【《轻小型无人机在大比例尺测图中的应用研究》5900字】

轻小型无人机在大比例尺测图中的应用研究目录TOC\o"1-3"\h\u30049摘要 2310011引言 2551.1选题背景 2321291.2选题目的和意义 2126421.3国内外研究现状 3100951.3.1无人机技术的研究现状 344611.3.2大比例尺数字测图的研究现状 3111252无人机航摄系统技术简介 4245812.1无人机航摄系统的构成 4231192.2无人机影像数据的获取流程 49472.3航高设计 5241143工程实例 5113593.1项目概况 5173543.2测区无人机航飞情况 6263383.3像控测量 6133103.4空中三角测量 746593.5内业成图 9114983.6精度对比 9273794总结与讨论 11152924.1设计总结 11185334.2讨论 111614参考文献 11摘要：针对传统测量手段野外测图耗时长、工作量大、地表信息采集不完整等问题，本文采取轻小型无人机摄影测量技术研究其在大比例尺测图中的应用，解决了传统方法效率低、费用高等难题。以实际项目为例介绍了精灵Phantom4轻小型多旋翼无人机测量技术在舒城县某村庄中的应用过程，通过对测区航飞方案设计、外业数据采集以及空三加密和线划图采集的内业数据处理得出测区的地形图，并对采集的地形图与GNSS实测检查点进行精度分析。实验证明，该方法可达到相应国家规范的测图精度要求，且成本低、快速高效，为利用无人机摄影测量技术应用在大比例尺地形图测量中提供了有价值的参考。关键词：轻小型无人机；空三加密；大比例尺地形图；精度分析1引言1.1选题背景随着我国社会经济的迅猛发展，各个领域信息化建设高速发展，地理数据的获取进程也明显得到加快。因此就需要建立定期更新的数据库，实时、快速的获取地理数据，同时，制作各种用途的地理信息专题图。与测绘相关的行业对高分辨率遥感影像的需求与日俱增，逐渐迫切，对影像的有效性和实时性的要求也逐步递增。传统的地形图获取方式主要有经纬仪测图、全站仪测图、GPS-RTK测图等，其工作任务重、效率低、成本花销大、工作强度高而且无法对某些地区比如山地丘陵地区、沙漠丛林地区、地质灾害高发地区等区域进行大面积测量，外业工作人员的工作量繁重而且工作环境十分艰苦，容易发生人身事故。随着科学的快速发展，更为简便实用的航天遥感测量应运而生。然而，遥感卫星平台运行周期太长，不能保证实时进行地面观察，时效性太差。同时，它容易受到雨和云层的影响，并且在恶劣天气下不能飞行。数据采集成本很高、效率低、运行周期长和获取的影像分辨率低等，限制了其在测绘领域的发展到的程度。近年来，随着无人机技术的快速发展和传感器的不断改良，无人机航测手段在小区域大比例尺测图方向得到越来越多的应用。无人机航摄遥感测量具有低成本、高时效、高分辨率、低风险和低损耗等优势。1.2选题目的和意义根据任务的具体要求，无人机航测系统可以获得不同分辨率的图像。可以从处理的图像中获得不同类型的地理信息数字产品。无人机航测系统凭借其卓越的性能和独特的优势，逐渐得到了测绘领域的认可。已广泛应用于农业监测，电力维护，水利勘探，突发性地质灾害的运输和应急保护。然而，无人机航测系统也存在一定的缺陷和不足。例如，目前在测绘领域中使用的无人机航空摄影系统生成的影像具有图像畸变大、像幅过小的缺点，在某种程度上影响了生成图像数据的准确性。由于无人机的自身重量过轻，容易受到气流的影响，飞行姿态会变得不稳定，像片的航向重叠与旁向重叠超差，会影响成图精度。本文以项目工程为例，简要详细阐述了外业工作包括航空摄影测量方法、像控点布设等与内业工作包括生成数字正射影像（DOM）、数字线划图（DLG）及成果精度评定等工作的流程，对实际生产数字地理产品具有一定的指导意义。1.3国内外研究现状1.3.1无人机技术的研究现状第一架无人机诞生于1917年美国纽约。1993年以后，中高海拔的军用高空无人机迅速发展起来，以美国“蒂尔”无人机发展计划为代表，并在波斯尼亚和黑塞哥维那的战争中展示了他们的力量。