多旋翼无人机在工程方量测绘中的应用
作者：dlcms 浏览量：1447 次 发布时间：2019-12-09 05:19:15
1 引言
目前，对于高分辨率空间数据的获取的渠道仍然局限于遥感卫星影像、大飞机航拍等，造成数据重复采集，数据处理工作复杂，分辨率低，时效性和灵活性也远不能满足实际需求。无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，是一种有动力、可控制、能携带多种设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空平台。无人机遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、POS定位定姿技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专业化的特点，具有快速获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并进行实时处理、建模和分析的先进新兴航空遥感技术解决方案[1]。
相对于载人飞机和固定翼无人机航空摄影测量而言，多旋翼无人机更加机动灵活，具有飞行可靠性高、安全性高、效率高、起飞和着陆场地要求低、操作简便、影像分辨率更高等特点，在天气晴朗、风力较小(5级以下)的情况下，可获得精度更高的航摄数据，是小范围航空摄影的发展重要趋势。
2 多旋翼无人机测绘原理
2.1飞控平台
多旋翼无人机作为一种微型飞行器，在飞行过程中不仅易受由身物理特性(空气动力特性、重力特性、陀螺效应和旋翼惯量矩等)限制的影响，还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，飞行控制技术对保证无人机稳定性、安全性至关重要。多旋翼无人机的飞行控制系统包括三大部分：姿态控制、位置控制和高度控制。姿态控制通过由陀螺仪、加速度计、磁强计输出的角速度、加速度、磁强信息融合得到的姿态估计而获取反馈信息，并对反馈信息进行计算输出三个姿态控制参量，这三个控制参量与最终的转速分配，直接影响着电机转数，进而完成无人机位置、姿态和速度的控制，通过GPS与光流传感器获取位置信息、速度信息，进而实现无人机的位置控制。高度控制包括对无人机高度和爬升速度的控制，其通过GPS、超声测距传感器、加速度计、气压计数据进行融合得到的数据获取高度反馈信息，通过高度反馈信息计算相应的控制参量，将其输入到转速分配中，通过改变旋翼转速实现对高度的控制[2]。
2.2影像采集及处理
无人机影像采集根据任务的要求对测区进行航线规划(起降位置、飞行航线、重叠度、相机角度)，在航线规划系统中将规划好的航线上传至遥感空中控制子系统。无人机地面控制子系统按照规划的航线控制无人机的飞行，遥感空中控制子系统则按照预设的航线和拍摄方式控制照相进行拍摄。照相机将拍摄的影像及POS数据将自动写入到飞机存储器中[3]。
3 Virtual Surveyor软件体积计算原理及方法
Virtual Surveyor软件(简称VS软件)是通过将数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)和数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)合并成一个三维立体模型并创建一个虚拟的环境来处理大量的无人机航摄数据，利用模型信息融合生成综合模型的方法，自动化完整的展现出无人机成果所包含的全部信息，基于无人机处理后的真实数据，使信息可视化、可操作化，借助软件进一步的提取，可以得到更快捷的有效信息，完善和补充了地理空间信息生产。
利用VS软件中的“体积计算”功能，将计算区域两次测得的模型结果偏移至同一标高，进行两次挖方计算，然后求差比较两次挖方的差值，即为两期间土方量的计算结果。
4 多旋翼无人机土方量测量外业案例
