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无人机技术在大比例尺地形图中的应用.rar

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    无人机 技术 比例尺 地形图 中的 应用
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    编号:10009410402南阳师范学院 2014 届毕业生毕业论文(设计)题 目: 无人机技术在大比例尺地形图中的应用 完 成 人: 宋晓廷 班 级: 2010-04 学 制: 4 年 专 业: 测绘工程 指导教师: 申 真 完成日期: 2014.4.17 目 录摘要 ......................................................................(1)0 引言 ....................................................................(1)1 传统大比例尺地形图测绘 ................................................(1)2 无人机航空摄影实施方案 ...............................................(2)2.1 航空摄影 .............................................................(2)2.2 相片控制测量 .........................................................(2)2.2.1 像片控制点布设方案 ...............................................(2)2.2.2 控制点标志和编号 .................................................(3)2.2.3 像片控制点点位要求 ...............................................(3)2.2.4 像片控制点测量要求 ...............................................(3)2.2.5 像片控制点观测 ...................................................(3)2.3 空中三角测量 .........................................................(4)2.3.1VirtuoZo AAT......................................................(5)2.3.2PATB..............................................................(5)2.3.3Photoshop.........................................................(5)2.4 航测内业采集与调绘 ...................................................(5)2.5 地形图数据编辑 .......................................................(6)3 无人机航空摄影实验 ....................................................(7)3.1 实验的作业依据 .......................................................(7)3.2 数据源及预处理 .......................................................(7)3.2.1 数据源 ...........................................................(7)3.2.2 遥感影像预处理 ...................................................(7)3.3 无人机航测总体作业流程 ...............................................(8)3.3.1Canon EOS.........................................................(8)3.3.2 遥感影像预处理 ...................................................(8)3.4 无人机航空摄影 .......................................................(8)3.5 像片控制测量 .........................................................(8)3.5.1 像控点精度要求 ...................................................(8)3.5.2 像控点布点方案 ...................................................(9)3.6 空中三角测量 .........................................................(9)3.7 数据采集 .............................................................