20世纪末，随着无人机自主飞行控制技术的发展，惯性导航系统的发展，任务负载设备的发展，续航能力的提高，无人机技术大规模进入应用时代。许多外国专家学者对无人机遥感系统进行了广泛的研究，并在许多领域开展了一些应用研究[1-3]。澳大利亚将合成控雷达技术搭载在“全球鹰”平台上，然后对海洋进行监测，并在这方面产生了具大突破[4]。2003年，NASA开始专注于商用高分辨率无人机的研究。在2011年墨西哥湾钻井平台爆炸后，由艾伦实验室研发的的无人机不仅对现场进行了数据收集，并在灾害处理方面发挥了重要作用。2018年以色列公布了AIRWULE救援无人机，较小的体积和极快的反应速度能方便的在任何场景下进行救援。国内无人机技术起步较晚，但近年来发展迅速：20世纪80年代，中国使用基于军事模型的无人机测试地图制作和地质勘探。2010年，刘先林带领团队成功研制出第一台倾斜式摄像机SWDC-5，并应用于长春市倾斜摄影项目，得到了良好效果。2014年，刘丰对无人机大比例尺测图进行研究，证明了无人机可以完成1:2000比例尺的地形图测绘[5]。由深圳市大疆创新科技公司研发的无人机在行业中起到了领头羊的作用，旗下研发的“大疆精灵”系列产品，在国内外得到了一致好评。1.3.2大比例尺数字测图的研究现状大比例尺数字测图技术是在电子测速仪出现之后的上世纪70年代开始得到发展。20世纪80年代初，随着电子全站仪的快速发展，数字测图的研究有了很大的进步，应用也变得更加广泛。与此同时，众多熟知的国内外常见全站仪品牌如：徕卡、天宝、尼康、拓普康和宾得等均在这一时间段被开发研制。曾建华[6]与刘慎东[7]提出了一种在大比例尺制图中使用RTK技术的方法，分析了该方法的优势，这种应用不仅加快了大比例尺测图的发展，而且提高了测量的准确性和精度。数字化测图技术在中国的应用已逐渐成熟。目前，大多数测绘行业单位也形成了数字制图的生产模式，新技术的广泛应用以及计算机技术和测量仪器的不断发展。诸如无人驾驶飞机、无人驾驶飞艇、测量车辆和3D激光扫描仪等更复杂的测绘仪器也已投入实际使用。与此同时，各种测绘软件的出现促进数字化制图技术更快的发展。在使用传统的大比例尺测图方式时，会形成测量难度大、调查周期长、项目完工时间长的局面。RTK测量方法效率低，成本高;传统航空测绘技术虽然运作模式成熟且应用广泛，但受天气和机场条件、强依赖性、高飞行成本和长内部处理周期的限制。虽然这些操作方法已广泛用于生产中，但它们各有优缺点，新兴的低空航空摄影测量技术在紧急、快速、安全、低成本等方面已取得巨大优势，在某些领域中将逐渐取代这些传统测绘方式。2无人机航摄系统技术简介无人机航摄系统是以无人机为平台，搭载各种传感器设备（数码相机），对作业区进行航飞从而获取影像数据和相应的POS数据，通过对数据进行内业处理进而制作出符合规范精度要求的地形图、DOM、DSM及相关专题图等地理信息产品。无人机低空航摄技术是对卫星遥感和大飞机航空摄影等传统摄影系统的一种补充和发展。无人机航测系统避免了云层及天气因素的干扰，可以快速实时的进行测量。与传统的测量方法相比，无人机航测系统具有以下优点[8]：（1）机动能力强，响应快速无人机便于运输，车载系统可以快速到达指定的目标区域。几乎不依赖于天气，起飞和着陆受地形条件的影响较小。不需要特殊的机场支持，可以通过诸如草地、空地和道路等地面或弹射器等各种方式快速发射。（2）成本低，损耗少，安全性高无人机体积小，易于保养和维护，零件的损耗少。由于其自动化程度高，操作简便，易于培训，操作人员的培训时间相对较短。由于其灵活的起飞和着陆，无需租用起飞和停放场地，也不需要机场起飞或降落。飞行导航控制系统确保无人机可以根据指定路线飞行，并且图像数据可以通过数据链路实时或近实时地传输到地面控制终端。因此，即使无人机损坏，也可以确保并且可以测量人员的安全和数据安全。（3）分辨率高在使用无人机航测系统进行测量时，无人机通常使用的是低空飞行模式，可以近距离拍摄目标区域，获得较高分辨率的图像，之后可以制作出高精度DEM、高分辨率DOM、大比例尺DLG等数字地理信息产品。