《无人机地面站与任务规划》 课件 第五章 无人机航测任务规划与实施

第五章无人机航测任务规划与实施无人机地面站与任务规划无人机航测任务规划与实施（1）了解无人机航测任务的特点（2）掌握无人机航测任务规划方法（3）了解无人机航测外业操作流程（4）了解航测数据处理方式知识目标无人机航测任务规划与实施内容框架图目录5.1无人机航测任务简介 5.2航测无人机的特点 5.3准备阶段 5.3.1像控点布设与测量 5.3.2正确选择起降场 5.4航测任务规划 5.4.1无人机航拍测绘流程 5.4.2航测无人机和挂载 5.4.3模型精度、分辨率、比例尺5.4.4航高设计 5.4.5航线设计 5.4.6提高数据质量的方法 目录5.5无人机航测外业操作流程5.6数据处理 5.6.1PPK数据解算 5.6.2PPK辅助下的无人机影像空三处理 5.6.3无人机影像空三加密 5.6.4数字正射影像图DOM和数字高程模型DSM生成5.6.5精度评价 5.7突发情况处理 5.7.1失速 5.7.2失控 无人机航测任务规划与实施测绘就是测量和绘图。以计算机技术、光电技术、网络通讯技术、空间科学、信息科学为基，以全球导航卫星定位系统(GNSS)、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)为技术核心，将地面已有的征点和界线通过测量手段获得反映地面现状的图形和位置信息，供工程建设的规划设计和行管理之用。目前生成测区地形图的技术手段包括航空或无人机摄影技术。无人机航测是传统航空摄影测量手段的有力补充，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势，无人机与航空摄影测量相结合使得“无人机数字低空遥感”成为航空遥感领域的一个崭新发展方向。5.1无人机航测任务简介无人机航测任务规划与实施案例本章将以一个使用无人机进行大比例尺测图的实际案例进行讲解无人机航测任务规划与实施。通过查看该地形图是可以发现该工程地形起伏较大，测区最大海拔高差达到600m以上，对无人机测图来说具有较大的挑战性。由于该工程甲方对地形图成果的高程精度要求较高，这将给外业数据采集和内业成图都提出更高的要求。5.1无人机航测任务简介目航飞测区概况技术方案线路图目录5.1无人机航测任务简介 5.2航测无人机的特点 5.3准备阶段 5.3.1像控点布设与测量 5.3.2正确选择起降场 5.4航测任务规划 5.4.1无人机航拍测绘流程 5.4.2航测无人机和挂载 5.4.3模型精度、分辨率、比例尺5.4.4航高设计 5.4.5航线设计 5.4.6提高数据质量的方法 无人机航测任务规划与实施航测无人机作为工业级无人机大家族中专业性很强的一个分支，具有造价高、分类多、操控人员专业性强、对飞机性能要求高等特点，当遇到不同的测绘任务时，如何选择航测无人机，也是能够顺利完成测绘任务的重要一步。那么在选择航测无人机时有很多的注意事项，到底该选择多旋翼飞机还是固定翼飞机、还是垂直起降复合翼飞机呢？其实选择什么样的无人机，主要看摄区范围与用途。5.2航测无人机的特点无人机航测任务规划与实施（1）多旋翼无人机的优点：轻便，造价相对低廉，可以定点悬停适合方向：航拍，环境监测，侦查，特殊物体运输等小区域应用5.2航测无人机的特点无人机航测任务规划与实施（2）2、固定翼无人机的优点：续航时间长，抗风性能好，拍摄幅面广适合方向：航测、区域监控、管道巡线、抢险救灾、应急通信等大区域应用5.2航测无人机的特点无人机航测任务规划与实施3、垂直起降复合翼无人机的优点：续航时间适中，载重量大，起降不受场地限制。适合方向：区域航测、灾情调查、电力勘察、事故勘察、刑事侦查等重点区域应用根据对本项目的分析，适合采用垂直起降复合翼无人机作为航测无人机。5.2航测无人机的特点目录5.1无人机航测任务简介 5.2航测无人机的特点 5.3准备阶段 5.3.1像控点布设与测量 5.3.2正确选择起降场 5.4航测任务规划 5.4.1无人机航拍测绘流程 5.4.2航测无人机和挂载 5.4.3模型精度、分辨率、比例尺5.4.4航高设计 5.4.5航线设计 5.4.6提高数据质量的方法 无人机航测任务规划与实施检查设备的状态，完成航飞前的各项审批手续，提前向当地有关部门报备。收集测区已有的DOM、控制点、水准点等资料，并在91卫图上对测区的地形起伏情况做初步掌握，提前布设像控点点位、选择起降场等。015.3

