无人机摄影测量技术教程

1、第一章绪论1.1 摄影测量的定义和任务11.2 正直摄影测量11.3 倾斜摄影测量1第二章航测无人机2.1 无人机基本知识72.2 多旋翼航测无人机组成和原理92.3 固定翼航测无人机组成和原理11第三章摄影测量基本原理3.1 无人机空中摄影和航带计算153.2 共线方程163.3 双目立体视觉和立体观测203.4 立体影像匹配21第四章相机检校4.1 概述264.2 相机检校算法274.3 工程实例28第五章无人机航线规划和像控点测量5.1 无人机航线规划原理和算法315.2 无差分GPS无人机像控点布设与测量325.3 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

2、三加密的目的和意义346.2 空三加密连接点的类型与设置356.2.1 标志点刺点356.2.2 明显地物点刺点356.2.3 影像匹配转点356.3 光束法区域网空中三角测量356.3.1 光束法区域网空中三角测量的基本思想与内容356.3.2 解析空中三角测量的精度分析396.4 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第八章正射影像和数字高程模型8.1 真正射影像的概念和制作原理428.2 数字高程模型概念和采集方法468.3 商用摄影测量软件制作DOM和DEM方法488.3.1 inpho摄影测量系统生产DOM和DEM498.3.2 Pix4D

3、生产DOM和DEM50第九章无人机倾斜摄影测量9.1 概况609.2 倾斜摄影测量原理609.2.1 密集匹配算法619.2.2 纹理映射和细节层次模型619.3 倾斜摄影测量相机629.4 商用倾斜摄影测量软件三维建模629.4.1 Photoscan三维建模技术639.4.2 Smart3D三维建模技术699.5 Photoscan三维建模软件操作具体步骤69第一章绪论1.1 摄影测量的定义和任务国际摄影测量与遥感协会ISPRS（IntenationalSocietyofPhotogrammetryandRemoteSensing）1998年给摄影测量与遥感的定义是：摄影测量与遥感是从非接

4、触成像和其他传感器系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球以及环境和其他物体可靠信息的工艺、科学与技术（PhotogrammetryandRemoteSensingistheart,scienceandtechnologyofobtainingreliableinformationfromnoncontractimagingandothersensorsystemsabouttheEarthanditsenvironment,andotherphysicalobjectsandprocessesthroughrecording,measuring,analyzingandreprese

5、ntation）。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。也就是说摄影测量是从非接触成像系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体的几何、属性等可靠信息的工艺、科学与技术。摄影测量的特点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的限制。被摄物体可以是固体、液体或气体；可以是静态或动态；也可以是遥远的、巨大的（宇宙天体与地球）或极近的、微小的（电子显微镜下的细胞）。按照成像距离的不同，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、近景摄影测量和显微摄影测量等。影像是客观物体或目标的真实反映，其信息丰富、形态逼真，可以从中提取所

6、研究物体大量的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。按照应用对象的不同，摄影测量可分为地形地形摄影测量与非地形摄影测量。地形摄影测量的主要任务是测绘各种比例尺的地形图及城镇、农业、林业、地质、交通、工程、资源与规划等部门需要的各种专题图，建立地形数据库，为各种地理信息系统提供三维的基础数据。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，在重建的三维模型上提取所需的各种信息。传统的摄影测量三维模型重建也考虑物体表面纹理的表达，例如地面的正射

7、影像就是地表的真是纹理，但是大多数的应用中，较少考虑物体表面纹理的表达。随着社会、经济与科技的发展，三维模型真实纹理的重建，在摄影测量的任务中变得非常重要了。在一些应用中，需要利用不同的摄影方法完成真实纹理的重建，例如城市的三维建模，可能需要航空摄影与近景摄影相结合才能完成。摄影测量的技术手段有模拟法、解析法与数字法。随着摄影测量技术的发展，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的从本思想是从外业摄影取立体像对，（在不同的两个摄站对同一地区进行摄影所得的两张像片为一个立体像对）。再施测少量控制点，经过内业一系列的处理，通过不同途径

8、，获得被摄区我们所需要的地形图。它的基本原理是前方交会原理。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、四个倾斜五个不同的角度采集影像，拍摄相片时，同时记录航高，航速，航向和旁向重叠，坐标等参数，然后对倾斜影像进行分析和整理。在一个时段，飞机连续拍摄几组影像重叠的照片，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的一张照片进行纹理制作。向用户提供真实直观的实景信息。影像数据嵌入地理信息、影像信息，获位置、高度等属性，增强了三增强了倾斜摄影技术的应用。不仅能够真实地反映地物情况，而且可通过先进的定

