无人机航测可行性分析及应用

作者:admin 发布日期: 2019-04-11 二维码分享

无人机航测系统可行性分析

               西安宇航者创新科技有限公司

随着我国经济的快速发展以及科技进步,自动控制技术、GPS定位导航技术、航空遥感测绘技术以及无线电通信等技术的发展,无人机的使用已从军事领域拓展到许多民用领域,如地形测绘、灾情监测、林业调查、农作物监测等。其中利用无人机航空摄影测量能够高效完成工程建设规划及巡查任务。

1. 无人机摄影测量技术概述

无人机(unmanned aerial vehicle)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。近年来地理空间信息技术取得了飞速的发展,尤其是灵活机动、具有快速响应能力的轻小型航空,更是在.近几年迅速成长,成为航空遥感领域一个引人注目的亮点。

无人机航测技术体现了无人机与测绘的紧密结合同时也提供了更高效的测绘方式。经实验证明,无人机航测技术完全可以达到1:1000国家航空摄影测量规范的要求。

1.1无人机航测特点




陕西无人机航拍




 统由于航空遥感平台及传感器的限制,普通的航空摄影测量手段在获取小面积、大比例尺数据方面存在成本高、性价比差等问题。具有低成本和机动灵活等诸多优点的低空无人机遥感能在小区域内快速获取高质量遥感影像,是国家航空遥感监测体系的重要补充,是航空遥感的未来发展方向。在当今卫星遥感和普通航空遥感蓬勃发展的形势下,轻小型低空遥感是粗中细分辨率互补的立体监测体系中不可缺少的重要技术手段。

低空无人机遥感系统,作为卫星遥感与普通航空摄影不可缺少的补充,它有如下优点:

无人机可以超低空飞行,可在云下飞行航摄,弥补了卫星光学遥感和普通航空摄影经常受云层遮挡获取不到影像的缺陷;

由于低空接近目标,因此能以比卫星遥感和普通航摄低得多的代价得到更高分辨率的影像;

能实现适应地形和地物的导航与摄像控制,从而得到多角度、多建筑面的地面景物影像,用以支持构建城市三维景观模型,而不局限于卫星遥感与普通航摄的正射影像常规产品;

使用成本低,无人机体形小, 耗费低, 对操作员的培养周期相对较短。系的保养和维修简便, 同时不用租赁起飞和停放场地,可以无需机场起降,因而灵活机动,适应性强,容易成为用户自主拥有的设备;

回避了飞行员人身安全的风险;

比起野外实测而言,无人机航测方法具有周期短、效率高、成本低等特点。

对于面积较小的大比例尺地形测量任务(10-100平方公里),受天气和空域管理的限制较多,成本高;而采用全野外数据采集方法成图,作业量大,成本也高。



而将无人机遥感系统进行工程化、实用化开发,则可以利用它机动、快速、经济等优势,在阴天、轻雾天也能获取合格的彩色影像,从而将大量的野外工作转入内业,既能减轻劳动强度,又能提高作业的技术水平和精度。

1.2国内无人机发展现状

国内无人机近几年来发展比较快,而除军事用途外,由于无人机成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等的优势,使得无人机在航空拍照、地质测量、高压输电线路巡视、油田管路检查、高速公路管理、森林防火巡查、毒气勘察、缉毒和应急救援、救护等民用领域应用前景极为广阔。正是因为看到未来无人机的民用市场潜力巨大,除一些科研院所外,民营企业也开始介入无人机市场。目前粗略估计全国约有170多家单位在生产无人机。

2.无人机系统介绍

无人机系统结合了无人机技术和摄影测量技术,是较传统方式更为灵活的航测平台。无人机系统可快速为用户获取采用传统方式需要较长项目周期和高昂费用才能获取的正射影像图(DOM)和数字地表模型(DSM),可应用在各个领域,包括灾害应急制图、水文地质、基础测绘、国土规划、地理国情监测、矿山、公路、铁路、水利电力等带状地物测图等等。