准备阶段5.3

准备阶段像控点就是在进行无人机航测时，通过使用rtk，或者全站仪，（大多数情况都是使用rtk）在所拍摄的测区内建立的具有标志性的真实坐标点，通过所做的像控点，可以对后期无人机航测出的坐标点进行矫正，从而完成无人机的测量。内业处理采用像控点处理，前半部分图像导入及相机参数设置流程一致。从输出坐标系开始操作开始有区别，操作过程如下。5.3.1

像控点布设与测量5.3

准备阶段1像控点需选择较为尖锐的标志物，以提高内业精度，常见像控点。2像控点标志物尺寸应大于70cm,并明确指出具体点位是标志物的哪一部分。3若工作人员选择地物特征点作为像控点，应选择较大地物，且提供现场照片2-4张，辅助内业人员寻找像控点5.3.1

像控点布设与测量1、合格的像控点示例像控点就是摄影测量的标志，控制点，做像控点需要分布均匀，平整一些，高差不能太大，选点需要考虑是否会被遮挡。5.3

准备阶段5.3.1

像控点布设与测量常用的像控点形状选用地物特征点作为像控点5.3

准备阶段喷涂式像控点：喷涂式像控点保存时间长，位置固定，可飞后再采集坐标，更灵活。缺点是耗时较长。涂漆式像控点：涂漆式像控点会产生较大的气味，但一罐漆能做很多个点，做的像控也比较容易做直，但不环保。2.喷涂方式像控点应选择能够持久存在的东西，如喷漆(喷绘宽度不得低于30cm),胶布等。像控点有标靶式像控点和油漆式像控点，油漆式像控点分为喷漆式和涂漆式。像控点标志物应与地表颜色形成鲜明对比。标靶像控点：标靶像控点为打印印刷的像控，不需要喷涂，直接放在测区内，航测飞机后可就地回收，比较低碳环保。缺点是容易被移动，需当场采集坐标，且不适合测区较大的项目。5.3.1

像控点布设与测量5.3

准备阶段3.位置选择像控点尽量选择平坦地区，避免树下，屋角等容易被遮挡的地方。视野：视野空旷的，四周无遮挡或者较少遮挡，避开有阴影的区域。坡度：尽量少在坡度较大的地方做点，因内业刺点时会有些许无法避免的偏差。预计被破坏程度：在工地或者其它扬尘比较大的地方，以及他人居所门口，像控容易被覆盖，被破坏。重叠度：通常在5、6片重叠范围内，距离相片边缘要大于150像素，距离相片上的各种标识应该大于1mm。同时，像控点要在旁向重叠度的中线附近，如果旁向重叠度过小，则需要分别布点，但控制区域所裂开的垂直距离要＜2cm。位置：包括测区边界的所有拐点，测区内根据比例尺几分辨率要求在测区内均匀布设。5.3.1

像控点布设与测量5.3

准备阶段4.采集方式测区内的像控不必密集，但要求均匀分布。采集方式尽量采用三脚架以保证采集精度，但耗时。布设像控点的人员应提供像控点实际分布情况。5.3.1

像控点布设与测量像控点测量5.3

准备阶段按照地物识别分辨率为影像分辨率的V2倍，因此在布设人工靶标时其宽度应当至少15cm以上。本项目按照POS辅助航摄区域网布点方案(参照《CH/Z3004-2010低空数字航空摄影测量外业规范》)，即平面控制点采用角点布设法，并根据需要加布高程控制点，控制点平均间距约为1公里例本项目像控点分布图5.3.1

像控点布设与测量5.3

准备阶段4、起降场地周围表面无明显突起，树桩和小水塘，尤其是不能有轻质量的杂物，比如塑料袋等。5、附近没有正在使用的雷达站、微波中继、无线通信等干扰源。使用无人机进行测绘飞行时，起降场地的选择其实是非常重要的一个环节，无人机的炸机事故，绝大多数都是发生在起飞和降落阶段，起降场地的的选择是安全飞行的第一步，另外在进行飞行任务时，对于应急备用起降场地的选择很容易被忽视。一、起降场地的选择应遵循以下原

则。1、距离军用机场和商用机场10KM以上。2、起降场地平坦，视线良好。3、远离人口密集区，如广场、集会等地点，200米飞行半径范围内不能有高压线，高大建筑物和重要设施。5.3.2

正确选择起降场起降场地5.3

准备阶段2二、选择备用起降场飞行过程中，需要设定合适的备用起降场，以避免当出现一些特情时，能够将飞机就近降落，避免重大损失。选择备用起降场的原则如下：1、场地尽量符合前述起降的要求。2、远离密集人群、住宅区域。3、尽量在测区内选择多处能够满足迫降的区域。5.3.2

