CN110132238B - 用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法 - Google Patents

Abstract

本案涉及一种用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，根据目标区域的形状和面积，确定无人机航线及飞行高度，布控移动参考站，形成CORS基准站信号覆盖网；之后释放测绘无人机和地面伴随定位装置，采集照片和坐标、高程等信息，然后采用Smart3D技术将照片合成三维影像模型；对生成的三维影像模型表面按照规则的网格结构排布并提取采样点，通过采样点内插建立DEM；根据已知的地理高程信息，编为新的采样点内插并纠正；形成较高精度的地形影像数字高程模型；本发明采用地面伴随定位装置取代像控点或实物点，省去了人工布控像控点的麻烦，增加了定位点的布置密度，提高了测量精度，对目标区域中的部分特征点，精度可达1‑3cm。

Description

用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法

技术领域

本发明属于测绘领域，具体涉及一种用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法。

背景技术

数字高程模型(Digital Elevation Model),简称DEM。它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，是数字地形模型(Digital Terrain Model，简称DTM)的一个分支，其它各种地形特征值均可由此派生。

一般认为，DTM是描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化率等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生。

由于DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。如在工程建设上，可用于如土方量计算、通视分析等；在防洪减灾方面，DEM是进行水文分析如汇 水区分析、水系网络分析、降雨分析、蓄洪计算、淹没分析等的基础; 在无线通讯上，可用于蜂窝电话的基站分析等等。

我国在数字高程模型的发展上与发达国家相对落后，尤其是在广袤的西部地区，由于设备及具备先进测绘技术的专业测绘人员缺乏，无法为城市规划的决策者提供必要的支持，也无法在基础建设中提供海量的高精度测绘数据。另外，西部地区存在着大量的山区、戈壁、高原等地貌，传统的光学测量仪器测绘方法在进行外业作业时工作安全风险高、劳动量大、工作周期长、效率低、无法超视距，测绘精度受自然条件、频繁转换测站等影响较大，从而容易导致测绘人员对测绘目标区宏观地质、地貌认知不足、对工程地质条件把握出现偏差、对工程地质问题分析不透彻等问题。

测绘无人机的发展和成熟，恰恰适应西部地区大面积的测绘需求。尤其近些年来，小型无人机技术得到了突飞猛进地发展，具有成本低、人员安全风险低、超视距飞行、搭载技术设备多样性、操控简单、工作效能高等特点，目前大量应用于数字城市建设、工程地质勘察等领域。

以Smart3D为代表的三维影像技术可以通过简单的照片生成具有高分辨率的真实三维模型。近乎于没有任何限制的照片拍摄要求，通常可以在数分钟至数小时的时间内完成数据处理。可运算生成基于真实影像的超高密度点云，并以此生成基于真实影像位纹理的高分辨率实景真三维模型。三维影像模型精度等级可根据需求进行控制，三维影像模型中携带的地理坐标信息可以进行精确定位，并能对坐标信息进行读取，该技术与测绘无人机的结合，可大大提高测绘效率。

RTK（Real - time kinematic）载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的卫星定位测量方法，以前的静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了作业效率。

CORS系统，是利用多基站网络RTK技术建立的连续运行卫星定位服务综合系统(Continuous Operational Reference System，缩写为CORS)已成为GPS应用的发展热点之一。CORS系统是卫星定位技术、计算机网络技术、数字通讯技术等高新科技多方位、深度结晶的产物。CORS系统由基准站网、数据处理中心、数据传输系统、定位导航数据播发系统、用户应用系统五个部分组成，各基准站与监控分析中心间通过数据传输系统连接成一体，形成专用网络。最初的CORS系统是利用分布较为均匀的连续运行参考站进行单站控制，用户站从一个参考站的有效精度范围进入另一个参考站的精度范围，严格意义上讲是多 参考站常规RTK。如果要使精度优于3cm，需要在一个区域内密集的布设参考站，如果要求按一定精度覆盖整个区域，需要架设较多的CORS基准站。虽然在一个较大范围内满足了精度要求，但需要的投资也是巨大的，如果减小分布密度，系统提供的高精度范围则不能完全覆盖整个区域。CORS系统在南方部分经济发达城市已经得到广泛运用，但因其需要多个固定基准站才能形成全覆盖的高精度控制网，前期投入成本巨大，且需后期持续运营，因此，从投入产出比上来讲，人口分布相对较少的西部地区并不适合建设大规模、全覆盖的CORS系统。

