费投入机制，完善技术体系，创新服务模式 ; 充分利用现存的测绘成果资料的技术手段，快速获取基础地理信息，加快开展县、乡、村地图的绘制 ; 建设县域基础地理信息平台，通过共享合作的方式开发独具特色的农村专题地图和涉农地理信息服务系统，使新农村建设测绘保障能力和服务水平全面提升，为农村社会发展提供可靠、适用、及时的测绘保障。根据上述总体目标，进一步确定了“一县一图、一乡一图、一村一图”的

12、基本任务，并按偏远地区、一般地区、城郊地区三个等级，明确了基础地图、影像地图、区域地图、专题地图、基础地理信息平台建设的具体标准。从中可以看出，这是一项浩大的基础工程，为测绘工作提出了广阔的发展空间，拓宽了测绘服务的渠道，拓展了测绘应用领域，为推动测绘事业发展提供了重要的机遇。多年来全国测绘系统主要测制国家基本比例尺地图，目前 1:100 万、 1:50 万、 1:10 万地形图已覆盖全国陆地国土面积， 1:5 万地形图覆盖全国陆地面积的80.2%，1:1 万地形图覆盖陆地国土面积的44%。1:2000 及更大比例尺地形图只覆盖部分城镇，而农村地区却很少覆盖。我国有3 万多个乡镇，大多地形复杂

13、、控制点稀少、数字影像覆盖范围小，基础测绘资料相当薄弱，这种状况严重制约了建设现代农业和新农村建设的科学规划。第 8页-共 15页随着我国测绘技术的不断发展，卫星遥感、航空遥感成为了现阶段收集基础测绘资料的最大规模、最现代化的技术手段。卫星遥感系统、普通航空遥感系统和轻小型航空遥感系统都是遥感领域的重要组成部分。但是，卫星遥感和普通航空遥感难以满足 1:500 测图精度 ; 普通航空遥感灵活机动性差、效率较低; 依靠地面实地1:500 测图效率低、周期长、成本高。而高精度轻小型航空遥感具有精度高、成本低、效率高等优点，成为了获取高精度小面积遥感数据的最有效手段。目前在卫星遥感、大型航空遥感获得

14、国家大量投入并蓬勃发展的情况下，迫切需要建设高精度轻小型航空遥感系统，这对于发挥社会主义新农村建设测绘保障工作的作用具有十分重大的意义。全国范围内县级单位具备轻型无人机航摄系统的机构凤毛麟角，宁陕县建立轻型无人机航摄系统尚属省内首例、西部省份首例，此举将能实现宁陕人民“飞起来”的梦想。能够使宁陕县创建社会主义新农村工作中走到全国前列，成为省内乃至西部地区的领头羊。第二部分建立自然灾害预警系统一、 森林火灾防范工作中的应用无人机空中侦察，风险小、成本低、勘察迅速等优势能很好的运用在森林防火防虫等自然灾害的防范工作中来，其自身所具备的便利条件是其他方式方法无可比拟的，利用无人机侦察能迅速得到反馈信

15、息，以便为制定科学的防范、救援等措施提供了有力保障。二、 泥石流灾害的防范作用无人机空中勘测，在汛期执行山体勘察、降水量测量等工作提供了便利条第 9页-共 15页件，能为制定科学的防范措施提供依据，对灾前勘察预防灾后测绘重建能起到关键性作用，其具备效率高、风险低等优势。三、 汛期汛情勘察工作的应用无人机能很好的运用在汛期汛情勘查工作中，为洪涝自然灾害预警提供准确及时的信息反馈，协助政府应急管理作出科学的防范措施。第四部分无人机在遥感航拍中的应用无人驾驶飞机为空中遥感平台的微型航空遥感技术，其特点是 : 以无人驾驶飞机为空中平台，以专用照相机、摄像机以及视频无线传输技术获取信息，用计算机对图像信

16、息进行处理，并按照一定精度要求制作成图像。使用无人驾驶飞机进行小区域遥感航拍技术，在实践中取得了明显成效和经验。先后拍摄和制作了南海一号打捞现场、江西吉州窑窑址、牛城遗址、白口城遗址、新干大洋洲遗址、广东高明古椰，上新村遗址、惠东平海遗址、河源荷树排遗址、河源客家围屋、河源恐龙蛋保护区、赵陀故乡 ( 陀城 ) 、新会炮台岗遗址、博罗春秋战国墓葬群遗址、深圳西丽屋背岭遗址、广州大学城多处遗址及各省市大量的企业、房地产、公路等多处遥感航拍影像图。实践证明，以无人驾驶飞机为空中遥感平台的微型航空遥感技术，适应国家经济和文化建设发展的需要，为中小城市特别是城、镇、县、乡等地区经济和文化建设提供了有效的

17、遥感技术服务手段。遥感航拍技术对我国经济的发展具有重要的促进作用。随着我国改革开放的逐步深入，经济建设迅猛发展，各地区的地貌发生巨大变迁。现有的航空遥感技术手段已无法适应经济发展的需要。新的遥感技术为日益发展的经济建设和文化事业服务。以无人驾驶飞机为空中遥感平台的技第10页-共15页术，正是适应这一需要而发展起来的一项新型应用性技术，能够较好地满足现阶段我国对航空遥感业务的需求，对陈旧的地理资料进行更新。随着我国经济和文化建设的发展，不少古建筑、考古现场等发现、田野考古探索、城乡的地貌发生巨大变化。一些版图反映不出新的面貌。目前使用资料较为陈旧。常规的成图周期，已不能满足需要。我们利用遥感航拍