正确选择起降场目录5.1无人机航测任务简介 5.2航测无人机的特点 5.3准备阶段 5.3.1像控点布设与测量 5.3.2正确选择起降场 5.4航测任务规划 5.4.1无人机航拍测绘流程 5.4.2航测无人机和挂载 5.4.3模型精度、分辨率、比例尺5.4.4航高设计 5.4.5航线设计 5.4.6提高数据质量的方法 5.4

航测任务规划测绘无人机小组航拍小组配备2-3人即可，航拍任务结束后对数据进行快速检查，检查合格后即可带回进行后续的数据处理工作。完整的航拍测绘流程。5.4.1

无人机航拍测绘流程无人机测绘流程图5.4

航测任务规划5.4.2

航测无人机和挂载航摄采用无人机垂直起降无人机。其包含单镜头航测模块（1X4240万像素，焦距35mm,像素大小4.53um)和五镜头倾斜模块(4x2400万像素，焦距35mm,像素大小3.92um)本项目使用的测绘无人机航测任务挂载5.4

航测任务规划一、比例尺概念：比例尺是表示图上一条线段的长度与地面相应线段的实际长度之比。公式：比例尺=地图距离/实际距离表示方法：数值比例尺、图示比例尺和文字比例尺三、地面分辨率概念：地面分辨率是以一个像素(pixel)代表的地面尺寸(米)。公式：地面分辨率=实际距离/像素；单位：米/像素二、影像分辨率概念：影像分辨率是指地面分辨率在不同比例尺的具体影像上的反映公式：影像分辨率=地图距离/像素5.4.3

模型精度、分辨率、比例尺5.4

航测任务规划四、模型精度倾斜摄影的模型精度一般是照片分辨率的三倍，就是根据照片生成的正射影像的地面分辨率的三倍。公式：倾斜摄影模型精度=同工程正射分辨率的三倍无、比例尺/地面分辨率和模型精度的换算关系5.4.3

模型精度、分辨率、比例尺5.4

航测任务规划根据以上概念，将比例尺、地面分辨率和模型精度的换算关系做以下简单梳理：①1:500的比例尺，对应的地面分辨率是指地图上1m对应地表500m②1米=39.370079英寸③按照正常的图像72dpi来算，一英寸包含72像素，那么1米包含39.370079*72=2834.645688像素④得到对应关系为2834.645688对应地图上500m，分辨率为：500/2834.645688=0.1763888877247222⑤1:500的比例尺对应的地面分辨率接近0.18米那航拍精度模型也就要求0.18米，对应的航拍分辨率就是0.06米，也就是说航拍建模的时候拍摄照片的精度要达到6cm以上。5.4.3

模型精度、分辨率、比例尺5.4

航测任务规划航高设计根据本项目的要求，要求影像分辨率优于0.12m,根据公式H＝*GSD＝*0.12≈927m即相对航高按照927m设计。由于实际航飞区域面积大，需要进行分块航飞。在分块航飞时需考虑地形变化情况及重叠区域有公共的像控点，使得同一分区内部高差尽量小，且在满足重叠率的条件下需要最低点满足高差在927m以内。5.4.4

航高设计5.4

航测任务规划一、设计航飞技术方案如何通过设计合理的无人机航飞实施方案来提高项目成果质量是一个很关键的问题。设计航飞方案前应先明确遵循以下航飞技术方案设计依据：1、明确项目基本要求

项目的实施内容严格依据业主方提供的技术要求进行设计、组织，内容包括：航空摄影、像控测量、DOM生产、倾斜摄影模型生产，并最终提交符合规范和技术要求的数据成果。2、明确工期要求

