多旋翼無人機在工程方量測繪中的應(yīng)用
作者：dlcms 瀏覽量：1457 次 發(fā)布時間：2019-12-09 05:19:15
1 引言
目前，對于高分辨率空間數(shù)據(jù)的獲取的渠道仍然局限于遙感衛(wèi)星影像、大飛機航拍等，造成數(shù)據(jù)重復采集，數(shù)據(jù)處理工作復雜，分辨率低，時效性和靈活性也遠不能滿足實際需求。無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，是一種有動力、可控制、能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復使用的無人駕駛航空平臺。無人機遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動化、智能化、專業(yè)化的特點，具有快速獲取國土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進行實時處理、建模和分析的先進新興航空遙感技術(shù)解決方案[1]。
相對于載人飛機和固定翼無人機航空攝影測量而言，多旋翼無人機更加機動靈活，具有飛行可靠性高、安全性高、效率高、起飛和著陸場地要求低、操作簡便、影像分辨率更高等特點，在天氣晴朗、風力較小(5級以下)的情況下，可獲得精度更高的航攝數(shù)據(jù)，是小范圍航空攝影的發(fā)展重要趨勢。
2 多旋翼無人機測繪原理
2.1飛控平臺
多旋翼無人機作為一種微型飛行器，在飛行過程中不僅易受由身物理特性(空氣動力特性、重力特性、陀螺效應(yīng)和旋翼慣量矩等)限制的影響，還很容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾。因此，飛行控制技術(shù)對保證無人機穩(wěn)定性、安全性至關(guān)重要。多旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)包括三大部分：姿態(tài)控制、位置控制和高度控制。姿態(tài)控制通過由陀螺儀、加速度計、磁強計輸出的角速度、加速度、磁強信息融合得到的姿態(tài)估計而獲取反饋信息，并對反饋信息進行計算輸出三個姿態(tài)控制參量，這三個控制參量與最終的轉(zhuǎn)速分配，直接影響著電機轉(zhuǎn)數(shù)，進而完成無人機位置、姿態(tài)和速度的控制，通過GPS與光流傳感器獲取位置信息、速度信息，進而實現(xiàn)無人機的位置控制。高度控制包括對無人機高度和爬升速度的控制，其通過GPS、超聲測距傳感器、加速度計、氣壓計數(shù)據(jù)進行融合得到的數(shù)據(jù)獲取高度反饋信息，通過高度反饋信息計算相應(yīng)的控制參量，將其輸入到轉(zhuǎn)速分配中，通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對高度的控制[2]。
2.2影像采集及處理
無人機影像采集根據(jù)任務(wù)的要求對測區(qū)進行航線規(guī)劃(起降位置、飛行航線、重疊度、相機角度)，在航線規(guī)劃系統(tǒng)中將規(guī)劃好的航線上傳至遙感空中控制子系統(tǒng)。無人機地面控制子系統(tǒng)按照規(guī)劃的航線控制無人機的飛行，遙感空中控制子系統(tǒng)則按照預(yù)設(shè)的航線和拍攝方式控制照相進行拍攝。照相機將拍攝的影像及POS數(shù)據(jù)將自動寫入到飛機存儲器中[3]。
3 Virtual Surveyor軟件體積計算原理及方法
Virtual Surveyor軟件(簡稱VS軟件)是通過將數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)和數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)合并成一個三維立體模型并創(chuàng)建一個虛擬的環(huán)境來處理大量的無人機航攝數(shù)據(jù)，利用模型信息融合生成綜合模型的方法，自動化完整的展現(xiàn)出無人機成果所包含的全部信息，基于無人機處理后的真實數(shù)據(jù)，使信息可視化、可操作化，借助軟件進一步的提取，可以得到更快捷的有效信息，完善和補充了地理空間信息生產(chǎn)。
利用VS軟件中的“體積計算”功能，將計算區(qū)域兩次測得的模型結(jié)果偏移至同一標高，進行兩次挖方計算，然后求差比較兩次挖方的差值，即為兩期間土方量的計算結(jié)果。
4 多旋翼無人機土方量測量外業(yè)案例
利用拓普康獵鷹8號八旋翼無人機對山西汾西正暉煤業(yè)有限公司昌元煤礦2號排土場間隔兩個月的排土量進行量測。
4.1 拓普康獵鷹8號八旋翼無人機航攝系統(tǒng)構(gòu)成及特點
八旋翼無人機專為檢測和測繪應(yīng)用而設(shè)計，采用頂級的傳感器、自主減震、自動補償相機支架等部件，搭載一架高清晰的RGB相機(索尼Alpha7R),適合需要采用高分辨率影像的小范圍測量、測圖、建模、繪圖和檢測項目。