旋翼无人机


陕西无人机航拍技术





2.1无人机系统组成

无人机系统都是由硬件与软件组成。

2.1.1硬件

配有电子控制装置的无人飞机

发射架或旋翼

备用机身

地面控制器或手机APP

无线通讯模块(2.4 GHz)

数码相机(已标定)

电池充电器

高性能锂电池或燃油

备用件

2.1.2软件

系统软件包括外业控制软件与数据后处理软件。

(1)外业操作控制软件

通过该软件可实现飞行任务设计、飞行规划、飞行操作与控制、飞行成果质量检查与分析。

              图2无人机系统飞行任务设计



3无人机系统飞行规划



2) 数据后处理软件,包括Global MapperPix4Dmapper                                           

该软件提供简易、直观的数据处理流程,用于原始数据的处理,提取各种成果数据,如正射影像、数字高程模型(DEM)、KML格式数据、3D模型数据以及点云数据等。

     无人机后处理软件Pix4Dmapper数据导入处理                





     图无人机系统后处理软件Pix4Dmapper——生成正射影像




无人机系统后处理软件Pix4Dmapper——生成数字表面模型(DSM



2.2  无人机系统的特点与优势

作为全新一代的无人机航空摄影测量测量系统,具有以下特点与优势:

1. 云下自主飞行,作业航高在75~750m。

2. 操作简单、方便快捷、快速高效

3. 自动化数字图像处理

4. 中小区域测图,地面采样间隔(GSD)达到2.4cm

5. 高频率、多时相扫描拍摄覆盖整个测区,全自动地采集高分辨率原始数字图像,并且每条航带上的数字图像都具有GPS位置与飞行姿态信息。

6. 随时获取目标区域图像

7. 作业安全、无污染

8. 高端黑盒电子产品(内在)+可更换的外形

9. 充分满足各种环境所需

10. 测绘级别产品

2.3 无人机系统的工作原理

无人机系统是以无人驾驶飞行器为飞行平台,搭载数码相机进行图像采集,以获取高分辨率遥感数据为应用目标,通过3S技术在系统中的集成应用,达到实时对地观测能力和遥感数据快速处理。飞行前先通过地面控制平台电脑或手机APP来制定飞行作业计划,如测区范围、起飞降落位置、飞行航高、影像重叠率及风向等参数的确定。系统中的飞行任务设计软件根据上述参数可自动设计出飞行航线以及起飞降落的位置,然后利用无线通讯模块将飞行计划上传至自备的电子控制装置中,然后通过无线通讯模块与电子控制装置协同操纵飞行平台来完成图像数据采集。

2.4 无人机系统的作业流程

无人机系统目前已经在很多工程中应用,作业的基本内容包括:系统组件连接与安装、飞行任务设计、外业数据采集(图像数据与飞行轨迹数据获取)、内业数据处理(图像数据解算处理,成果数据提取)等内容。

      

二.无人机航测系统的应用

目前,无人机已成功应用多个行业,主要应用有:

水利、电力等能源与环境

基础设施与工程监测

基础测绘、土地管理与规划

植被监测(结合可见光、近红外图像应用于精细农业与森林保护)

灾情监测、应急快速响应测图

露天矿山测绘

3D建模与可视化

资产管理

水文、地质、考古研究等


图7  无人机系统应用行业分布图

无人机航空摄影测量系统具有高灵活、快响应、低成本、实时等特点与优势,与卫星遥感与传统航空摄影测量相比,尤其在低空获取高分辨率数字图像,输电线路规划、电厂(变电站)址地形图像获取,发电厂料堆体积计算、灾害应急响应等方面,无人机系统具有不可替代的作用。







 近几年来无人机航测技术在国内开始热门起来,由于该技术比起传统测绘技术来,有着极其优越的特性,可获取无以伦比的多层次成果和成万倍生产效率的提升;并且经过十多年来的飞速发展,该技术已经相当成熟,不仅仅是实验室而是已经走向了实用,各大测绘厂商瞄准了其光明的前景而纷纷投入巨资参与研发使其进入了批量生产、产业化应用的阶段。