利用拓普康猎鹰8号八旋翼无人机对山西汾西正晖煤业有限公司昌元煤矿2号排土场间隔两个月的排土量进行量测。
4.1 拓普康猎鹰8号八旋翼无人机航摄系统构成及特点
八旋翼无人机专为检测和测绘应用而设计，采用顶级的传感器、自主减震、自动补偿相机支架等部件，搭载一架高清晰的RGB相机(索尼Alpha7R),适合需要采用高分辨率影像的小范围测量、测图、建模、绘图和检测项目。
表4.1 拓普康猎鹰8号八旋翼无人机主要技术参数
4.2确定作业区域坐标
图4.1 2017年9月30日2号排土场
图4.2 2017年11月30日2号排土场
4.3布设并测量外业像控点
像控点是摄影测量控制加密和测图的基础，其布设的精度和数量直接影响到航测数据后处理的精度，所以像控点的布设和选择应当规范、精确：
①选择像控点时，应选择地形测量通视良好且可以明确辨认的地物点和目标点。
②布设的标志应对空视角好，避免被建筑物、树木等遮挡。
③黑白反差不大，地物有阴影以及某些弧形地物不应作为控制点点位目标。
本次飞行区域内共布设6个像控点和4个检核点，并采用西安80坐标系和1985国家高程基准对其进行测量。
4.4规划飞行航线
飞行航线规划的主要目标是依据地形信息和执行任务的环境条件信息，综合考虑无人机的性能、到达时间、耗能、威胁以及飞行区域等约束条件，利用AscTec Navigator软件规划出一条或多条自出发点到目标点的最优或次优航线，保证无人机高效、快速地完成飞行任务。
图4.1 AscTec Navigator软件航线规划
本区域长350米，宽240米，两次飞行共十条往返航线，飞行高度80米，航向重叠75%，旁向重叠60%，地面采样间距11.18毫米，航拍照片数量384张。
4.5航空摄影测量
选择能见度>3000米，风力<5级的气象条件执行飞行航测任务。在航测过程中，全程监控多旋翼无人机平台的飞行轨迹、GPS信号强度、电量、高度、速度、姿态及其他参数，保证飞行的安全及数据的可靠性。
4.6内业作业流程
(1)利用Agisoft PhotoScan后处理软件对两次飞行任务航摄影像进行照片对齐、刺点空三解算得出密集点云数据、数字高程模型、数字表面模型及数字正射影像图。经检查4个检核点，平面和高程误差均在2厘米以内。
图4.2 Agisoft PhotoScan软件界面
(2)利用Virtual Surveyor软件对DEM和DOM文件建立三维模型。
图4.3 Virtual Surveyor软件建立三维模型
(3)利用VS软件中的计算体积功能，实地最低高程为1560m，将地形偏移水平面高程设置为1550m，进行挖方“体积计算”，并“修改地形”。如下图。
图4.4 Virtual Surveyor进行第一次挖方量计算
图4.5 Virtual Surveyor软件进行第二次挖方量计算
(4)对两次挖方量进行对比计算。
5 成果分析
航测外业和内业计算两个环节决定了多旋翼无人机测量工程方量的精度。航测的精度与光照、风力、飞行重叠度、GPS信号强度、后处理软件进行空三加密处理的精度、外业像控点布设的位置选取、测点精度、人为刺点的精度、软件处理质量水平的高低等因素有关，航测外业的精度对最终结果的影响更大。
经过实践，在适当的气象条件下，多旋翼无人机航测系统能够达到所需的航测精度，本文案例已经达到RTK产品的测量精度，满足了工程方量计算的需要。
传统的数据采集方法采用人工测点，受地形限制，费时耗力，风险高且难以获取全面精确的数据，而利用无人机航测系统进行测绘则有效地避免了上述问题。
6 结束语
利用VS软件体积计算两期土方量，要求至少有两次以上的测量数据为基础，根据两次以同一标高为基准，偏移地形求两次填(挖)方差值算得两期间工程方量。方量的计算精度取决于采集数据的精度和数据采集的密度。采集数据的过程一定要保证数据的精度和完整度，为计算提供准确的数据。
作为技术创新，无人机测量技术有力地推动了测量测绘技术的发展。加强无人机测绘技术的研究与应用，是提高测绘效率的有效手段，有利于有关部门及时掌握所需动态地理信息，促进创新测绘服务模式，积极推动国民经济社会信息化，从而保障经济社会健康快速地发展。
