CN101201248A - 基于无人机的航空近景摄影位移测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的航空近景摄影位移测量系统及其方法，涉及一种航空近景摄影位移测量技术。本系统包括无人机(1)、数码相机(2)、地面控制站(3)、微波发射器(4)、微波接收天线(5)、数据线(6)和计算软件(7)；在无人机(1)上装置有数码相机(2)和微波发射器(4)，通过微型模型无人机(1)的飞控板(1.1)连接；数据线(6)连接地面控制站(3)上的电脑串口(3.3)和微波接收天线(5)，计算软件(7)安装在地面控制站(3)的笔记本电脑(3.1)上。由于本发明可以避免传统位移测量的一些问题，适用于大位移大范围工程的位移测量，特别是通行困难或作业危险区域工程的位移测量。

Description

基于无人机的航空近景摄影位移测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种航空近景摄影位移测量技术，尤其涉及一种基于无人机(微型模型无人机)的航空近景摄影位移测量系统及其方法；具体地说，涉及人通行困难或者作业危险地区等大位移工程的非接触测量技术。

背景技术

位移测量是岩土工程安全性评价、施工控制与效果检验的重要手段。在通行困难或者作业危险的地方，比如：高陡边坡、矿山塌陷区，泥石流发生区域等，现有大多数位移测量技术耗时耗力，甚至无法实施。而卫星遥感、航空摄影测量等技术虽然不受场地条件限制，但测量精度较低，后者还受航空管制的影响。

无人机技术近年来迅速发展，并已经运用到民用生产领域。目前已有应用于土地资源调查、森林火灾调查的无人机系统，但是尚未有以无人机为平台的位移测量系统。

近景摄影测量早在20世纪80年代就应用于岩土工程的监测领域。经过多年的发展，目前，对于小范围的工程，测量精度已经达到工程要求；但是，对于大型的工程，特别是通行困难或者作业危险区域的工程，其使用就受到了一定的限制，而手持拍照往往会产生一些拍摄死角。

为了开发不受场地条件制约，又有较高精度且不受航空管制的高效、低成本位移测量技术，并利用无人机载体，提出了一种基于无人机的航空近景摄影位移测量系统及其方法的概念。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述缺点和不足，实现现有工程的要求，提供一种基于无人机的航空近景摄影位移测量系统及其方法。该系统及其方法适用于大变形工程的位移测量，特别适用于通行困难或者作业危险的工程的位移测量，同时还可以作为地质灾害调查、地质调查的辅助手段。

本发明的目的是这样实现的：

如图1，本发明包括无人机(1)、数码相机(2)、地面控制站(3)、微波发射器(4)、微波接收天线(5)、数据线(6)和计算软件(7)；

在无人机(1)上装置有数码相机(2)和微波发射器(4)，通过无人机(1)的飞控板(1.1)连接；数据线(6)连接地面控制站(3)上的电脑串口(3.3)和微波接收天线(5)，计算软件(7)安装在地面控制站(3)的笔记本电脑(3.1)上。

本发明的工作原理是：

无人机(1)在地面控制站(3)的遥控下，按照预先设定的航线实现距离地面50米左右的超低空飞行。在已有的地面地形的情况下，无人机(1)飞行高度可以与地面进行匹配，使得无人机(1)与地面的距离基本保持一致。监视图象通过微波发射器(4)和微波接收天线(5)传输和接收实时显示于地面控制站(3)的显示屏(3.2)上。可手动或者自动对目标区域进行拍照。利用部分已知点坐标，对拍摄的照片按照近景摄影测量的理论进行处理计算，得到目标区域未知点的三维坐标。将不同时期的照片所得的三维坐标进行比较，就可以得到该点的位移，通过差分的方法进而得到目标区域的表面位移。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、无需专用起降跑道，不受航空管制约束，场地适应性强，特别适用于地形条件复杂区域工程的位移测量。

2、该系统省时、省力且拍照没有死角。

3、位移测量效率高，监测区域大。

4、模型机小巧灵活，可实现地形匹配。

5、使用无人机比较安全，不会造成人员伤害。

总之，由于本发明可以避免传统位移测量技术的一些问题，适用于大位移大范围工程的位移测量，特别是通行困难或作业危险区域工程的位移测量。

附图说明

图1是本系统组成示意图；

图2是地面控制站示意图；

图3是数码相机与无人机的连接示意图；

图4是计算软件组成及其流程图。

其中：

1-无人机，1.1-飞控板，1.2-GPS，1.3-自稳平衡仪；

2-数码相机，2.1-镜头；

3-地面控制站，3.1-笔记本电脑，3.2-显示屏，3.3-电脑串口；

4-微波发射器；

5-微波接收天线；

6-数据线；

7-计算软件；

A-水平面；

B-相机平面与水平面的夹角，0≤B≤60度。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本实用新型进一步说明：