9、位技术,得更高的用户体验，极大地拓展遥感影像的应用范围。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的外观、维数据所带来的真实感，弥补了传统人工模型仿真度低的缺点。2、高性价比倾斜摄影测量数据是带有空间位置信息的可量测的影像数据，能同时输出DSMDOMDLG等数据成果。可在满足传统航空摄影测量的同时获得更多的数据。同时使用倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，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，实现全自动化的三维建模。实验数据证明：12年的中小城市人工建模工作，借助倾

10、斜摄影测量技术只需35个月就可完成。1.3.2 倾斜摄影测量的关键技术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的几何变形和遮挡关系。结合POS系统提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。同时，建立连接点和连接线、控制点坐标、GPU/IMU辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。2、多视影像密集匹配影像匹配是摄影测量的基本问题之一，多视影像具有覆

11、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的同名点坐标，进而获取地物的三维信息，是多视影像匹配的关键。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的同名点，因此，近年来随着计算机视觉发展起来的多基元、多视影像匹配，逐渐成为人们研究的焦点。目前，在该领域的研究己取得了很大进展，例如建筑物侧面的自动识别与提取。通过搜索多视影像上的特征，如建筑物边缘、墙面边缘和纹理，来确定建筑物的二维矢量数据集，影像上不同视角的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的权值，将墙面分为不同的类，将建筑的各个墙面进行平面扫描和分

12、割，获取建筑物的侧面结构，再通过对侧面进行重构，提取出建筑物屋顶的高度和轮廓。3.数字表面模型生成和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的数字表面模型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的重要内容。由于多角度倾斜影像之间的尺度差异较大，加上较严重的遮挡和阴影等问题，基于倾斜影像的自动获取DSM存在新的难点。可以首先根据自动空三解算出来的各影像外方位元素，分析与选择合适的影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级的密集匹配，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，形成统一的DSM。多视影像真正射纠正涉及物方

13、连续的数字高程模型DEM和大量离散分布粒度差异很大的地物对象，以及海量的像方多角度影像，具有典型的数据密集和计算密集特点。在有DSM的基础上，根据物方连续地形和离散地物对象的几何特征，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，再根据联合平差和密集匹配的结果建立物方和像方的同名点对应关系,继而建立全局优如图所示，倾斜摄同时进行整体匀光处理四,化采样策略和顾及几何辐射特性的联合纠正,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 倾斜摄影技术的应用由于倾斜影像为用户提供了更丰富的地理信息，更友好

14、的用户体验，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 倾斜摄影测量数据的处理倾斜摄影测量数据处理常用的软件：美国Pictometry公司推出Pictometry倾斜影像处理软件、法国Infoterra公司的像素工厂、徒卡公司的LPS工作站，AeroMap公司的MultiVision系统、Intergraph公司的DMC系统、Astrium公司StreetFactory系统等软件。在

15、国内主要有：红鹏公司推出的无人机敏捷自动建模系统、超图软件公司的SuperMapGIS7c软件、立得空间公司的LeadorAMMS以及武汉天际航公司的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,是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。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，无人机分为侦察机和靶机。民用方面，无人机+行业应用，是无人机真正的刚需；目前在航拍、农业、植保、自拍、快

16、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、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，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的相关管理。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116千克以上的无人机和4600立方米以上的飞艇在融合空域飞行由民航局管理，其余情况，包括日渐流行的微型航拍飞行器在内的其他飞行，均由行业协会管理、或由操作手自行负责。峪行控制I系机身动力装置数排:传愉系图

17、2-1-1无人机的系统组成：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的材质构成。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的导航、定位和自主飞行控制，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

18、小于±3航向角应小于±3°b）航迹控制精度：偏航距应小于±2冰、航高差应小于±2冰、航迹弯曲度应小于±6°二、地面控制站（地面站）1.4 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、或同等性能的计算机和电子设备；b）监控数据可以图形和数字两种形式显示，显示做到综合化，形象化和实用化;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的防水、防尘性能要求，能在野外

19、较恶劣环境中正常工作;e）监控计算机的主频、内存应满足监控软件对计算机系统的要求；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1.5 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和原理多旋翼航测无人机组成图2-2-1MD4-1000图2-2-2大疆S1000图2-2-3螺旋桨图2-2-4