表4.1 拓普康獵鷹8號八旋翼無人機主要技術(shù)參數(shù)
4.2確定作業(yè)區(qū)域坐標
圖4.1 2017年9月30日2號排土場
圖4.2 2017年11月30日2號排土場
4.3布設(shè)并測量外業(yè)像控點
像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎(chǔ)，其布設(shè)的精度和數(shù)量直接影響到航測數(shù)據(jù)后處理的精度，所以像控點的布設(shè)和選擇應(yīng)當規(guī)范、精確：
①選擇像控點時，應(yīng)選擇地形測量通視良好且可以明確辨認的地物點和目標點。
②布設(shè)的標志應(yīng)對空視角好，避免被建筑物、樹木等遮擋。
③黑白反差不大，地物有陰影以及某些弧形地物不應(yīng)作為控制點點位目標。
本次飛行區(qū)域內(nèi)共布設(shè)6個像控點和4個檢核點，并采用西安80坐標系和1985國家高程基準對其進行測量。
4.4規(guī)劃飛行航線
飛行航線規(guī)劃的主要目標是依據(jù)地形信息和執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境條件信息，綜合考慮無人機的性能、到達時間、耗能、威脅以及飛行區(qū)域等約束條件，利用AscTec Navigator軟件規(guī)劃出一條或多條自出發(fā)點到目標點的最優(yōu)或次優(yōu)航線，保證無人機高效、快速地完成飛行任務(wù)。
圖4.1 AscTec Navigator軟件航線規(guī)劃
本區(qū)域長350米，寬240米，兩次飛行共十條往返航線，飛行高度80米，航向重疊75%，旁向重疊60%，地面采樣間距11.18毫米，航拍照片數(shù)量384張。
4.5航空攝影測量
選擇能見度>3000米，風力<5級的氣象條件執(zhí)行飛行航測任務(wù)。在航測過程中，全程監(jiān)控多旋翼無人機平臺的飛行軌跡、GPS信號強度、電量、高度、速度、姿態(tài)及其他參數(shù)，保證飛行的安全及數(shù)據(jù)的可靠性。
4.6內(nèi)業(yè)作業(yè)流程
(1)利用Agisoft PhotoScan后處理軟件對兩次飛行任務(wù)航攝影像進行照片對齊、刺點空三解算得出密集點云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型及數(shù)字正射影像圖。經(jīng)檢查4個檢核點，平面和高程誤差均在2厘米以內(nèi)。
圖4.2 Agisoft PhotoScan軟件界面
(2)利用Virtual Surveyor軟件對DEM和DOM文件建立三維模型。
圖4.3 Virtual Surveyor軟件建立三維模型
(3)利用VS軟件中的計算體積功能，實地最低高程為1560m，將地形偏移水平面高程設(shè)置為1550m，進行挖方“體積計算”，并“修改地形”。如下圖。
圖4.4 Virtual Surveyor進行第一次挖方量計算
圖4.5 Virtual Surveyor軟件進行第二次挖方量計算
(4)對兩次挖方量進行對比計算。
5 成果分析
航測外業(yè)和內(nèi)業(yè)計算兩個環(huán)節(jié)決定了多旋翼無人機測量工程方量的精度。航測的精度與光照、風力、飛行重疊度、GPS信號強度、后處理軟件進行空三加密處理的精度、外業(yè)像控點布設(shè)的位置選取、測點精度、人為刺點的精度、軟件處理質(zhì)量水平的高低等因素有關(guān)，航測外業(yè)的精度對最終結(jié)果的影響更大。
經(jīng)過實踐，在適當?shù)臍庀髼l件下，多旋翼無人機航測系統(tǒng)能夠達到所需的航測精度，本文案例已經(jīng)達到RTK產(chǎn)品的測量精度，滿足了工程方量計算的需要。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法采用人工測點，受地形限制，費時耗力，風險高且難以獲取全面精確的數(shù)據(jù)，而利用無人機航測系統(tǒng)進行測繪則有效地避免了上述問題。
6 結(jié)束語
利用VS軟件體積計算兩期土方量，要求至少有兩次以上的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)兩次以同一標高為基準，偏移地形求兩次填(挖)方差值算得兩期間工程方量。方量的計算精度取決于采集數(shù)據(jù)的精度和數(shù)據(jù)采集的密度。采集數(shù)據(jù)的過程一定要保證數(shù)據(jù)的精度和完整度，為計算提供準確的數(shù)據(jù)。
作為技術(shù)創(chuàng)新，無人機測量技術(shù)有力地推動了測量測繪技術(shù)的發(fā)展。加強無人機測繪技術(shù)的研究與應(yīng)用，是提高測繪效率的有效手段，有利于有關(guān)部門及時掌握所需動態(tài)地理信息，促進創(chuàng)新測繪服務(wù)模式，積極推動國民經(jīng)濟社會信息化，從而保障經(jīng)濟社會健康快速地發(fā)展。