18、技术更新的地理资料对地区的经济建设起到了积极的促进作用。为适应城镇发展的总体需求，提供综合地理、资源信息。正确、完整的信息资料是科学决策的基础。各地区、各部门在综合规划、田野考古、国土整治监控、农田水利建设、基础设施建设、厂矿建设、居民小区建设、环保和生态建设等方面，无不需要最新、最完整的地形地物资料，已成为各级政府部门和新建开发区急待解决的问题。我们用遥感航拍技术准确地反映出地区新发现的古迹、新建的街道、大桥、机场、车站以及土地、资源利用情况的综合信息。遥感航拍技术是各种先进手段优化组合的新型应用技术。航空遥感技术以低速无人驾驶飞机为空中遥感平台，用彩色、黑白、红外、摄像技术拍摄空中影像数据

19、 ; 并用计算机对图像信息加工处理。全系统在设计和最优化组合方面具有突出的特点，是集成了遥感、遥控、遥测技术与计算机技术的新型应用技术。无人驾驶飞机为航空遥感提供了操作方便，易于转场的遥感平台。可根据不同的需要选择不同类型的平台。起飞降落受场地限制较小，在操场、公路或其它较开阔的地面均可起降，其稳定性、安全性好，转场等非常容易。多用途、多功能的影像系统是获取遥感信息的重要手段。遥感航拍使用的摄影、摄像器材主要是经过改装的 120 照相机，拍摄黑白、彩色的负片及反转第11页-共15页片。也可使用小型数字摄像机或视频无线传输技术进行彩色摄制。第五部分 应用领域一、 空中拍摄的运用让镜头插上翅膀，代

20、替大遥臂，为导演充当空中摄影机。由于无人直升机的速度可控性很大，所以在影视剧、广告片、 MTV拍摄中有着不可替代的地位，尤其对空中三维中近景的拍摄。 在飞行程序的控制下，无人直升机能在指定的路线中反复地飞行，有助于产生特技效果。为片商提供空中摄影照片，如 : 房地产小区、开发区、厂区、 旅游风景区等。无人直升机拍摄系统携带便利，特别适合突发新闻事件的空中拍摄。二、 低空遥感中的运用在低空获得大比例尺地型地貌图，为数字化城市建设、 GIS 系统、城市规划，提供地理信息。可对一些大型桥梁、水坝进行构造的勘察。公路建设中的测绘及大比例尺施工图的获得、对地质构造的测定等。三、 精准农业领域的运用喷洒农

21、药、施肥、播种、配合低空遥感技术，及早发现农作物病虫害传播中心，及时准确地消灭病虫。农业科学试验，如 : 农作物生长状况及不同肥料对农作物生长的评估测定、作物生长状况监测。四、 电力部门的运用在电力系统中，对高压线路的架设和巡线是工程及输电当中的重要环节。第12页-共15页由于有人直升机受飞行环境条件限制，在低空飞行时容易发生危险; 其体积和重量过大也使一些作业受到限制 ; 以及它在低空飞行时其旋翼引起的下洗气流也会对地面人员、高压线及设备造成危险和损坏。所以，无人直升机恰好可以克服有人机的缺点，大显身手五、 智能化交通领域公路、同村道路建设勘探过程中的航空测量 ; 公路施工过程中大比例尺正投

22、影施工图的获得 ; 路政建设中的航空拍摄 ; 对大型桥梁、路面、结构构件的空中监测 ; 对公路进行空中巡逻，帮助指挥中心疏导交通。六、 公共安全领域无人机在公共安全领域中能很好的运用在空中巡逻、缉毒缉私、空中侦察、线路 ( 管道 ) 巡检、公路巡视等工作中。七、 国土资源领域土地资源是人类赖以生存和发展的物质基础，我国人多地少，随着经济的快速发展，耕地、矿产资源等不断减少，生态环境面临严峻考验。全面、准确、及时地掌握国土资源的数量、质量、分布及其变化趋势，进行合理开发和利用，直接关系到国民经济的可持续发展。为此，国土资源管理部门正在逐步建立 “天上看、网上管、地上查”的立体跟踪监测体系，对土地

23、和资源的利用情况进行动态监测，同时加大执法监察力度。国土资源监察工作的重要内容之一是对土地和资源的变化信息进行实时、快速的采集。目前，地方上多采用人工实地检查，国家多采用卫星遥感影像数据和普通航空遥感影像数据，这些技术手段在实际工作中发挥了很大作用，但在第13页-共15页高效、快捷、准确性等方面还存在一定程度的不足。人工实地检查效率低，需要大量的人力和物力，由于国土资源部门各级人员配置与工作量大不相适应，大量地方难以巡查到位，并且容易受到人为因素的干扰。卫星遥感影像数据采购周期长、时相难以保证，因此现势性不够; 另外卫星影像的分辨率较低，影响判别准确性。有人驾驶飞机的普通航空遥感的方法可获取较高分辨率的影像，但受空域管制和气候等因素制约，对时间要求紧迫的监测任务较难保障，而且成本高。因此，对重点地区和热点地区要实现滚动式循环监测，对违规违法用地、滥占耕地、非法开采矿山、破坏生态环境等