20、多旋翼云台图2-2-5无刷电机以md4-1000为例：microdronesmd4-1000四旋翼系统是一种全球技术领先的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拥有更大的任务载荷，更强的抗风能力，更长的续航时间，更优秀的姿态控制，是目前全世界最大型的四旋翼无人飞行器系统。机体和云台完全采用特殊的碳纤维材料制造，制造工艺源自德国著名的无人机复合材料公司SCHlBELER拥有更轻的重量和更高的强度，折叠式支臂设计更方便运输。基于模块化的设计理念，您可以灵活地更换机载任务设备以适应不同的任务要

21、求。从高分辨率的数码相机、多款视频解决方案到高端的红外热成像摄像机。由于md4-1000拥有更大的载重，除图像和视频设备之外，还可以搭载根据用户需要定制的更多种任务设备，如空气采样设备，空中投放设备等，从而完成更多样化的任务。md4-1000的地面站系统集成了microdrones自主研发的mdCockpit座舱仪表软件，您只需指尖轻点就可以实时接收并查看完整的飞行数据及飞行器所拍摄的视频影像。还可以根据客户需要定制专用的集成式地面站系统。md4-1000可以通过遥控器人工操控飞行，也可以借助独一无二的GPSWaypoint系统进行自动驾驶飞行，和md4-200一样，是目前全世界同类无人飞行器

22、产品中唯一可以提供自动驾驶飞行功能的先进无人飞行器系统。首次引入了2.0BCAN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和卓越的控制算法设计，md4-1000的操控因而变得非常简单，即使您毫无遥控飞行的经验，也能够在很短的时间内学会安全地操控飞行。md4-1000拥有优秀的安全设计，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拥有极高的动力效率，一块机载电池支撑的续航时间最高可长

23、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），更换机载电池的操作不超过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，电机高效率运转的同时产生的噪音却很小，在3米的距离悬停时噪音小于71dBAo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、视频眼镜和矩阵式天线。选配的高增益定向天线的增益能达到15dBi。地面站系统由230V的固定电源或12V的车载电源供电，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的电脑便可获取飞行器的视频及飞行数据，也

24、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的PelicanTM军用安全箱内，可以在恶劣的天气或粗暴的运输中起到可靠的保护作用。基于MicrosoftTMWindowsTM操作系统的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的各种飞行数据，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、距起飞点的距离、环境温度、风速、电机工作状态、遥控器信号强度、GPS犬态等重要信息。飞行数据回放系统能够同步保存所有的飞行数据，用于航后的数据分析。即使在人工遥控飞行模式下，只要系

25、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的位置。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的航线自动飞行。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。规划好的飞行航线能够以3D方式显示在屏幕上，根据您的需要，还可以将飞行航线规划导入到GoogleEarthTM中显示。2.3 固定翼航测无人机组成和原理固定翼航测无人机1 .大白图2-3-1大白2型空机是现在普遍使用的航拍测绘部门使用的机体，结构轻强度大价格低廉使之成为大众的首选。大白航测采

26、用常规气动布局设计，具备良好的稳定的气动性能和操纵性能。标准设计的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的影响。该机性能稳定，做工精良，性价比高，是国内应用最为广泛也是最安全可靠的航测无人机。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2-3-2T10大黄蜂这款无人机的由来是从T10大黄蜂开始了，T10的设计要求源于傻瓜化这个词汇，专业一点的词汇就是易用性；民用无人机自2008年国内汶川地震之后开始在国内兴起，但是受制于人工起降的方式，大部分潜在用户，以及已经采购了传统布局的

27、无人机的用户，面对操控手的培训周期，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的风险等诸多问题，最终放弃了无人机的使用；另外一个现象就是国内一些单位采购的时候，贪大求全，不考虑飞机的实际使用，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，而有效载荷又仅仅是一台单反相机；从飞机性能来看，T10最大持续平飞速度达到了170km/h,在此速度下，飞机的功耗只有1200瓦，相对于普通50cc的油动航拍机140km/h的最大持续平飞速度胜出，但是电动的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