目前，对于高分辨率空间数据的获取的渠道仍然局限于遥感卫星影像、大飞机航拍等，造成数据重复采集，数据处理工作复杂，分辨率低，时效性和灵活性也远不能满足实际需求。无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)，是一种有动力、可控制、能携带多种设备、执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空平台。无人机遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、POS定位定姿技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，具有自动化、智能化、专业化的特点，具有快速获取国土、资源、环境、事件等空间遥感信息，并进行实时处理、建模和分析的先进新兴航空遥感技术解决方案[1]。
相对于载人飞机和固定翼无人机航空摄影测量而言，多旋翼无人机更加机动灵活，具有飞行可靠性高、安全性高、效率高、起飞和着陆场地要求低、操作简便、影像分辨率更高等特点，在天气晴朗、风力较小(5级以下)的情况下，可获得精度更高的航摄数据，是小范围航空摄影的发展重要趋势。
2 多旋翼无人机测绘原理
2.1飞控平台
多旋翼无人机作为一种微型飞行器，在飞行过程中不仅易受由身物理特性(空气动力特性、重力特性、陀螺效应和旋翼惯量矩等)限制的影响，还很容易受到气流等外部环境的干扰。因此，飞行控制技术对保证无人机稳定性、安全性至关重要。多旋翼无人机的飞行控制系统包括三大部分：姿态控制、位置控制和高度控制。姿态控制通过由陀螺仪、加速度计、磁强计输出的角速度、加速度、磁强信息融合得到的姿态估计而获取反馈信息，并对反馈信息进行计算输出三个姿态控制参量，这三个控制参量与最终的转速分配，直接影响着电机转数，进而完成无人机位置、姿态和速度的控制，通过GPS与光流传感器获取位置信息、速度信息，进而实现无人机的位置控制。高度控制包括对无人机高度和爬升速度的控制，其通过GPS、超声测距传感器、加速度计、气压计数据进行融合得到的数据获取高度反馈信息，通过高度反馈信息计算相应的控制参量，将其输入到转速分配中，通过改变旋翼转速实现对高度的控制[2]。
2.2影像采集及处理
无人机影像采集根据任务的要求对测区进行航线规划(起降位置、飞行航线、重叠度、相机角度)，在航线规划系统中将规划好的航线上传至遥感空中控制子系统。无人机地面控制子系统按照规划的航线控制无人机的飞行，遥感空中控制子系统则按照预设的航线和拍摄方式控制照相进行拍摄。照相机将拍摄的影像及POS数据将自动写入到飞机存储器中[3]。
3 Virtual Surveyor软件体积计算原理及方法
Virtual Surveyor软件(简称VS软件)是通过将数字正射影像图(Digital Orthophoto Map，DOM)和数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)合并成一个三维立体模型并创建一个虚拟的环境来处理大量的无人机航摄数据，利用模型信息融合生成综合模型的方法，自动化完整的展现出无人机成果所包含的全部信息，基于无人机处理后的真实数据，使信息可视化、可操作化，借助软件进一步的提取，可以得到更快捷的有效信息，完善和补充了地理空间信息生产。
利用VS软件中的“体积计算”功能，将计算区域两次测得的模型结果偏移至同一标高，进行两次挖方计算，然后求差比较两次挖方的差值，即为两期间土方量的计算结果。
4 多旋翼无人机土方量测量外业案例
利用拓普康猎鹰8号八旋翼无人机对山西汾西正晖煤业有限公司昌元煤矿2号排土场间隔两个月的排土量进行量测。
4.1 拓普康猎鹰8号八旋翼无人机航摄系统构成及特点