2.1无人机航摄系统的构成无人机航摄系统一般由无人驾驶飞行平台、任务设备及其控制系统、数据传输系统、发射和回收系统以及地面监控系统等组成[9-11]。无人机种类繁多、样式各异，主要以多旋翼无人机、固定翼无人机和无人飞艇[12]等类型为主。无人机航摄系统以无人机作为平台，配备数码相机等传感器设备，利用通信技术、GPS定位技术和远程控制技术等，从而可以快速、智能、自动地获取空间地理信息，然后继续完成外业数据处理、建立模型、图像矫正、精度分析和分析应用等操作。2.2无人机影像数据的获取流程无人机航空摄影测量作业流程如图1。图1无人机航空摄影测量作业流程图2.3航高设计据所需的成图比例尺，并参考测图比例尺和地图分辨率值对照表1，确定航拍图像的地面分辨率。根据公式（1）计算航高。H=f×式中:H为摄影航高，单位：m；f为物镜镜头焦距，单位：mm；GSD为航摄影像地面分辨率，单位：m；a为像元尺寸单位：um。表1测图比例尺与地图分辨率值的对照表测图比例尺地面分辨率/cm1:5005≤1:10008~101:200015~203工程实例3.1项目概况实验区位于安徽省六安市舒城县，如图2。大别山东北麓、江淮之间，东邻庐江，西连岳西、霍山，南界桐城、潜山，北毗金安、肥西。介于东经116°26'—117°15'、北纬31°01'—31°34'之间，舒城县域东西长86千米、南北宽49.5千米。舒城县地势由西南向东北倾斜，最高点万佛山海拔1539米，最低处杭埠镇胜合村民组海拔6.8米。西南山区峰峦秀丽，中部丘陵起伏，东北为冲积平原。项目主要目标是测量舒城县某村庄并制作1:2000大比例尺地形图。该无人机航空测量系统搭载的相机可以获取2000万像素照片。图2舒城县地图3.2测区无人机航飞情况本次任务采用大疆精灵4一体机，该无人机续航时间30min，最大速度为16m/s。本次研究设置的航向重叠度80%，旁向重叠度70%，航摄高度考虑到飞行相机参数与比例尺精度要求，并且本测区地势平坦，采用飞行高度为150m，共采集142张航摄影像。3.3像控测量本次任务飞行航线7测区内共布设9个像控点。像控点观测:本次测量采用CORS对测区进行像控测量，像控点整饰:按照规范要求，对测量的控制点制作了点之记表2包括拍摄了RTK观测时的近景、远景照片。表2点之记点号C008刺点者检查者日期2020.3.13概略坐标X/mY/mH/m***807.1669***1660.5547.45383333概略点位图（片号：DJI_0335）点位略图点位详细图实地照片（远）实地照片（近）备注点位刺在红顶房东北角，杆顶。3.4空中三角测量本次实验中空中三角测量使用的是Pxi4DMapper无人航摄处理软件。航空测量原始数据包括飞机的位置和高度等POS数据、图像数据和实测像控点数据。通过对原始数据分析，统计POS数据共计144行，其中有6行数据的经纬度没有太大变化，只有高度变化，判定为无人机起飞时拍摄，没有设计意义，都加入到软件中会影响生成数字表面模型的精度，故舍弃高度较低的5张。因此，两架次的有效航拍POS数139行。在Pxi4DMapper软件中依次进行设置坐标系、导入pos数据、加入控制点刺出像控点等步骤，在处理结果的报告中表示139张照片都被校准，所有照片都被激活。软件生成密集点云、数字表面模型（DSM）图3和数字正射影像（DOM）图4。图3数字表面模型（DSM）图4数字正射影像图（DOM）3.5内业成图PIX4DMAPPER软件没有编辑划线图的功能，在CASS中加载DSM和DOM进行像点匹配，之后完成画图编辑。DOM一般会出现影像数据过大的情况，则将DOM在Arcgis中进行分割。此次项目的DOM数据数量较小，所以并没有使用Arcgis软件进行分割，直接使用Cass处理。最后利用Arcgis对DOM和DSM进行高程提取加载到CASS中绘制成一幅地形图。图5CASS处理界面3.6精度对比针对本项目，对划线图面进行检测与评定。将像控点与数字线划图的相应的坐标点分别进行精度对比。