28、也会有较大缩短）；根据我们的测试，在120km/h的飞行速度下，T10的航时为40分钟；反之，油动版的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的为什么会有这样优异表现源于其的气动设计，细节处理和表面加工质量。飞机的低速特性取决于翼载荷，展弦比，机翼气动扭转，所选择的翼型的失速特性，机翼前缘加工质量，飞机表面质量等；高速特性和翼载荷，升力面积分布，飞机的表面粗糙度，飞机各部件之间的关系（干扰阻力），机身机翼的型阻有很大关系；那么我们来看T10这架飞机，这些参数的特点。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15

29、kg到20kg的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。飞机重量小的原因在于3点。1布局的结构优势，翼身融合，无尾布局.2合理的结构设计和加工工艺。3滚雪球效应，当飞机结构重量和飞机的需求功率减小时，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的机翼面积。如果反过来，增加机翼面积，增加结构，对发动机和油料又提出了要求，导致重量滚雪球上升，这就是大家所熟知的飞机设计和加工的口号：为减轻每一克重量而奋斗！从阻力角度来看，得益于现代的三维设计软件，T10用翼身融合结构，调整了整机沿X轴向（机身纵轴）的截面积分布和机翼机身之间的融合和过渡

30、，使气流能够尽量不产生过快的收缩和扩张而导致分离；升力面积的分布，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。前面所提到的更低的翼载荷，以及使用CNC型的高精度模具和真空袋压的加工复合材料成型工艺保证形状精度和表面粗糙度，使整机阻力降低至80km/h巡航速度下，只需要300瓦的输入功率。（这一数字是通过机载电流电压表测量得出）从自动驾驶仪的角度来看，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，但是T10在六级风力条件下，以80km/h的巡航速度在风中飞行，给人印象极为深刻，主要原因是使用了高精度的磁航向和完善的控制策略，保持飞机在空中的位置，始终对准

31、计划飞行方向，即使偶尔飞机地速是跟飞机的飞行方向相反。综上所述，我们就可以理解飞机特性是何以如此了。飞机的结构材料部分，机身使用Nome婚窝夹心材料，表面为S级玻纤布，局部碳纤维求的电磁环境干32kg降低到1.2米的长度，能4500米作业飞行;增强的真空袋压成型工艺。使用这种构建方式的主要原因是一些客户所要扰和屏蔽的要求；进过几年的不断测试，重新设计，弹射器的重量也由当初的18kg,由于高原和低温的要求，弹射器又增强到23kg,可以折叠成小于够放入捷达车的尾部或者航空托运；离轨速度达到了22m/s油动版的T10大黄蜂完成了在海拔3800米高度下起飞，爬升至海拔同时完成了零下20度条件下起飞作业

32、飞行。由于这种对于场地几乎零要求的特性，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，拍摄电力线路的情况；完成了A点起飞，30公里外的B点降落的穿越飞行。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,而国内用的最多的普通布局的航拍飞机，起飞重量达到了15kg,甚至18kg；T10使用20cc发动机，而普通的航拍飞机使用55cc发动机;图2-3-3T10S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的冲击和损害、减小飞行平台和机载设备的损伤；2

33、 .设计飞行高度应高于摄区和航路上最高点100m以上；3 .设计航线总航程应小于无人机能到达的最远航程；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的岩石块、土坎、树桩，也无水塘、大沟渠等；8 .附近应无正在使用的雷达站、微波中继、无限通信等干扰源，在不能确定的情况下，应测试信号的频率和强度，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、滑行降落的，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9.1 场提供的固定翼无人机有效载荷

34、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的重达百公斤量级的高档航空相机。目前大多采用稍为高档的单反相机，像幅在3Kx4K以上。九、航测无人机选择参考由于航测所需的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的兼容性，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，整套设备采购是最好的选择。我所操控的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以内的微单，镜头可选16mm,20mnf口30mmB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。我们公司主要是做4D产品，即

35、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。下面是作业流程：从接到项目开始，首先是用户的需求：成图比例，地面分辨率要达到多少厘米。查看谷歌地图，查看看地形起伏落差，选择合适的相机，镜头和相片重叠度，并计算我们无人机的相对航高（航高必须是高差的6倍以上），航线间隔和拍照间隔。根据航线间隔和范围线在谷歌地图出航线外业航摄工作也不难，主要是细心，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，连接是否牢靠有没有松脱的可能，电机转动是否顺滑，舵机工作正常与