一、本系统结构

1、无人机(1)

如图1，在无人机(1)上安装有飞控板(1.1)、GPS(1.2)和自稳平衡仪(1.3)等飞行辅助设备和微波发射器(4)；航线通过地面站(3)导入无人机(1)。

该无人机(1)为电动，续航时间30分钟以上。

2、地面控制站(3)

如图2，地面控制站(3)为可以折叠的箱形，下面设置有笔记本电脑(3.1)，上方为显示屏(3.2)，并设置电脑串口(3.3)。

3、数码相机(2)与无人机(1)的连接

如图3，数码相机(2)通过在无人机(1)的机头或者机身开孔固定的方式与无人机(1)连接，数码相机(2)的镜头(2.1)或竖直朝下，或与水平面有0～60度的夹角。数码相机(2)通过飞控板(1.1)与微波发射器(4)连接，监视图像经微波发射器(4)发送到地面控制站(3)并显示在显示屏(3.2)上。

所述的飞控板(1.1)是一种无人机配套的电子集成芯片，实现无人机的自动飞行以及数据采集和中转等功能。

4、微波发射器(4)和微波接收天线(5)

微波发射器(4)工作频率从1040～1400MHz，可以无线、同步传输一路图像信号和一路数据信号。传输距离可以达到10Km以上。

微波接收天线(5)为微波发射器(4)配套设备。

微波发射器(4)和微波接收天线(5)有上市产品。

二、本系统使用方法

①调查目标区域的地形地貌情况，并测量部分比较明显的自然标记的三维坐标(局部坐标和大地坐标均可)。

②根据该目标区域的地形地貌特征，以及重点测量目标，预先通过地面控制站(2)在室内设定航线，航线是通过设定航点来实现的，航点信息为三维，包括经度、纬度以及高程。航线设定后通过电脑串口(3.3)输入无人机(1)。

③现场操作，检查电池电压，开机自检，自检正常后进行初始化，完成后读入航线。打开相机，调整好通讯频道，检查监视图象是否正常，若一切正常即可起飞。飞机采用抛掷起飞的方式，开始阶段用遥控控制，待飞行平稳后，GPS(1.2)导航按照航线飞行，自稳平衡仪(1.3)保证飞机平稳。航线可在飞行过程中根据实际情况手动实时调整。航迹自动保存，任务结束后，可以在地面控制站(2)的笔记本电脑(3.1)中回放航迹。无人机(1)在场地条件较好的地区可滑降，在场地条件恶劣、地形复杂的环境下可用伞降。

④无人机(1)在预定航线上超低空飞行(最低可距地面50m)，可通过遥控器手动拍照，或者按照程序自动拍摄照片，并将照片储存在相机卡内。拍照同时可以记录拍摄点的经度、纬度、高程、飞机俯仰角、飞机偏转角等信息。

⑤飞行中的经度、纬度、高程、飞机俯仰角、飞机偏转角等数据信息通过微波发射器(4)、微波接收天线(5)以及数据连线(6)，实时显示于地面控制站(2)的显示屏(3.2)和笔记本电脑(3.1)上，以便及时调整飞机姿态。

⑥相机监视图像通过微波发射器(4)、微波接收天线(5)以及数据连线(6)，实时显示于地面控制站(2)的显示屏(3.2)和笔记本电脑(3.1)上。同时可对监视图像录像，以避免不连续拍照导致的信息丢失。

⑦对不同时期拍摄照片按照近景摄影测量理论，进行处理计算比较，就可以计算出目标区域的位移。

三、本测量方法

如图4，本测量方法以无人机(1)为载体实现超低空飞行，以数码相机(2)为信息采集器件，用计算软件(7)按照近景摄影测量的方法对数码相机(2)拍摄的照片进行处理计算从而获取目标区域表面位移。

计算软件(7)包括照片前处理模块(7.1)、点位坐标量测模块(7.2)、影像匹配模块(7.3)、控制条件输入模块(7.4)、照片参数解算模块(7.5)、光束平差法解物方坐标模块(7.6)、位移分析模块(7.7)、误差分析模块(7.8)。