(9)3.8 实验精度报告 ........................................................(10)4 结论及展望 ............................................................(10)参考文献 ................................................................(10)Abstract..................................................................(11)第 0 页 共 14 页无人机技术在大比例尺地形图中的应用作 者:宋晓廷指导老师:申 真摘 要 :无人机航摄系统是以无人机为飞行平台,以影像传感器为任务设备的航空遥感影像获取系统。通过对无人机在大比例尺地形图测绘的技术研究,用试验进行验证并阐述其在大比例尺地形图测绘中的应用。关键词 :无人机 ;影像传感器 ;航空摄影 ;地形图测绘0 引言随着计算机技术的快速发展和广泛应用,现代航空摄影测量过程中,已经用内业处理代替了过去大部分的繁琐的外业测量,近几年来,无人机遥感平台以其灵活便捷成本低廉等独特的技术优势已经广泛应用于各个领域中,尤其在测绘领域更是得到了空前的大发展,并逐渐成为提升测绘应急服务保障能力的重要手段。作为传统航空摄影测量手段的有力补充,无人机遥感平台已经成功应用于灾害应急处理国土监察资源开发等方面。但是,受多种因素的影响,目前国内无人机遥感平台主要以影像地图的快速获取为主,很少涉及基本比例尺地形图测绘任务,尤其是大面积复杂地区的地形图测绘。本文针对无人机在大比例尺地形图测绘中的成功应用情况进行介绍,就作业中的技术关键点进行重点阐述,并提出了无人机遥感平台在大范围地形图测绘方面的技术改进方向。1 传统大比例尺地形图测绘传统的图解法测图主要有大平板仪测图法、小平板仪测图法及经纬仪与小平板仪联合测图法等,它主要采用解析法和极坐标法测图,主要是通过手工操作,外业人工记录、人工绘制地形图;并且在图上人工量算坐标、距离和面积等,但由于其成图周期长、精度低、劳动强度大等局限逐渐被淘汰。下面详细介绍一下小平板仪与经纬仪联合测图方法:(1) 小平板仪安置小平板仪安置在测点 A 上,在小平板上的位置为 a。(2) 经纬仪安置经纬仪安置在旁约 1-2m 处的 B 点,整平后量取 AB 的水平距离、仪器高第 1 页 共 14 页i,并求 AB 的高差 hAB,则 B 点的高程 HB=HA+hAB。(3) 图上标定方向在小平板上画 ab 方向线,按测图比例尺将 B 点的位置绘在小平板上得 b点;瞄准碎部点 p,在小平板上画出方向线 ap。(4) 视距测量用视距测量方法获得 BP 的水平距离和高差;推算 P 点的高程 HP=HB+hBP。(5) 图上标定点用分规按测图比例尺自图上的 b 点量 BP 长度与 ap 方向线相截得 p 点, p点就是碎部点 P 在图上的相应位置; P 点的高程注记。重复(3)、(4)、(5),至一个测站完成。2 无人机航空摄影实施方案2.1 航空摄影根据技术设计书要求和测区地形条件进行航摄区划分与航线设计,制定数据采集法。(1) 测区资料收集分析、踏勘、设计;(2) 无人机航空摄影测量数据采集与处理。2.2 像片控制测量2.2.1 像片控制点布设方案1:1000、1:2000 地形图区域平面高程均采用区域网布点。平面航向基线跨度小于 7 条基线、旁向相邻航线跨度小于 5 条航线;高程航向基线跨度小于 4条基线、旁向相邻航线跨度小于 3 条航线。(如图 1 所示)第 2 页 共 14 页图 1 相片控制点布设方案图2.2.2 控制点标志和编号在建城区像片控制点应在水泥地面及岩石上用油漆做好标记,非建城区及土质地面的控制点采用 3cm×3cm×25cm 木桩打入地面,并在实地和像片上做好统一编号。编号由字母 P 加数字序组成:“P1001、P1002、P1003......” 、“P2001、P2002、P2003......” 、 “P3001、P3002......”......2.2.3 像片控制点点位要求(1) 点位在影像上目标清晰、易于判别。(2) 点位应尽量选择在明显的、固定的地物上,线状地物交汇角一般应在 20o~90 o之间。 (3) 点位易于到达和放置仪器,视野开阔。(4) 点位应尽量公用,一般布设在航向及旁向 6 片或 5 片重叠范围内。(5) 自由图边、待成图边的图边像控点应布出图廓线外。(6) 建议区域网四角像控点布设双点。2.2.4 像片控制点测量要求像片控制点测量按《1:500、1:1000、1:2000 地形图航空摄影测量外业规范》相应要求执行。应采用数码相机记录控制点点位在实地的位置。2.2.5 像片控制点观测(1) 像片控制点测量采用 连续运行卫星定位综合服务系统(CORS)进行观测,CORS 中心统一解算。(2) 观测要求按《国土资源厅测绘院网络 RTK 作业指导规程》GDCHY04-7-第 3 页 共 14 页03 执行。按该《规程》的说明,在能够应用网络 RTK 定位技术的区域,其定位精度基本能够达到以下的精度指标:平面点位精度 =50mm;高程点位精度Mo=50mm。Mo满足 GB/T 7931-2008《1:500、1:1000、1:2000 地形图航空摄影测量外业规范》像片平面控制点相对于附近基础控制点的平面位置中误差不超过图上±0.12 毫米,高程控制点相对于附近基础控制点的高程中误差不超过 1/10 基本等高距的要求。(3) 技术要求网络 RTK 观测的基本条件要求(如表 1)表 1 网络 RTK 观测的基本条件要求表观测窗口状态 卫星数 卫星高度角 PDOP 值良好窗口 ≥5 20º 以上 ≤5勉强可用的窗口 4 15º 以上 ≤8不能观测的窗口 ≤3(4) 观测要求观测次数、初始化次数和历元数的要求(如表 2)表 2 观测次数、初始化次数和历元数的要求表等级 观测次数(不同时段) 每次观测初始化次数 每次初始化观测历元网络 RTK 图根 1 2 50注:采样间隔为 1 秒。