目前，對于高分辨率空間數(shù)據(jù)的獲取的渠道仍然局限于遙感衛(wèi)星影像、大飛機航拍等，造成數(shù)據(jù)重復采集，數(shù)據(jù)處理工作復雜，分辨率低，時效性和靈活性也遠不能滿足實際需求。無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，是一種有動力、可控制、能攜帶多種設(shè)備、執(zhí)行多種任務(wù)，并能重復使用的無人駕駛航空平臺。無人機遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、POS定位定姿技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動化、智能化、專業(yè)化的特點，具有快速獲取國土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進行實時處理、建模和分析的先進新興航空遙感技術(shù)解決方案[1]。
相對于載人飛機和固定翼無人機航空攝影測量而言，多旋翼無人機更加機動靈活，具有飛行可靠性高、安全性高、效率高、起飛和著陸場地要求低、操作簡便、影像分辨率更高等特點，在天氣晴朗、風力較小(5級以下)的情況下，可獲得精度更高的航攝數(shù)據(jù)，是小范圍航空攝影的發(fā)展重要趨勢。
2 多旋翼無人機測繪原理
2.1飛控平臺
多旋翼無人機作為一種微型飛行器，在飛行過程中不僅易受由身物理特性(空氣動力特性、重力特性、陀螺效應(yīng)和旋翼慣量矩等)限制的影響，還很容易受到氣流等外部環(huán)境的干擾。因此，飛行控制技術(shù)對保證無人機穩(wěn)定性、安全性至關(guān)重要。多旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)包括三大部分：姿態(tài)控制、位置控制和高度控制。姿態(tài)控制通過由陀螺儀、加速度計、磁強計輸出的角速度、加速度、磁強信息融合得到的姿態(tài)估計而獲取反饋信息，并對反饋信息進行計算輸出三個姿態(tài)控制參量，這三個控制參量與最終的轉(zhuǎn)速分配，直接影響著電機轉(zhuǎn)數(shù)，進而完成無人機位置、姿態(tài)和速度的控制，通過GPS與光流傳感器獲取位置信息、速度信息，進而實現(xiàn)無人機的位置控制。高度控制包括對無人機高度和爬升速度的控制，其通過GPS、超聲測距傳感器、加速度計、氣壓計數(shù)據(jù)進行融合得到的數(shù)據(jù)獲取高度反饋信息，通過高度反饋信息計算相應(yīng)的控制參量，將其輸入到轉(zhuǎn)速分配中，通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對高度的控制[2]。
2.2影像采集及處理
無人機影像采集根據(jù)任務(wù)的要求對測區(qū)進行航線規(guī)劃(起降位置、飛行航線、重疊度、相機角度)，在航線規(guī)劃系統(tǒng)中將規(guī)劃好的航線上傳至遙感空中控制子系統(tǒng)。無人機地面控制子系統(tǒng)按照規(guī)劃的航線控制無人機的飛行，遙感空中控制子系統(tǒng)則按照預(yù)設(shè)的航線和拍攝方式控制照相進行拍攝。照相機將拍攝的影像及POS數(shù)據(jù)將自動寫入到飛機存儲器中[3]。
3 Virtual Surveyor軟件體積計算原理及方法
Virtual Surveyor軟件(簡稱VS軟件)是通過將數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)和數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)合并成一個三維立體模型并創(chuàng)建一個虛擬的環(huán)境來處理大量的無人機航攝數(shù)據(jù)，利用模型信息融合生成綜合模型的方法，自動化完整的展現(xiàn)出無人機成果所包含的全部信息，基于無人機處理后的真實數(shù)據(jù)，使信息可視化、可操作化，借助軟件進一步的提取，可以得到更快捷的有效信息，完善和補充了地理空間信息生產(chǎn)。
利用VS軟件中的“體積計算”功能，將計算區(qū)域兩次測得的模型結(jié)果偏移至同一標高，進行兩次挖方計算，然后求差比較兩次挖方的差值，即為兩期間土方量的計算結(jié)果。
4 多旋翼無人機土方量測量外業(yè)案例
利用拓普康獵鷹8號八旋翼無人機對山西汾西正暉煤業(yè)有限公司昌元煤礦2號排土場間隔兩個月的排土量進行量測。
4.1 拓普康獵鷹8號八旋翼無人機航攝系統(tǒng)構(gòu)成及特點
八旋翼無人機專為檢測和測繪應(yīng)用而設(shè)計，采用頂級的傳感器、自主減震、自動補償相機支架等部件，搭載一架高清晰的RGB相機(索尼Alpha7R),適合需要采用高分辨率影像的小范圍測量、測圖、建模、繪圖和檢測項目。
表4.1 拓普康獵鷹8號八旋翼無人機主要技術(shù)參數(shù)
4.2確定作業(yè)區(qū)域坐標