随着经济的发展,无人机航测系统从上个世纪末就开始引进中国,首先是引起了科学研究单位的注意,随着这几年的航测技术和影响成果的不断应用,人们开始认识到该技术的先进性和广阔的应用前景。这些运用无人机航测技术的先行者都把这个技术比做15年来与GPS(全球卫星定位)测量技术一样的划时代的测绘技术,认为它像15年前出现在国内的GPS技术一样将极大的促进测绘行业的发展。

无人机航测技术将给测绘工作带来深刻的变化。

首先从外业数据采集上,无人机航测技术是无接触测量技术,这使得它直接突破了传统光学全站仪和GPS技术的限制。使用者无需离开仪器即可采集数据,以往难于到达目标物的工程项目得以方便的完成。如:地形测量上的高悬的陡崖、隔河流的边坡监测、危险的滑坡地段,有毒区域的测量、危险的高压电力设施等等。这些项目在以往是很难或者无法完成的高技术高“含金量”的项目,有了无人机航测系统,安全系数大大提高。

当然,该技术用在较为普通的项目上也很有意义,因为它面式扫描测量、需要跑棱镜或者安放GPS接受机的工作变成“无接触、无跑动”的工作,减少了工作量,减少了人力,减少了人为误差,降低了劳动强度,还提高了效率。

另外,无人机航测系统的数据采集速度是常规仪器的数万倍,极大地提高了外业工作的效率。比如测绘一个平方公里的1:2000地形图全站仪人工跑棱镜测图,几乎是一台全站仪2个人苦干两天的工作,即使是用1+1 RTK技术也需要2天,而使用无人机加一个人仅需要不到30分钟。其效率是不言而喻的,效益也是非常明显的。

可能有人会说航测的内业工作量巨大,因为航片的数据需要人工拼接,处理成图,费时费力。其实这已经是过去了,现有软件已经很好地实现图幅的自动拼接和匹配,数据的自动化处理成都也很好,而且数据精度可靠、整体一致性好。

在航测后处理软件里,数据可以任意的裁剪、取样。如选择不同的区域作不同的处理,可以任意按需抽取一部分数据或者去掉一部分数据。如,可以自定将地形上特征地物进行提取。

当然,航测数据处理更多的是利用自动、批量处理工具进行的,如批量生成断面线、任意纵横剖面线、等高线生成与标注、线状地物的提取和体积或填挖的计算等等;只需要选择好操作区域,填入几个要求数据如等高距、断面间距、填挖平衡点等,程序即可按照要求数据自动计算给出结果,这一个过程远远快于传统手段!

航测数据经过处理后将快速的提供高质量的视觉效果鲜明的二维、三维成果,比以往的数据表格要更为丰富更为直观。

所以,无人机航测技术将从外业、内业和成果方面深刻而积极的改变测绘工作。


无人机航测技术不仅仅将大大提升测绘水平,还将极大的扩展测绘技术的应用面,带来更多业务提供更多的测绘产品。这是因为该技术是虚拟现实技术的必要手段,为真3D GIS地理信息系统、为矿产业的开采模拟、为企业的模拟培训、数字化管理和为军队的模拟训练等等提供必需的基础数据成果。

与现代化的传统测绘工具全站仪和GPS RTK接收机不同,这些仪器仅能单点采集数据,仅能用于测绘上测点或者点放样、控制测量等,无人机航测技术以其技术特色超越了测绘行业的限制。在这个数字化地球、数字化城市概念深入人心的时代,这个“视觉经济”时代,无人机航测技术必将在国民经济的建设中发挥重要的作用。

目前,无人机航测技术已经在发达国家测绘单位中逐渐大范围采用。在中国,经济的飞速发展,庞大的基础设施建设规模,使得各行业对无人机有着强劲的需求,再加上门槛(经济、技术)的降低,拥有无人机的单位越来越多,整体呈快速上升趋势。

无人机航测系统已经相当成熟,体积小巧携带方便;有着简单明了的内外业流程;不一样的是采集方法更简单,设定完参数就等自动飞行采集数据;因此,一般测量员即可操作,没有什么高技能要求。内业的操作同样是自动化程度高,一般的内业数据处理人员即可掌握。