前期方案、手续完成日期要求；航摄开工、完工日期要求；数据成果提交日期要求。3、明确技术方案的数学基础坐标系统、高程基准。4、明确成果格式要求

原始航拍影像格式、pos数据文件、像控点点之记等；倾斜三维模型分辨率、平面精度、成果格式等。

5.4.5

航线设计

5.4

航测任务规划5、明确方案设计中的引用标准及作业依据，参考如下：

（1）《数字航空摄影测量空中三角测量规范》（GB/T23236-2009）

（2）《低空数字航空摄影规范》（CH/Z3005-2010）

（3）《数字航空摄影测量控制测量规范》（CH/T3006-2011）

（4）《全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范》（CH/T2009-2010）

（5）《IMU/GPS辅助航空摄影技术规范》（GB/T27919-2011）

（6）《1:500、1:1000、1:2000地形图航空摄影测量内业规范》（GB/T7930-2008）

（7）《1:500、1:1000、1:2000地形图航空摄影测量外业规范》（GB/T7931-2008）

（8）《城市三维建模技术规范》（CJJ/T157-2010）

（9）《三维地理信息模型数据产品规范》（CH/T9015-2012）

（10）《三维地理信息模型生产规范》（CH/T9016-2012）

（11）《三维地理信息模型数据库规范》（CH/T9017-2012）

（12）《数字测绘成果质量检查与验收》（GB/T18316-2008）

（13）《测绘技术设计规定》（CH/T1004-2005）55.4.5

航线设计

5.4

航测任务规划二、无人机飞行方案设计要点在制定无人机飞行方案时，需关注以下几个要点：1.在便于施测像片控制点及不影响内业正常加密时，旁向覆盖超出摄区边界线不少于像幅的15%，航向覆盖超出摄区边界线至少一条基线，可视为合格。

2.

航向、旁向重叠度数据均优于70%，影像像点位移最大不超过1.5个像素，旋偏角一般不大于15度，在像片航向和旁向重叠度符合要求的前提下，最大不超过25度。

3.

在一条航线上达到或接近最大旋偏角限差的像片数不得连续超过三片；在一个摄区内出现最大旋偏角的像片数不得超过摄区像片总数的4％。

4.

检查飞机起飞前和降落后IMU、GPS的工作时间，要求要至少达到10分钟以上。5.4.5

航线设计

5.4

航测任务规划5.

进入摄区航线时为了避免IMU误差积累，宜采用左转弯和右转弯交替方式飞行，且每次的直飞时间不宜大于30分钟，在20分钟内为佳。6.飞行过程中飞机的上升、下降速率一般不能大于10m/s，飞行过程中的转弯坡度不宜超过20°，以免造成卫星信号失锁。7.

测区边界覆盖：旁向覆盖超出测区边界线不少于400米。为便于施测影像控制点及内业正常加密，旁向覆盖不少于像幅的15%。8.个别情况下，允许影像旋偏角大于15°但不超过25°，保证航向旁向重叠度正常。5.4.5

航线设计

5.4

航测任务规划三、落差区域无人机航测航线的规划要点规范要求：根据《CH/Z_3005-2010低空数字航空摄影规范》，测图比例尺与地面分辨率的选择关系理想情况下，飞机和摄影基准面是保持一定相对高度的，维持某特定高度即可获取一定分辨率的图。而实际上，被摄地表往往是略有起伏的，会导致分辨率降低。5.4.5

航线设计

5.4

航测任务规划以常见的35mm镜头为例，理想情况如左边的飞机，在航测过程中与摄影基准面保持在390米相对高度，即可得到分辨率为5cm/pix的图。而实际情况可能由于相对高度的抬升导致实际只能得到分辨率为5.8cm/pix的成果。随着地形高差越大，其分辨率差别也就越大。5.4.5

航线设计

5.4

航测任务规划低落差区域的解决办法面对较低落差区域——百米级别的落差，其理论分辨率与实际分辨率不一致的问题，一般较为常见的方法有以下两种。（1）降低实际飞行高度

（2）更换长焦距相机25.4.5

航线设计

测图比例尺与地面分辨率的经验值5.4

航测任务规划3、大落差区域解决办法较为头疼的是城市某些几百米的高楼、断崖、山峰、山谷等大落差的区域，不能笼统地规划统一航高去采集数据。这种情况已经无法用降低飞行高度和更换长焦相机的方法来解决了，往往会用到下面两种方法。（1）分层飞行在实际操作中，基于效率和成本的考虑，无人机一般按照1/4或1/3航高规划，既能节约一定架次成本，又能满足国内测绘市场制图需求。5.4.5

航线设计

绿色区域为该航高下可拍摄的区域5.4

航测任务规划仿地飞行是按照测区地物的起伏特点规划航线，使无人机相对地面的距离始终保持在一个固定范围内，从而保证获取航片分辨率的一致性.需要注意的是：仿地飞行需要导入数字高程模型，设置航点，事先需要先飞行一次。此外，仿地飞行无法对高压线等高层危险物做出很好的规避，在实际作业中，的确有客户因为没有设计好航线造成无人机挂高压线或者撞基站的情况发生。（2）5.4.5