八旋翼无人机专为检测和测绘应用而设计，采用顶级的传感器、自主减震、自动补偿相机支架等部件，搭载一架高清晰的RGB相机(索尼Alpha7R),适合需要采用高分辨率影像的小范围测量、测图、建模、绘图和检测项目。
表4.1 拓普康猎鹰8号八旋翼无人机主要技术参数
4.2确定作业区域坐标
图4.1 2017年9月30日2号排土场
图4.2 2017年11月30日2号排土场
4.3布设并测量外业像控点
像控点是摄影测量控制加密和测图的基础，其布设的精度和数量直接影响到航测数据后处理的精度，所以像控点的布设和选择应当规范、精确：
①选择像控点时，应选择地形测量通视良好且可以明确辨认的地物点和目标点。
②布设的标志应对空视角好，避免被建筑物、树木等遮挡。
③黑白反差不大，地物有阴影以及某些弧形地物不应作为控制点点位目标。
本次飞行区域内共布设6个像控点和4个检核点，并采用西安80坐标系和1985国家高程基准对其进行测量。
4.4规划飞行航线
飞行航线规划的主要目标是依据地形信息和执行任务的环境条件信息，综合考虑无人机的性能、到达时间、耗能、威胁以及飞行区域等约束条件，利用AscTec Navigator软件规划出一条或多条自出发点到目标点的最优或次优航线，保证无人机高效、快速地完成飞行任务。
图4.1 AscTec Navigator软件航线规划
本区域长350米，宽240米，两次飞行共十条往返航线，飞行高度80米，航向重叠75%，旁向重叠60%，地面采样间距11.18毫米，航拍照片数量384张。
4.5航空摄影测量
选择能见度>3000米，风力<5级的气象条件执行飞行航测任务。在航测过程中，全程监控多旋翼无人机平台的飞行轨迹、GPS信号强度、电量、高度、速度、姿态及其他参数，保证飞行的安全及数据的可靠性。
4.6内业作业流程
(1)利用Agisoft PhotoScan后处理软件对两次飞行任务航摄影像进行照片对齐、刺点空三解算得出密集点云数据、数字高程模型、数字表面模型及数字正射影像图。经检查4个检核点，平面和高程误差均在2厘米以内。
图4.2 Agisoft PhotoScan软件界面
(2)利用Virtual Surveyor软件对DEM和DOM文件建立三维模型。
图4.3 Virtual Surveyor软件建立三维模型
(3)利用VS软件中的计算体积功能，实地最低高程为1560m，将地形偏移水平面高程设置为1550m，进行挖方“体积计算”，并“修改地形”。如下图。
图4.4 Virtual Surveyor进行第一次挖方量计算
图4.5 Virtual Surveyor软件进行第二次挖方量计算
(4)对两次挖方量进行对比计算。
5 成果分析
航测外业和内业计算两个环节决定了多旋翼无人机测量工程方量的精度。航测的精度与光照、风力、飞行重叠度、GPS信号强度、后处理软件进行空三加密处理的精度、外业像控点布设的位置选取、测点精度、人为刺点的精度、软件处理质量水平的高低等因素有关，航测外业的精度对最终结果的影响更大。
经过实践，在适当的气象条件下，多旋翼无人机航测系统能够达到所需的航测精度，本文案例已经达到RTK产品的测量精度，满足了工程方量计算的需要。
传统的数据采集方法采用人工测点，受地形限制，费时耗力，风险高且难以获取全面精确的数据，而利用无人机航测系统进行测绘则有效地避免了上述问题。
6 结束语
利用VS软件体积计算两期土方量，要求至少有两次以上的测量数据为基础，根据两次以同一标高为基准，偏移地形求两次填(挖)方差值算得两期间工程方量。方量的计算精度取决于采集数据的精度和数据采集的密度。采集数据的过程一定要保证数据的精度和完整度，为计算提供准确的数据。
作为技术创新，无人机测量技术有力地推动了测量测绘技术的发展。加强无人机测绘技术的研究与应用，是提高测绘效率的有效手段，有利于有关部门及时掌握所需动态地理信息，促进创新测绘服务模式，积极推动国民经济社会信息化，从而保障经济社会健康快速地发展。
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