有鉴于此，有必要提出一种快速高效的用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种可快速完成目标区域的地形影像数字高程模型建设的无人机测绘方法。

本发明的另一个目的是提供一种基于移动CORS平台的较高精度和效率的测绘方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，包括：

S1.根据目标区域的形状和面积，确定测绘无人机航线及飞行高度，布控移动参考站，形成参考站信号覆盖网；

在目标区域内，每隔100-1000m设置一个像控点；

S2.释放测绘无人机和地面伴随定位装置，所述地面伴随定位装置沿测绘无人机航线的几何中心线向前运动，地面伴随定位装置上载有RTK定位装置，还设有可被测绘无人机识别的定位标记点；所述RTK定位装置将运动过程中地面伴随定位装置的坐标和高程信息发送到移动参考站；

S3.移动参考站将RTK定位装置发送的坐标和高程信息解算成大地坐标数据，并将相应的大地坐标数据根据采集时间匹配至每一张测绘无人机所采集的二维照片，并根据每张二维照片中的定位标记点和像控点坐标，对二维照片进行标记排序；

S4. 以二维照片中地面伴随定位装置上的定位标记点和像控点的坐标和高程为参考点，采用Smart3D技术将标记过的二维照片按照坐标合成整体的三维影像模型；

S5.对生成的三维影像模型表面按照规则的网格结构排布并提取采样点，通过采样点内插建立DEM；所述规则的网格结构为正方形格网结构或正六边形格网结构；

S6.根据实地踏勘以及区域地质资料初步掌握目标区基本地理高程信息，对三维影像模型中不同地质细节进行解译和标记，将其编为新的采样点，并作为DEM误差纠正的依据，精确拟合内插至DEM中，生成地形影像数字高程模型。

所述测绘无人机记录每张二维照片的拍摄时间，所述地面伴随定位装置记录每个定位数据的发生时间，根据时间对每张二维照片和定位数据进行匹配。

所述S6中，所述地质细节包括不同的地貌或地质现象、重要高点和低点的坐标以及高程。

所述S1中，所述移动参考站为移动CORS基准站。

所述S1中，所述测绘无人机航线为直线或盘旋的曲线。

所述地面伴随定位装置每隔5-50米停驻一次；地形复杂时，可安排多个地面伴随定位装置进行接力式定位。

所述地面伴随定位装置为多旋翼无人机或全地形车。

每相邻的两个移动参考站的间隔为30-50km。

所述S1中，移动参考站采用直升飞机投放并由人工安装在目标区域内的高点上。

所述目标区域的测试任务完成后，拆除在后的1个或多个移动参考站，将其运送至新的目标区域并重新投放和安装，形成新的CORS基准站信号覆盖网。

本发明的用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，具有诸多优点：

1、采用带定位标记和RTK定位装置的地面伴随定位装置取代大部分像控点或实物点，大大减少了人工布控像控点或实物点所需要的时间，增加了定位点的布置密度，提高了测量精度；

2.整体精度达分米级，对目标区域中的部分特征点，如高点、低点、标记点等，精度可达1-3cm；

3、采用无人机测绘与CORS技术相结合，可高精度完成大面积地形影像数字高程模型测绘任务，可大幅度降低高山峡谷地区传统测绘方法面临的测绘人员野外工作安全风险，缩短野外工作时间，缩短测绘任务周期，大幅度提高工作效率；

4.采用三角形、四边形或矩阵移动组网技术，建立CORS网络，以较少的参考站进行大覆盖范围的测量作业；

5.快速、高效，投入人力和物力成本小，但同时对操作人员的业务水平要求也较高；

6.采用在三维影像模型的基础上提取采样点建立DEM的方法，可快速生成光滑DEM。

附图说明

图1为三个移动参考站形成的三角形CORS基准站信号覆盖网示意图；

图2为四个移动参考站形成的四边形CORS基准站信号覆盖网示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”，“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

一种用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，包括：

S1.根据目标区域的形状和面积，确定测绘无人机航线及飞行高度，布控移动参考站，形成参考站信号覆盖网；

在目标区域内，每隔100-1000m设置一个像控点；

S2.释放测绘无人机和地面伴随定位装置，所述地面伴随定位装置沿测绘无人机航线的几何中心线向前运动，地面伴随定位装置上载有RTK定位装置，还设有可被测绘无人机识别的定位标记点；所述RTK定位装置将运动过程中地面伴随定位装置的坐标和高程信息发送到移动参考站；