36、否，电台通讯是否完全正常，GP例搜索到卫星是否足够，该初始化的数据全部是否完成，航线航点，拍照间隔和拍照点是否正常设置。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,用不同的ISO值进行拍照，对比照片选择合适的ISO。迎风起飞，飞到空中，切返航，检查无人机盘旋状态是否稳定。爬升到目标后切到航线飞行模式，航线中遥控飞手和电脑操作手都要注意观察卫星、飞控和舵机电池电压、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。选择平坦的草地，水泥地都可以，试过在单车道的水泥地上降落。对于测绘型无人机，我们希望是状态更稳定，续航长

37、，航程长，载重大的机型，当然重量，速度和续航之间是很难平衡的，还有电池能够变轻就好了。当然你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。但是相当于油机的操作难度和危险性，电动机还是有优势的，毕竟油机不是人人可以操作的起来第三章摄影测量基本原理（雷雨默,参考原教材）9.2 无人机空中摄影和航带计算根据摄影时摄影机所处的位置的不同，摄影测量学可分为地面摄影测量、航空摄影测量和航天摄影测量。地面摄影测量是将摄影机安置在地面上对目标进行摄影，用于小范围的地形测量和工程测量等。航空摄影测量是将摄影机安装在飞机上，对地面进行摄影。航空摄影测量是摄影测量最主要的方式。航天摄影测量又称遥感技术，它把

38、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、地形测绘和军事侦察等领域。2随着我国经济的飞速发展，对大比例尺、高分辨率的航空遥感影像的需求也与日俱增，同时对空间信息的现势性、精度、周期和成本等各方面的要求也越来越高，而传统的航天和航空摄影越来越显现出其局限性。例如现有的卫星遥感技术虽然能够获取大区域的空间地理信息，但受回归周期、轨道高度、气象等因素影响，遥感数据分辨率和时相难以保证。而航空摄影主要采用的是大中型固定翼飞机，由于空域管制、气候等因素的影响较大，缺乏机动快速能力，同时使用成本较高，对测区面积小、成图周期短的测绘工程和

39、应急测绘项目很不适应。9.2.1 无人机摄影优点相对于传统的航天和航空摄影测量而言，之所以基于无人机的低空摄影测量为危险区域图像的实时获取、环境监测、地理国情监测及应急指挥需求等，提供了一种新的技术途径，具有广阔的发展与应用前景。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的传感器，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

40、低廉。一般的单位和个人都有能力负担。3、具有机动性、灵活性和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的城市地区和地形复杂地区以及南方丘陵、多云区域。能够在危险和恶劣环境下（如森林火灾、火山爆发等）直接获取影像，即便是设备出现故障，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，即使是光照不足的阴天，飞机也可上天航拍。5、分辨率高、多角度（视角）由于是低航空摄影，一般在云下飞行，使用CC啖码相机作为传感器，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的纹理信息，弥补了卫星遥感和普通航空摄影遇到的高层建

41、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的制作。6、影像获取周期短、时效性强无人机遥感几乎不受场地和天气影响，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的遥感影像，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。9.2.2 无人机摄影的缺点无人机低空遥感系统凭借着众多的优势，在图像的实时获取、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的应用，但是，与传统的航天和航空影像相比，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

42、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、侧滚角和旋偏角较传统航测来说变化快，致使影像的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、逆风和侧风影像大，加上俯仰角和侧滚角的影响，航带的排列不整齐，主要表现在重叠度（包括航向和旁向重叠度）的变化幅度大，甚至可能出现漏拍的情况。为了保证测区没有漏拍，通常是通过提高航向和旁向重叠度的方法来实现这一点的，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的航空摄影而言，

43、无人机低航空摄影选取ccca码相机作为成像系统，而较专业航摄仪来说，小数码影像（普通单反拍摄的）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的这些问题，给影像的匹配和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，降低了灰度匹配的成功率和可靠性；（2）像幅小、影像数量多，导致空三加密的工作量增多、效率降低，航向重叠度和旁向重叠度不规则，给连接点的提取和布设带来困难，基高比小无疑对高程的精度也造成一定的影响；（3）如若对于小数码影像的畸变差不考虑，直接使用的话将影响空三的精度。9.3 共线方程9.3.1 坐标系统1、像平面坐标系o-xy像平面坐标系

44、是定义在像平面内的右手直角坐标系，用来表示像点在像平面内的位置。其坐标原点定义为像主点o,一般以航线方向的一对框标连线为x轴，记为o-xy。Yx图3-2-1像平面坐标系o-xy2、像空间坐标系S-xyz像空间坐标系是表示点在像空间的位置的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的相应轴，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-xyz3、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的位置。该坐标系的原点在摄影中心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）