航线设计

规划的仿地飞行航向5.4

航测任务规划四、航线规划时还需要注意这些1、复杂地形的航线设计注意事项遇到困难的地形地貌时，需要飞行航线有较高的重叠率，设计此类航线需要注意：①地面重叠率为：航向重叠率85％，旁向重叠率75％；②如果进行匹配的模型少于95％的完整性2、带状地物航线设计的航线设计注意事项①在为带状测区设计航线时，需要设计成双轨迹航带，在条件允许的情况下，航带越多成果越可靠。②设计带状航线时，控制点不是必须的，但有控制点还是有助于提高模型的位置精度以及完整性。③在设计带状测区的航线时，是不建议设计成单轨迹的航线，这有可能导致模型的扭曲与不完整。④如果条件所限，只能设计为单轨道航线时，控制点是必须要的，有了控制点才有可能避免在模型出现扭曲变形的情况。⑤带状测区需要高重叠率：最好85％的航向重叠和70％的旁向重叠率。5.4.5

航线设计

5.4

航测任务规划多区域航线设计注意事项对于多区域航线而言，在进行航线设计时需要注意几点：①为了构建一个好的模型，设计航线时需要两条航线间设计足够的重叠，两条航线之间最小的重叠率取决于地形地貌条件，理想地形地貌条件下为75％、50％，复杂地形地貌条件下为85％、70％；②两块区域之间至少要有两条航线重合；③在多区域航线设计时尽量减少航线内的环境变化35.4.5

航线设计

5.4

航测任务规划五、最终确定航线测区的航摄飞行设计从保证产品质量、高效、经济的原则出发，综合考虑仪器设备的性能、地形、地势、高差、摄区形状、航高、航向重叠度、旁向重叠度等一系列要素，采用地面站进行航线设计。5.4.5

航线设计

5.4

航测任务规划一、影像无人机测绘精度的因素像控点目标选取相机质量飞行控制技术二、提高无人机航测精度的解决方案1、提高像控点精度2、设置合适的拍摄参数（1）航测任务开始前需先对测区地面进行测光（2）提高相机畸变参数精度（3）调整拍摄参数（4）更优参数的相机5.4.6提高数据质量的方法5.4

航测任务规划（5）穿越航线（6）小十字（1）拍摄天气选择（2）飞行高度控制（3）重叠率的影响（4）坐标纠正合理飞行3、进行合理飞行提升数据质量5.4.6提高数据质量的方法5.4

航测任务规划4拍摄后检查（1）数据异常卫星信号不好造成的POS数据有某些异常，根据POS精度判断数据有效性，对于无效数据的航线或架次将进行补飞。（2）补飞对于产生数据漏洞的航线要进行补飞，补飞航线两端均要相应延长一部分。（3）拍摄好的影像，不要进行任何的编辑。（4）CC建模软件不支持拼接的全景图作为原始数据。5.4.6提高数据质量的方法目录5.5无人机航测外业操作流程5.6数据处理 5.6.1PPK数据解算 5.6.2PPK辅助下的无人机影像空三处理 5.6.3无人机影像空三加密 5.6.4数字正射影像图DOM和数字高程模型DSM生成5.6.5精度评价 5.7突发情况处理 5.7.1失速 5.7.2失控 5.5无人机航测外业操作流程1、测量场地确定2、飞行准备4、赶赴航测地点5、地面像控点布设与数据采集6、记录当天作业日志7、架设弹射架8、建立无线电台和地面站9、起飞前通讯设备与地面设备检查10、上传并检查航线任务，检查相机。11、检查设备电量12、检查飞机各个部件，并放置在起飞位置13、起飞前飞机姿态角度调整14、地面手动测试5.4.5

航线设计

15、起飞前机体及环境检查16、无人机起飞17、飞机工作状态监测，18、无人机降落19、数据导出检查20、设备整理目录5.5无人机航测外业操作流程5.6数据处理 5.6.1PPK数据解算 5.6.2PPK辅助下的无人机影像空三处理 5.6.3无人机影像空三加密 5.6.4数字正射影像图DOM和数字高程模型DSM生成5.6.5精度评价 5.7突发情况处理 5.7.1失速 5.7.2失控 5.6

数据处理采用UAV-PPK进行对POS数据的预处理，获取PPK解算后的高精度POS。5.6.1PPK数据解算 5.6

数据处理01重叠度、倾斜角对定位精度的影响02相机模型对定位精度的影响03外方位线元素精度对定位精度影响04外方位线元素的权值对定位精度的影响5.6.2PPK辅助下的无人机影像空三处理5.6

数据处理通过Pix4Dmapper完成空三加密、密集匹配和正射影像制作，通过ArcGIS10.2执行模型优化和格式转换，并通过EPS和AutoCAD完成立体测图的地物采集和编图。5.6.3无人机