通过平面检查点和高程检查点与CASS软件成图精度对比（表3、表4）。表3测区平面检查点精度比较/m点号ΔXΔYΔXYpm1-0.123-0.1410.187109594pm20.1240.1560.199278699pm30.1230.1470.191671594pm50.089-0.0950.130176803pm60.1290.1420.191846293pm7-0.1620.1170.19983243pm9-0.144-0.0790.164246766pm100.1340.0840.158151826pm110.119-0.1240.171863318pm13-0.128-0.1460.194164878pm14-0.1290.1420.191846293pm150.1280.1330.184588732pm160.1470.1160.187256509pm17-0.1560.1210.197425935pm18-0.1490.1340.200392116pm190.127-0.1440.192002604pm200.1230.1320.180424499pm210.1280.1430.191919254pm220.068-0.1110.130172962中误差0.183530842表4测区高程检查点精度比较/m点号实测高程量测高程高程误差gc229.15729.3550.198gc329.30529.5510.246gc427.38627.6730.287gc528.01927.771-0.248gc729.57529.407-0.168gc828.90929.1670.258gc929.02829.2770.249gc1027.03627.3040.268gc1128.49428.6620.168gc1225.84926.0730.224gc1327.36627.207-0.159gc1426.18025.935-0.245gc1526.06225.876-0.186gc1626.56026.8080.248gc1727.64727.8760.229gc1828.14628.3430.197gc1929.19429.4500.256中误差0.225845943计算出平面中误差为0.184m,高程中误差为0.226m，满足规范要求。通过以上的数据统计与分析得出DOM成图法(PIX4D与CASS)能够满足1:2000大比例尺地形图测绘所要求的精度需求。4总结与讨论4.1设计总结近年来，随着高新技术的不断进步，无人机在测绘方向的发展也越来越快，尤其在小区域的大比例尺测图等方面得到广泛的应用。本文从测绘无人机的发展历程开始，之后介绍了无人机航测系统的组成及相关理论依据，并以都县某村庄1：2000大比例尺地形图测图项目作为工程实例，系统阐述了航空摄影和像控测量的流程、DOM和DLG的制作与精度评定等过程。主要结论如下：（1）随着测绘技术的不断发展和进步，无人机作为传统测绘的补充，有着成本低、时效高、分辨率高等优点，本次利用无人机进行1:2000地形图测量效率快，大大节约了外业测量时。（2）通过工程项目实例，系统讨论了无人机航摄系统在大比例尺测图中的应用，对外业航飞、像控，以及内业数据处理过程进行了技术设计，得到了DLG和DOM成果，并利用已有控制点对DLG数据进行检核，其最大误差为0.375m，能够满足1：2000大比例尺测图的精度需求，可以用于实际生产。无人机测图的实际测图精度能够满足生产需求，与传统的测绘方法相比，有着分辨率高、效率高和损耗少等优点，在大比例尺测图方面无人机有着广阔的发展前景。4.2讨论虽然本文取得了一些成果，但是本次课题设计还是存在一些不足和缺点，需要在以下几点做出进一步的研究和分析：本次使用的是大疆精灵4航测无人机，由于电池容量问题，无人机的续航时间短，导致在测量过程中进行两个架次的飞行，浪费了时间，因此提高小型无人机续航能力才能提高无人机大比例尺测图效率；虽然在本次的工程项目中，无人机航测系统的测图精度可以达到1:2000大比例尺测图精度的要求，但是针对树木茂密地区还是存在