45、的x,Y轴且方向一致。图3-2-3像空间辅助坐标系S-XYZ3、摄影测量坐标系A-XpYpZpppp该坐标系的原点和坐标轴方向的选择根据实际讨论问题的不同而不同，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O-XtYtZt之前叙述的4种坐标系都是满足右手定则，然而地面测量坐标系满足左手定则的坐标系，该坐标系为，它的X轴的指向为正北，Z轴是以国家黄海高程基准为标准系统测量出的高程值。图3-2-4地面测量坐标系和地面摄影测量坐标系9.3.2 航摄像片的方位元素在航测中，将摄影航摄像片的内、外方位元素是建立物与像之

46、间数学关系的重要基础。瞬间摄影中心S、像片P与地面（物面）E的相关位置数据称为航摄像片的方位元素。依据作用不同，航摄像片的方位元素又分为内方位元素和外方位元素。1、内方位元素投影中心对像片的相对位置叫做像片的内方位，它们是：像片的主距f,像主点在像片标框坐标系中坐标Xo,yo。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的位置时需要的元素，共有三个线元素和三个角元素。其中，线元素是摄站在地面辅助坐标系中的坐标，用以确定摄影光束在地面辅助坐标系中的顶点位置；三个角元素用来确定摄影光束在地面辅助坐标系中的姿态。角元素有三种不同的表达形式：（1）以Y轴为主轴的系统（2）以X轴为

47、主轴的系统（3）以Z轴为主轴的系统图3-2-6外方位元素3、空间直角坐标系旋转的基本关系像空间坐标与像空间辅助坐标之间的变换是正交变换，即一个坐标按照某种次序有规律的旋转三个角度即可变换为另一个原点的坐标系。而同时像空间辅助坐标假设像点a在像空间坐标系中的坐标为（x,y,-f）系中的坐标为（X,Y,Z）,两者的正交关系为：式中R是一个Xl-xY=Ry.z3*3的正交矩阵，得到aibia2b2C2a3)x1b3y"-f(D9个方向矩阵的元素为：ai=coscos*:-sinsin.sina2a3=-cossinsinsin.cos-sin.cos-.b1=coscosinkb2=cos

48、.cos.b3=sin0c=sin邛cosk+c0stpsin切sinkc2=sinqsink+cos中sinocosMc3=coscos.3.2.3共线方程共线方程是描述像点a,投影中心S和对应地面点A三点共线的方程。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，它的坐标(Xs，Ys，Zs),物点A是坐标为(Xa,Ya,Za)在地面摄影测量坐标系中的空间点，a是A在影像上的构像，它对应的像空间坐标系中的坐标为(x,y,-f),像空间辅助坐标系的坐标为(X,Y,Z)。此时a、A、S三点位于一条直线上，像点的像空间辅助坐标(X,Y,Z)与地面摄影测量

49、坐标(Xa,Ya,Za)之间的关系如下：XXA-'XSASYZYa-Ys=ZaZ=九(3)式中：九为比例因子。则X=MXa-Xs),Y=?Ya-Ys),Z=K(Za-Zs)(4)由像点的像空间坐标与像空间辅助坐标的关系可知，xaiX+bY+gZ-fa3XbYc3Zya2XbYqZ,=(6)-fa3X4Yc3Z其中：含，打储/=1,2,3）为方向余弦分别是像空间辅助坐标系各轴与相应的像空间坐标系各轴夹角的余弦。像主点坐标为（Xo,yo）,带入（4）得_4（XaXs）+D（YaYs）+Ci（ZaZs）'X-XofH3（XaXs）+A（YaYs）+C3（ZaZs），aaH2（Xa-X

50、s）b2（YA-Ys）"Za-Zs）yy。=f33（Xa-Xs）b3（YA-Ys）G3（Za-Zs）就是常见的共线条件方程式，式中：x,y为像点的平面坐标x。，y。，f为影像内方位元素；Xs，Ys，Zs为摄站点的地面摄影测量坐标；Xa，Ya，Za为物方点的地面摄影测量坐标。3.3 双目立体视觉和立体观测人眼两瞳孔之间的距离大约为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的像略有不同，在视觉上产生差异，这就是双目视差。双目视差是反映空间物体深度信息的客观物理现象，是感知立体知觉的重要生理基础。人眼双目视觉模型如下图所示。计算机