测绘无人机高空飞行，地面伴随定位装置沿地面运动；飞行过程中，将伴飞无人机的定位标记点控制在测绘无人机的摄像头视野中部区域；采用带定位标记和RTK定位装置的地面伴随定位装置取代像控点或实物点，减少了人工布控像控点或实物点所需要的时间，增加了参考点的布置密度，提高了测量精度；

S3.移动参考站将RTK定位装置发送的坐标和高程信息解算成大地坐标数据，并将相应的大地坐标数据根据采集时间匹配至每一张测绘无人机所采集的照片，并根据每张二维照片中的定位标记点和像控点坐标，对二维照片进行标记排序；

S4. 以二维照片中地面伴随定位装置上的定位标记点和像控点的坐标和高程为参考点，采用Smart3D技术将标记过的二维照片按照坐标合成整体的三维影像模型；

S5.对生成的三维影像模型表面按照规则的网格结构排布并提取采样点，通过采样点内插建立DEM；所述规则的网格结构为正方形格网结构或正六边形格网结构；采用在三维影像模型的基础上提取采样点建立DEM的方法，可快速生成光滑DEM；

S6.根据实地踏勘以及区域地质资料初步掌握目标区基本地理高程信息，对三维影像模型中不同地质细节进行解译和标记，将其编为新的采样点，并作为DEM误差纠正的依据，精确拟合内插至DEM中，生成地形影像数字高程模型。将实地踏勘所获得的精确但数量较少的数据内插至DEM中，并以此进行误差纠正，可提高生成的地形影像数字高程模型精度，提高其可靠性。

所述测绘无人机记录每张二维照片的拍摄时间，所述地面伴随定位装置记录每个定位数据的发生时间，根据时间对每张二维照片和定位数据进行匹配；

所述S6中，所述地质细节包括不同的地貌或地质现象、重要高点和低点的坐标以及高程。

所述S1中，所述移动参考站为移动CORS基准站。移动CORS基准站形成的信号网络覆盖可以RTK定位装置提供较高的实时定位精度，给保证测绘质量。

所述S1中，所述测绘无人机航线为直线或盘旋的曲线。测绘无人机航线为盘旋的曲线时，一方面可以给地面伴随定位装置充足的移动至下一停驻点的时间，另一方面可以使测绘无人机从不同角度对相同的局部区域进行多角度拍摄，有利于提高生成的三维影像模型精度和捕捉更多的局部细节。

所述地面伴随定位装置每隔5-50米停驻一次；地形复杂时，可安排多个地面伴随定位装置进行接力式定位。地面伴随定位装置时，有利于提高RTK定位装置实时反馈的坐标精度，停驻的次数越多，所获得数据的整体可靠性就越高；对于部分落差较高的山谷地区，全地形车有时也难以胜任，此时可采用无人机操作或在全地形车可以行使的路段设置多个地形车，以接力的形式依次移动。

所述地面伴随定位装置为多旋翼无人机或全地形车；可在各种地形条件下方便的移动。

每相邻的两个移动参考站的间隔为30-50km。一般而言，单个CORS基准站的信号覆盖范围为30km，本发明中，每个移动参考站的间隔为30-50km，可以保证信号的不间断交叉覆盖，减少误差和周跳。

所述S1中，移动参考站采用直升飞机投放并由人工安装在目标区域内的高点上。

所述目标区域的测试任务完成后，拆除在后的1个或多个移动参考站，将其运送至新的目标区域并重新投放和安装，形成新的CORS基准站信号覆盖网。移动参考站在完成测绘后回收，因为架设固定CORS基准站投入较大，在人口分布较少的地区设置并不经济；本发明中采用三角形、四边形或矩阵移动组网技术，建立CORS网络，以较少的参考站进行大覆盖范围的测量作业，可减少投入成本。

实施例2

如图1所示，对中部某省一丘陵地区进行测绘，测绘区域南北长约8km，东西长约6km，将其沿东西向分为3块长约8km，宽约2km的测绘区域1，每个测绘区域划定一条带有盘旋曲线（如图中箭头所示盘旋方向）的测绘无人机航线2，采用有人驾驶的全地形车作为地面伴随定位装置搭载平台。