圖4.1 2017年9月30日2號排土場
圖4.2 2017年11月30日2號排土場
4.3布設(shè)并測量外業(yè)像控點
像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎(chǔ)，其布設(shè)的精度和數(shù)量直接影響到航測數(shù)據(jù)后處理的精度，所以像控點的布設(shè)和選擇應(yīng)當規(guī)范、精確：
①選擇像控點時，應(yīng)選擇地形測量通視良好且可以明確辨認的地物點和目標點。
②布設(shè)的標志應(yīng)對空視角好，避免被建筑物、樹木等遮擋。
③黑白反差不大，地物有陰影以及某些弧形地物不應(yīng)作為控制點點位目標。
本次飛行區(qū)域內(nèi)共布設(shè)6個像控點和4個檢核點，并采用西安80坐標系和1985國家高程基準對其進行測量。
4.4規(guī)劃飛行航線
飛行航線規(guī)劃的主要目標是依據(jù)地形信息和執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境條件信息，綜合考慮無人機的性能、到達時間、耗能、威脅以及飛行區(qū)域等約束條件，利用AscTec Navigator軟件規(guī)劃出一條或多條自出發(fā)點到目標點的最優(yōu)或次優(yōu)航線，保證無人機高效、快速地完成飛行任務(wù)。
圖4.1 AscTec Navigator軟件航線規(guī)劃
本區(qū)域長350米，寬240米，兩次飛行共十條往返航線，飛行高度80米，航向重疊75%，旁向重疊60%，地面采樣間距11.18毫米，航拍照片數(shù)量384張。
4.5航空攝影測量
選擇能見度>3000米，風力<5級的氣象條件執(zhí)行飛行航測任務(wù)。在航測過程中，全程監(jiān)控多旋翼無人機平臺的飛行軌跡、GPS信號強度、電量、高度、速度、姿態(tài)及其他參數(shù)，保證飛行的安全及數(shù)據(jù)的可靠性。
4.6內(nèi)業(yè)作業(yè)流程
(1)利用Agisoft PhotoScan后處理軟件對兩次飛行任務(wù)航攝影像進行照片對齊、刺點空三解算得出密集點云數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型及數(shù)字正射影像圖。經(jīng)檢查4個檢核點，平面和高程誤差均在2厘米以內(nèi)。
圖4.2 Agisoft PhotoScan軟件界面
(2)利用Virtual Surveyor軟件對DEM和DOM文件建立三維模型。
圖4.3 Virtual Surveyor軟件建立三維模型
(3)利用VS軟件中的計算體積功能，實地最低高程為1560m，將地形偏移水平面高程設(shè)置為1550m，進行挖方“體積計算”，并“修改地形”。如下圖。
圖4.4 Virtual Surveyor進行第一次挖方量計算
圖4.5 Virtual Surveyor軟件進行第二次挖方量計算
(4)對兩次挖方量進行對比計算。
5 成果分析
航測外業(yè)和內(nèi)業(yè)計算兩個環(huán)節(jié)決定了多旋翼無人機測量工程方量的精度。航測的精度與光照、風力、飛行重疊度、GPS信號強度、后處理軟件進行空三加密處理的精度、外業(yè)像控點布設(shè)的位置選取、測點精度、人為刺點的精度、軟件處理質(zhì)量水平的高低等因素有關(guān)，航測外業(yè)的精度對最終結(jié)果的影響更大。
經(jīng)過實踐，在適當?shù)臍庀髼l件下，多旋翼無人機航測系統(tǒng)能夠達到所需的航測精度，本文案例已經(jīng)達到RTK產(chǎn)品的測量精度，滿足了工程方量計算的需要。
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法采用人工測點，受地形限制，費時耗力，風險高且難以獲取全面精確的數(shù)據(jù)，而利用無人機航測系統(tǒng)進行測繪則有效地避免了上述問題。
6 結(jié)束語
利用VS軟件體積計算兩期土方量，要求至少有兩次以上的測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)兩次以同一標高為基準，偏移地形求兩次填(挖)方差值算得兩期間工程方量。方量的計算精度取決于采集數(shù)據(jù)的精度和數(shù)據(jù)采集的密度。采集數(shù)據(jù)的過程一定要保證數(shù)據(jù)的精度和完整度，為計算提供準確的數(shù)據(jù)。
作為技術(shù)創(chuàng)新，無人機測量技術(shù)有力地推動了測量測繪技術(shù)的發(fā)展。加強無人機測繪技術(shù)的研究與應(yīng)用，是提高測繪效率的有效手段，有利于有關(guān)部門及時掌握所需動態(tài)地理信息，促進創(chuàng)新測繪服務(wù)模式，積極推動國民經(jīng)濟社會信息化，從而保障經(jīng)濟社會健康快速地發(fā)展。
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