51、立体视觉正是建立在人双眼视觉模型之上的。左眼右眼图3-3-1人眼双目视觉模型双目立体视觉是基于视差，由三角法原理进行三维信息的获取，通常由两台相机的图像平面（或单相机在不同位置的图像平面）和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。立体观察的原理是建立人造立体视觉，即将像对上的视差反映为人眼的生理视差后得出的立体视觉。得到人造立体视觉须具备3个条件：1、由两个不同位置（一条基线的两端）拍摄同一景物的两张像片（称为立体像对或像对）；2、两只眼睛分别观察像对中的一张像片；3、观察时像对上各同名像点的连线要同人的眼睛基线大致平行，而且同名点间的距离一般要小于眼基线（或扩大后的眼

52、基距）。若用两个相同标志分别置于左右像片的同名像点上，则立体观察时就可以看到在立体模型上加入了一个空间的测标。为便于立体观察，可借助于一些简单的工具，如桥式立体镜和反光立体镜。对于那种利用两个投影器把左右像片的影像同时叠合地投影在一个承影面上的情况，可采用互补色原理或偏振光原理进行立体观察，并用一个具有测标的测绘台量测。3.4 立体影像匹配影像匹配实质上是在两幅(或多幅)影像之间识别同名点的过程。在数字摄影测量中它是以计算机视觉代替传统的人工观测，来获取同名像点的，它是数字摄影测量的核心技术之一。多视影像由于是多幅影像组合而成，因此具有覆盖范围广，分辨率高的特点。鉴于这特点，可以考虑在匹配过程

53、中利用冗余信息，对多视影像中的同名点左边进行快速高效地获取，继而获取拍摄地物的三维特征信息。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的同名点，随着计算机技术的发展，越来越多的人开始研究多基元、多视影像匹配。43.4.1 影像特征提取特征提取是计算机视觉和图像处理中的一个概念。它指的是使用一台计算机，以提取影像中同名点的图像信息，该信息决定影像中的相同特征。特征提取是将影像上的点进行归类，分别划分为不同的子集，这些子集通常是由一个孤立的点、一条连续的曲线或一个连续的区域组成。影像特征提取一般是依靠影像中灰度的分布情况，来确定特征的位置、形状以及大小。影像特征的灰度与周围的影像灰度

54、有比较明显的差异和区别。特征通常按形状划分，可分为点特征、线特征和面特征。点特征主要包含影像中的明显点；线特征是线状地物或面状地物的边缘在影像中的构像。提取点特征的算子称为兴趣数字。从点特征中提取的算子较多，比较有名的算子主要有：Moravec算子、Hannah算子Harris算子、和Forstner算子。3.4.2 影像匹配由于可以应用的多个领域中，影像相关所匹配的对象也是多种多样的，但是无论是基于光学相关、还是电子相关或者基于数字相关等，所匹配的对象也有不同，但其理论基础都是相同的。5采取在相邻具有重叠度的影像上提取出相似的两个特征，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。

55、影像相关是利用互相关联的函数，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的区域为同名区域，同名区域的中心点为同名点。3.4.3 灰度的影像匹配基于匹配测度为基础来确定同名点，定义匹配测度是影像匹配最首要的任务，但是各种不同的匹配测度皆是基于不同的理论方法的定义，因而形成了各种不同的影像匹配方法及相应的实现算法。基于像方灰度的影像匹配算法常见的有：相关函数法、协方差函数法、最小二乘法、相关系数法、差平方和法、差绝对值和法等。3.4.4 特征的影像匹配在计算机或者图像处理的中，提取是一个很重要处理手段。它是指基于计算机或者图像处理时需要提取的图像信息是否属于一个图像的特征。图像上的特征就是图像上的点集合组成的一个个点、线、面。而特征提取针对的就是这样的点、线、面。影像特征点、线、面的提取一般是依靠影像中有关灰度的分布情况，以此来确定特征的位置、形状以及大小。影像特征的灰度与周围的影像灰度有比较明显的差异和区别，一般来说，所有同名点的构成的点、线、面就组成了特征点。3.4.2.1灰度匹配数字影像是一个二维的灰度矩阵G:90,0川90,nA-r中g=：二：am,0IIIam,nJ上式中二维数组中的像元素9ij都代表