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        多旋翼無人機在工程方量測繪中的應用

        2018-01-22 09:51:04 來源: 中國網
        聊聊

        1 引言

          目前,對于高分辨率空間數據的獲取的渠道仍然局限于遙感衛星影像、大飛機航拍等,造成數據重復采集,數據處理工作復雜,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、能攜帶多種設備、執行多種任務,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、遙測遙控技術、通信技術、POS定位定姿技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術,具有自動化、智能化、專業化的特點,具有快速獲取國土、資源、環境、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據,是小范圍航空攝影的發展重要趨勢。

          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、陀螺效應和旋翼慣量矩等)限制的影響,還很容易受到氣流等外部環境的干擾。因此,飛行控制技術對保證無人機穩定性、安全性至關重要。多旋翼無人機的飛行控制系統包括三大部分:姿態控制、位置控制和高度控制。姿態控制通過由陀螺儀、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控制參量,這三個控制參量與最終的轉速分配,直接影響著電機轉數,進而完成無人機位置、姿態和速度的控制,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、氣壓計數據進行融合得到的數據獲取高度反饋信息,通過高度反饋信息計算相應的控制參量,將其輸入到轉速分配中,通過改變旋翼轉速實現對高度的控制[2]。

          2.2影像采集及處理

          無人機影像采集根據任務的要求對測區進行航線規劃(起降位置、飛行航線、重疊度、相機角度),在航線規劃系統中將規劃好的航線上傳至遙感空中控制子系統。無人機地面控制子系統按照規劃的航線控制無人機的飛行,遙感空中控制子系統則按照預設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數據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)是通過將數字正射影像圖(Digital Orthophoto Map,DOM)和數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)合并成一個三維立體模型并創建一個虛擬的環境來處理大量的無人機航攝數據,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據,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。

          利用VS軟件中的“體積計算”功能,將計算區域兩次測得的模型結果偏移至同一標高,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果。

          4 多旋翼無人機土方量測量外業案例

          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構成及特點

          八旋翼無人機專為檢測和測繪應用而設計,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參數

          4.2確定作業區域坐標

          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布設并測量外業像控點

          像控點是攝影測量控制加密和測圖的基礎,其布設的精度和數量直接影響到航測數據后處理的精度,所以像控點的布設和選擇應當規范、精確:

          ①選擇像控點時,應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布設的標志應對空視角好,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作為控制點點位目標。

          本次飛行區域內共布設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規劃飛行航線

          飛行航線規劃的主要目標是依據地形信息和執行任務的環境條件信息,綜合考慮無人機的性能、到達時間、耗能、威脅以及飛行區域等約束條件,利用AscTec Navigator軟件規劃出一條或多條自出發點到目標點的最優或次優航線,保證無人機高效、快速地完成飛行任務。

          圖4.1 AscTec Navigator軟件航線規劃

          本區域長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級的氣象條件執行飛行航測任務。在航測過程中,全程監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、姿態及其他參數,保證飛行的安全及數據的可靠性。

          4.6內業作業流程

          (1)利用Agisoft PhotoScan后處理軟件對兩次飛行任務航攝影像進行照片對齊、刺點空三解算得出密集點云數據、數字高程模型、數字表面模型及數字正射影像圖。經檢查4個檢核點,平面和高程誤差均在2厘米以內。


          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

          航測外業和內業計算兩個環節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、外業像控點布設的位置選取、測點精度、人為刺點的精度、軟件處理質量水平的高低等因素有關,航測外業的精度對最終結果的影響更大。

          經過實踐,在適當的氣象條件下,多旋翼無人機航測系統能夠達到所需的航測精度,本文案例已經達到RTK產品的測量精度,滿足了工程方量計算的需要。

          傳統的數據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據,而利用無人機航測系統進行測繪則有效地避免了上述問題。

          6 結束語

          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據為基礎,根據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據的精度和數據采集的密度。采集數據的過程一定要保證數據的精度和完整度,為計算提供準確的數據。

          作為技術創新,無人機測量技術有力地推動了測量測繪技術的發展。加強無人機測繪技術的研究與應用,是提高測繪效率的有效手段,有利于有關部門及時掌握所需動態地理信息,促進創新測繪服務模式,積極推動國民經濟社會信息化,從而保障經濟社會健康快速地發展。

          參考文獻

          [1] 張政,竇杰,陳冀渝,多旋翼無人機的航空攝影測量技術在電力測繪中的應用.科技尚品PREMIERE,2016.7(總第94期).

          [2] 甄宗坤,范占永,蔡東健.六旋翼無人機在城市測量中的應用.水利與建筑工程學報,第13卷第3期2015年6月.

          [3] 洪宇,龔建華,胡社榮,黃明祥.無人機遙感影像獲取及后續處理探討.遙感技術與應用,第23卷第4期2008年8月.

           聲明:中測網登載此文出于傳遞更多信息之目的,并不意味著贊同其觀點或證實其描述,文章內容僅供參考。

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