新时代无人机测量,是什么?

1、测绘的发展历程

公元前2世纪,中国司马迁在《史记·夏本纪》中叙述了禹受命治理洪水的情况:“左准绳,右规矩,载四时,以开九州、通九道、陂九泽、度九山”。说明在公元前很久,中国人为了治水,已经会使用简单的测量工具了。近现代测绘技术的发展更是日新月异;20世纪40年代以来相继出现的测距仪、水准仪、经纬仪、全站仪等地面测量仪器;20世纪80年代,全球定位系统(GPS)问世,目前GPS 实时动态差分(RTK)技术已成熟应用于测绘行业;然而随着社会和科学技术的进步,计算机技术、通讯技术、高性能传感器及无人机技术等新型、尖端学科交叉融合形成了新时达测绘-无人机摄影测量解决方案。

2、无人机摄影测量介绍

新测绘一定是三维测绘

无人机摄影测量技术近年来逐步突破了传统航测精度的限制,结合像控技术,已经能够满足1:500、1:1000、1:2000等大比例尺地形图精度要求。过去进行测绘作业,需要大量进行地面人工打点才能获取高精度数据。不但费时费力,其合理性还高度依赖于作业员的经验,甚至当地信号、交通、地理地形等条件。

在工期和成本紧张的情况下,测绘工作人员往往只能尽量减少控制点的使用量,这就对最终成果的精度产生潜在的威胁。当前无人机航测技术大大减少了外业工作量,提高了测绘效率和质量。

效率提高了几倍甚至是10倍以上。

3、无人机摄影测量系统

无人机摄影测量系统主要有四个部分组成:

  • 测绘无人机

  • 测绘无人机搭载云台

  • 数据采集软件

  • 数据处理软件

无人机及搭载云台属于外业模块,数据处理及数据采集软件属于内业模块。

3.1 测绘无人机

目前国内测绘无人机企业如雨后春笋般涌现,如大家熟悉的大疆精灵4RTK大疆M600 PRO、M210系列;迪奥普SV360系列无人机;飞马D200、V1000系列;成都纵横CW系列;科比特无人机等;如中海达、南方及上海华测导航等测绘仪器厂商也陆续推出自己的航测无人机产品;部分旋翼、固定翼无人机如图1所示:

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3.2 测绘无人机搭载云台

随着摄影测量的发展,无人机搭载云台也开始急速发展。云台主要有单镜头、双镜头、四镜头及无镜头四种形式。其中单镜头云台主要用以生成正射影像,也可以通过调整云台角度达到倾斜摄影测量的效果,如大疆精灵4RTK。多镜头云台主要用以进行倾斜摄影测量。国内摄影测量云台主要以大疆禅思系列相机、成都睿铂相机、济南赛尔相机、飞马D-OP系列镜头、飞盟 AIRCAM-3相机等无人机航测影像云台企业为主;部分无人机搭载摄影云台如图2所示:

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3.3 数据处理软件

测绘技术的发展离不开计算机的发展,现代计算机强大的计算能力为摄影测量提供了可行性基础。无人机搭载云台(相机)采集到的影像数据通过空中三角测量及建模软件进行实体三维建模;目前用的最多最广的国外三维建模软件是美国bentley公司的Context Capture。其次是瑞士PX4D公司的Pix4Dmapper,AGISOFT 公司的photoscan,德国的inpho等。其中Pix4Dmapper、photoscan、inpho多用于进行正射模型处理,Context Capture多用于进行三维模型处理,三维模型成果下也可出正射模型。国内上海瞰景开发的Smart 3D实景三维建模软件,大疆创新也推出大疆智图等国内建模软件。部分数据处理软件如图3所示:

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3.4 数据采集软件

无人机航测与传统测绘测量技术的改革在于测量方式的不同,进行无人机航测无需再进行人力现场实地测量,而是通过使用数据采集软件在无人机倾斜摄影数据三维建模成果上直接进行测量,经过航测得到的三维模型可根据需求建成同实地等比例大小、目标坐标系下的实景三维模型。通过计算机即可在测量区域内进行项目需求的数据测量,如房地一体、地形地貌、道路交通、城乡规划、灾害防治等。目前使用的数据采集软件主要有北京山维科技的EPS地理信息工作站、迪奥普的SV360智能三维测绘系统、Hidata及易图软件等。生成的正射模型也可以直接加载至Arc Map进行测量及绘制。部分数据采集软件如图4所示:

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4、无人机摄影测量流程

无人机摄影测量分为外业和内业两个部分,

外业主要流程为:前期准备、测区环境勘察、像控布设、无人机及云台搭建、航线规划、飞行作业、航测数据导出。

内业主要流程有:航测数据整理、POS数据整理(ppk解算)、空三加密、刺像控平差、三维建模及生成DOM/DSM/DEM等、使用数据采集软件加载生成的模型并进行DLG线画图。

4.1 无人机航测外业介绍

为方便说明,小飞机以大疆精灵4RTK为例,大飞机以大疆6旋翼M600为例。分别可搭载单镜头及五镜头。

航测前期准备需确认飞机硬件正常、电池电量足够、PPK 及采集像控的RTK等工具设备准备齐全;测区周边环境勘察确认测区大小、地物的疏密、航测范围起伏及坡度及预估测区最高地物等,并以此选取最佳起飞平台及进行航线规划参考;为了达到高精度测绘需求,航测区域需均匀布设像控点,像控至少三个以上;无人机硬件搭设,通讯测试,磁罗盘校准等准备完毕即可进行航线规划;航线囊括测区并外扩航高等距距离,设置相应航高,飞行速度及相机设置等;待确认航线设置正确,航线飞行安全即可进行航测飞行;航测结束后检查飞行数据质量并考取数据;

4.1.1 像控布设

像控布设需囊括测区并均匀分布,携带网络RTK功能及ppk功能无人机可根据实际情况减少50%-80%像控;像控布设以遵循标注清晰、视野开阔、均匀分布、覆盖测区、像控位置固定、像控布设在无高差平面上为原则;以外业无人机能清晰明显拍摄,内业能容易准确找到为标准。航测区域及对应像控布设如图5所示(如玉溪师范学院);像控点采集如图6所示:

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4.1.2 航线规划

航线规划主要以能获取到满足测绘需求和建模标准的测区影像及坐标数据为目的。正射航线需囊括测区;倾斜航线需在囊括测区下外扩行高距离,以满足测区边缘建模效果。航线规划一般主要包括航线设置、航点设置、相机设置等。需确认测区航线分布、行高确认、重叠率确认、速度设置、确认各个拍摄点或转弯点的状况;相机设置需确认飞机天气情况及相机参数等。图7为大疆精灵RTK航线规划部分界面及大疆M600航线规划部分界面:

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4.2 无人机航测内业介绍

无人机航测数据及pos数据整理好后进行航测数据处理。内业数据处理主要分为四部分:1、照片及pos导入;2、空三加密;3、像控点平差;4、模型构建。以下以国外常用软件Context Capture及国产软件Smart 3D为例。如图8、图9所示:

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4.3 实体三维模型数据采集

无人机航测数据通过处理得到带精确坐标的三维模型或DOM/DSM/DEM等数据,模型数据导入数据采集软件进行我们需求的测绘数据采集。通过在计算机上使用相应软件可采集到模型内任意所需求的坐标数据:如房地一体、道路交通、地形地貌、河湖条带、土方计算等;如图10为北京山维科技EPS地理信息工作站数据采集界面:

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5、无人机航测应用

无人机摄影测量提供测绘行业全方面的解决方案。涵盖大面积、小面积测绘需求;适用城市、乡村、农业、山林、矿山、河湖等地形测绘;摄影测量成果可生成DLG数据、基础地理信息数据、DOM/DEM/DSM数据、三维模型数据、空间地理信息及地物数据等测绘需求成果数据。测绘行业正由二维测绘进入三维测绘、由全外业测绘进入内外业结合测绘、由手动测绘进入计算机测绘。

如图11展示部分摄影测量应用场景:

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城乡摄影测量(昆明某城乡)

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乡村摄影测量(怒江某村庄)

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学校摄影测量(玉溪师范学院)

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城市房地摄影测量

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山形地貌摄影测量

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乡村房地摄影测量

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城市三维街景摄影测量

图11 部分摄影测量应用场景

6、总结

无人机摄影测量作为新时代测绘技术及手段,时至今日已趋近成熟,在地籍、道路、规划等测绘行业已能达到无人机航测1:500、1:1000、1:2000等大比例尺测绘需求。且大大减少了外业工作量,提高了测绘效率和质量。效率提高了几倍甚至是10倍以上。目前无人机摄影测量已全面走向社会需求,为测绘行业提供了新型、高效、精确的解决方案;测绘行业及技术已经历水准仪时代,全站仪时代,GPS RTK时代;而现在测绘正进无人机航测时代。

 

原文始发于微信公众号(草根水利):新时代无人机测量,是什么?

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  • 文本由 发表于 2020年9月24日18:22:10
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