①照片前处理模块(7.1)主要对照片进行滤波去噪、影像纠正(以消除或减少运动拍照所产生的拖尾现象)、图象增强等处理。

②点位坐标量测模块(7.2)主要是测量并提取控制点和目标点在照片平面坐标系中的坐标。

③影象匹配模块(7.3)对出现同名控制点的照片进行分类管理。

④控制条件输入模块(7.4)主要是输入控制点已知坐标以及其他的控制条件方程。

⑤照片参数解算模块(7.5)利用分类后的照片和控制条件，用直接线性变换解法解算每张照片的内方位元素和外方位元素，并计算未知点物方坐标的初值。

⑥光束平差法解物方坐标模块(7.6)利用物方坐标初值以及照片的内、外方位元素按照光线束平差法计算目标区域未知点的三维坐标。

⑦位移分析模块(7.7)主要是对计算出的三维坐标进行管理，并根据不同时期照片所获得三维坐标的变化，确定未知点的位移；同时用差分的方法获得目标区域的表面位移并建模。

⑧误差分析模块(7.8)主要考虑照片质量、坐标量测、照片参数计算、光束平差法等计算过程确定该次测量的精度。

本测量方法包括下列步骤：

①照片前处理模块(7.1)、点位坐标量测模块(7.2)依次衔接得到数据信息像点坐标(7.9)；

②照片参数解算模块(7.5)的执行除了需要像点坐标(7.9)数据信息外，还需要影像匹配模块(7.3)和控制条件输入模块(7.4)两个独立操作模块的结果；

③光束平差法解物方坐标模块(7.6)与照片参数解算模块(7.5)衔接，其后续步骤为位移分析模块(7.7)和误差分析模块(7.8)。

具体地说：

照片前处理模块(7.1)对照片进行处理后，进入点位坐标量测模块(7.2)，量测控制点和目标点在照片平面坐标系的坐标值，得到像点坐标(7.9)数据信息；影像匹配模块(7.3)对照片按照同名控制点进行匹配分类，控制条件输入模块(7.4)把控制点物方坐标以及其他控制条件输入后，照片参数解算模块(7.5)按照直接线性变换解法计算照片的内外方位元素，以及目标点物方坐标的初值，光束平差法解物方坐标模块(7.6)利用照片的内、外方位元素以及控制点坐标、目标点物方坐标初值按照光线束平差法计算目标点的物方坐标，也就是目标点的三维坐标；位移分析模块(7.7)根据不同时期照片所计算的同一目标点的物方坐标的差值，确定该点的位移，并用差分的方法获得目标区域地面的位移；误差分析模块(7.8)考虑照片质量、坐标量测、照片参数计算、光束平差法等计算过程确定该次测量的精度。

Claims (5)

1.一种基于无人机的航空近景摄影位移测量系统，其特征在于：

包括无人机(1)、数码相机(2)、地面控制站(3)、微波发射器(4)、微波接收天线(5)、数据线(6)和计算软件(7)；

在无人机(1)上装置有数码相机(2)和微波发射器(4)，通过微型模型无人机(1)的飞控板(1.1)连接；数据线(6)连接地面控制站(3)上的电脑串口(3.3)和微波接收天线(5)，计算软件(7)安装在地面控制站(3)的笔记本电脑(3.1)上。

2.按权利要求1所述的一种基于无人机的航空近景摄影位移测量系统，其特征在于：

地面控制站(3)为可以折叠的箱形，下面设置有笔记本电脑(3.1)，上方为显示屏(3.2)，并设置电脑串口(3.3)。

3.按权利要求1所述的一种基于无人机的航空近景摄影位移测量系统，其特征在于：

数码相机(2)通过在微型模型无人机(1)的机头或者机身开孔固定的方式与无人机(1)连接，数码相机(2)的镜头(2.1)或竖直朝下，或与水平面有0～60度的夹角。

4.按权利要求1所述的一种基于无人机的航空近景摄影位移测量系统，其特征在于：

计算软件(7)包括照片前处理模块(7.1)、点位坐标测量模块(7.2)、影象匹配模块(7.3)、控制条件输入模块(7.4)、照片参数解算模块(7.5)、光束平差法求解物方坐标模块(7.6)、位移分析模块(7.7)、误差分析模块(7.8)。

5.一种基于无人机的航空近景摄影位移测量方法，其特征在于：

以无人机(1)为载体实现超低空飞行，以数码相机(2)为信息采集器件，用兵计算软件(7)按照近景摄影测量的方法对数码相机(2)拍摄的照片进行处理计算从而获取目标区域表面位移；包括下列步骤：

①照片前处理模块(7.1)、点位坐标量测模块(7.2)依次衔接得到数据信息像点坐标(7.9)；

②照片参数解算模块(7.5)的执行除了需要像点坐标(7.9)数据信息外，还需要影像匹配模块(7.3)和控制条件输入模块(7.4)两个独立操作模块的结果；

③光束平差法解物方坐标模块(7.6)与照片参数解算模块(7.5)衔接，其后续步骤为位移分析模块(7.7)和误差分析模块(7.8)。

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