① 每点均须使用三脚架架设仪器且量取仪器高两次,两次读数不大于 3毫米,取中数输入 GPS 接收机中。数据采集过程须按照《实时定位观测记录表》的相关要求填写观测记录。② 观测员在作业期间不得擅自离开测站,并应防止仪器受震动和被移动,防止人为和其它物体靠近天线,遮挡卫星信号。③ 接收机在观测过程中不应在接收机近旁使用对讲机或手机;雷雨过境时应关机停测,并取下天线,以防雷电。④ 两次初始化成果须野外比对结果,比对值为两次初始化采集的最后一个历元的空间坐标,较差必须小于 Mo;不符合时,加测一次。取较差满足精2第 4 页 共 14 页度要求的两次作为观测成果。如果三次较差均超出精度指标,则在其他时间段重新观测。所有观测数据、记录均需要保留,作为对测区成果稳定性、可靠性的考察。2.3 空中三角测量测区数据种类及来源⑴ 数据种类:数码量测相机拍摄的.tif 影像⑵ 数据来源:⑶ 影像是由大飞机搭载的数码量测相机拍摄的;控制点文件由外业实际测量得来,使用的是莱卡 GPS;⑷ 空三加密的软件支撑。2.3.1 VirtuoZo AAT适普公司推出的空中三角测量系统 VirtuozoAAT-Patb,利用了 VirtuoZo数字摄影测量系统的核心技术-世界上最先进、速度最快的影像匹配算法,形成了一个功能强大、高效、快速、自动化程度高的自动空中三角测量系统。它具有全自动内定向,自动识别和转刺连接点,半自动量测控制点,自动构建区域网,可与多种区域网平差软件建立接口,以及加密成果自动整理等先进功能 [2]。2.3.2 PATBPATB 是世界上最着名、应用最广泛的光束法区域网平差软件包。由于采用了理论上最严密、可补偿系统误差的自检校光束法平差算法,同时加入了先进实用的粗差检测算法,因而可获得高精度的平差结果,并具有高效的粗差检测功能。其它特点包括:一个测区可采用多种不同的摄影机,进行机载 GPS 数据的联合平差,适应交叉航线等各种航摄资料等。2.3.3 PhotoshopPhotoshop 可分为图像编辑、图像合成、校色调色及特效制作部分。主要是完成对照片实物还原、修饰、拼接等工作,即主要应用图像编辑与校色调色功能。图像编辑是图像处理的基础,可以对图像做各种变换如放大、缩小、旋转、倾斜、镜像、透视等。也可进行复制、去除斑点、修补、修饰图像的残损等。校色、调色是 photoshop 中较为常用的功能之一,可方便快捷地对图像的颜色进行明暗、色编的调整和校正,也可在不同颜色进行切换以满足图像在不同领域如网页设计、印刷、多媒体等方面应用。第 5 页 共 14 页2.4 航测内业数据采集与调绘此次航摄采用 CKGY 型无人机双拼相机系统,飞行平台为固定翼单发弹射型无人机,其特点为:⑴ 有效巡航时间大于 1.5h,能完成测区内 2 个航摄分区的航摄任务。由于测区内的 2 个航摄分区航高不同,为能实现一个飞行架次完成所有航摄任务,采用了变高飞行,即在完成第 1 个摄区的航摄任务后,设定缓冲航线将无人飞机降到第 2 个摄区的高度,再继续进行航摄。⑵ 弹射起飞,伞降回收。发射和回收系统能在复杂地区方便地找到合适的起降场地,有效地扩大了无人机航摄的使用范围。⑶ 双拼相机系统。双相机系统采用 2 个佳能 5DMarkII 数码相机,按一定的角度组合在一起,同步曝光所得的 2 张影像纠正后形成 1 张拼接影像。拼接后影像较单相机获取的影像覆盖范围更广,基线长度更长,有效地增加了基高比,提高了立体测量的高程量测精度。表 3 航摄技术参数表/m分区 航带 地面分辨率高平均面低平均面平均平面相对航高绝对航高最小航向重叠度(Px)最小旁向重叠度Py)基线长度航线间隔一分区1.2.3 0.20 1250 900 1050 750 1900 64% 25% 250 750二分区4.5.6.7.8 0.20 1650 1250 1400 750 2200 66% 30% 250 8402.5 地形图数据编辑经过外业像片控制点测量、内业空三加密后,利用立体测图三维矢量数据构 TIN 生成 DEM,利用该 DEM 和空三成果微分纠正得到单片正射影像。正射影像经过拼接、匀色、镶嵌、影像处理、图幅裁切后得到 DOM 成果。经数据加工处理,将立体测图数据符号化后叠加 DOM,按设计要求生成调绘片并进行晒印,依据晒印的调绘片完成外业补测、调绘、平面位置和高程注记检测等工作。经检查 1∶2000DLG(如图 2 所示)和 1∶2000DOM(如图 3 所示)套合精度良好,图面较为清晰,无明显拉花、拼痕等问题。由于 CQCORS 在大范围内的有效覆盖,第 6 页 共 14 页可以同步实施基础控制点测量与地物和地貌等特征点的检查。对立体测图成果按照外业调绘成果进行属性录入、图面编辑处理等操作,将基础控制点上图,经专职人员检查整理后,提交最终成果正射影像总图(如图 4 所示) 。图 2 1 ∶ 2 000 数字线划图 图 3 1 ∶ 2 000 正射影像图图 4 正射影像总图3 无人机航空摄影实验3.1 实验的作业依据 本项目依据国家标准规范 GB/T 7931-2008、GB/T 7930-2008 及GB/T 23236-2009 和无人机航测指导性文件 CH/Z 3005-2010、CH/Z3004-2010和 CH/Z 3003-2010 等。 3.2 数据源及预处理 3.2.1 数据源 本测区选用无人机航空摄影获取到的一套真彩色影像,航摄面积为 53 平方公里。航摄仪采用 Canon EOS 5DMarkⅡ,焦距为:35mm,相幅大小为:
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