经过初步测算，测绘无人机飞行高度600m即可满足测绘的视野要求；在测绘无人机航线附近的高点上，每隔100-500m，人工设置一像控点。

光照充足，无降雨，风力小于四级时，操作人员派出直升飞机在峡谷两侧的山峰上设置a、b、c共3个移动参考站，形成三角形CORS基准站信号覆盖网3。

释放测绘无人机，与此同时，全地形车开动，沿测绘无人机航线的几何中心线向前运动，每隔30m停驻一次，2s后继续前行。

按照实施例1中所述方法，测绘无人机飞行过程中，连续发送照片到远程终端，全地形车上的RTK定位装置将飞行时的坐标和高程信息发回移动参考站，经过解算后的数据传送至远程终端，数据和照片经过匹配后，采用Smart3D技术处理得到三维影像模型；

对生成的三维影像模型表面按照规则的网格结构排布并提取采样点，通过采样点内插建立DEM；所述规则的网格结构为正方形格网结构；

根据前期实地踏勘以及区域地质资料初步掌握目标区基本地理高程信息，对三维影像模型中不同地质细节进行解译和标记，将其编为新的采样点，并作为DEM误差纠正的依据，精确拟合内插至DEM中，生成地形影像数字高程模型。

实施例3

如图2所示，对东部某省一狭长的沿河4区域进行测绘，该区域长约60km，宽约1.2km，测绘无人机飞行高度设置为520米即可满足测绘视野要求；沿河流划定一条测绘无人机航线5。以在河中的汽艇作为RTK定位装置搭载平台，汽艇上设有定位标记点。

光照充足，无降雨，风力小于四级时，操作人员派出直升飞机沿河两岸高点设置d、e、f 、g共4个移动参考站，形成四边形CORS基准站信号覆盖网6，释放测绘无人机，与此同时，汽艇沿河流以80km/s连续平稳运动。

在实施例2方法的基础上，完成地形影像数字高程模型。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (8)

1.一种用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，其特征在于，包括：

S1.根据目标区域的形状和面积，确定测绘无人机航线及飞行高度，布控移动参考站，形成参考站信号覆盖网；

在目标区域内，每隔100-1000m设置一个像控点；

S2.释放测绘无人机和地面伴随定位装置，所述地面伴随定位装置沿测绘无人机航线的几何中心线向前运动；地面伴随定位装置上载有RTK定位装置，还设有可被测绘无人机识别的定位标记点；所述RTK定位装置将运动过程中地面伴随定位装置的坐标和高程信息发送到移动参考站；

S3.移动参考站将RTK定位装置发送的坐标和高程信息解算成大地坐标数据，并将相应的大地坐标数据根据采集时间匹配至每一张测绘无人机所采集的二维照片，并根据每张二维照片中的定位标记点和像控点坐标，对二维照片进行标记排序；

S4.以二维照片中地面伴随定位装置上的定位标记点和像控点的坐标和高程为参考点，采用Smart3D技术将标记过的二维照片按照坐标合成整体的三维影像模型；

S5.对生成的三维影像模型表面按照规则的网格结构排布并提取采样点，通过采样点内插建立DEM；所述规则的网格结构为正方形格网结构或正六边形格网结构；

S6.根据实地踏勘以及区域地质资料初步掌握目标区域 基本地理高程信息，对三维影像模型中不同地质细节进行解译和标记，将其编为新的采样点，并作为DEM误差纠正的依据，精确拟合内插至DEM中，生成地形影像数字高程模型；

所述地面伴随定位装置每隔5-50米停驻一次；地形复杂时，可安排多个地面伴随定位装置进行接力式定位；

所述地面伴随定位装置为多旋翼无人机或全地形车。

2.如权利要求1所述的用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，其特征在于，所述测绘无人机记录每张二维照片的拍摄时间，所述地面伴随定位装置记录每个定位数据的发生时间，根据时间对每张二维照片和定位数据进行匹配。

3.如权利要求1所述的用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，其特征在于，所述S6中，所述地质细节包括不同的地貌或地质现象、重要高点和低点的坐标以及高程。

4.如权利要求1所述的用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，其特征在于，所述S1中，所述移动参考站为移动CORS基准站。

5.如权利要求1所述的用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，其特征在于，所述S1中，所述测绘无人机航线为直线或盘旋的曲线。

6.如权利要求4所述的用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，其特征在于，每相邻的两个移动参考站的间隔为30-50km。

7.如权利要求1所述的用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，其特征在于，所述S1中，移动参考站采用直升飞机投放并由人工安装在目标区域内的高点上。

8.如权利要求7所述的用于地形影像数字高程模型的无人机测绘方法，其特征在于，所述目标区域的测试任务完成后，拆除在后的1个或多个移动参考站，将其运送至新的目标区域并重新投放和安装，形成新的CORS基准站信号覆盖网。

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