CN112414368B - 微型无人机辅助的三角高程测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型无人机辅助的三角高程测量方法。本发明针对三角高程测量中全站仪与目标棱镜之间需通视这一问题，通过多台全站仪照准微型无人机所悬挂的目标棱镜，则能够突破测站通视条件的限制，有助于进一步提高三角高程测量的效率，在通视不便的区域快速地进行高程的传递。这对于提高工程建设的效率也有着重要的意义。

Description

微型无人机辅助的三角高程测量方法

技术领域

本发明属于工程测量领域，具体涉及一种微型无人机辅助的三角高程测量方法。

背景技术

三角高程测量是工程测量中的一种重要的高程测量方法，其测量精度略低于高等级的水准测量，在山地区域、跨河和跨海等高程传递中发挥了重要作用。目前三角高程测量技术得到了许多改进，其测量精度也得到了提高，但是全站仪与目标棱镜之间需通视仍然为三角高程测量带了一些不便。如果能够借用GNSS测量中无需接收机之间通视的思想，通过全站仪照准微型无人机所悬挂的目标棱镜，则能够突破测站通视条件的限制，有助于进一步的提高三角高程测量的效率，在通视不便的区域快速的进行高程的传递。这对于提高工程建设的效率也有着重要的意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种微型无人机辅助的三角高程测量方法，包括了微型无人机、360°棱镜以及两台全站仪等构建的三角高程测量。利用微型无人机悬挂360°棱镜，飞至遮挡区域的上空，两台全站仪分别固定在微型无人机两侧的测站上，全站仪对中整平，并设置成相同的时间，调整微型无人机使与两台全站仪水平距离大致相等，两台全站仪同时照准空中的360°棱镜进行同步观测，可以得到各自的斜距与竖直角，根据三角高程测量的基本原理，可以得到两站点间的高差，以此来实现高程的传递。

为了实现上述目的，本发明提供的微型无人机辅助的三角高程测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)无人机辅助三角高程测量流程：

(1.1)无人机加载360°棱镜改装：

由微型无人机、360°棱镜以及两台全站仪构建的三角高程测量，利用微型无人机悬挂360°棱镜，飞至遮挡区域的上空，两台全站仪A、B分别固定在微型无人机两侧的测站上，全站仪对中整平，并设置成相同的时间，调整微型无人机使与两台全站仪距离相等然后悬停；

(1.2)两台全站仪同时照准空中目标：

准备就绪后通过对讲机确认，两台全站仪分别照准空中的360°棱镜，设置成自动跟踪测量模式，时间间隔0.1秒，然后按下“开始”键；

(1.3)改变无人机高度，多次测量确保可靠性：

所测数据自动存储，得到各自测得的斜距与竖直角，最终以两台全站仪测得的时间一致、角度平稳的数据为一组，通过求它们高差的平均值来提高精度，这样可以得到一个最终的高差值，以此来实现高程传递；同时将调整微型无人机的高度，测试不同高度下的高程传递效果；

(2)无人机辅助三角高程测量系统误差改正，包括以下：

(2.1)地球曲率改正；

针对地球曲率对微型无人机辅助三角高程测量的影响，参照普通水准测量保持前后视距大致相等的原理，令悬挂360°棱镜的微型无人机处于两台全站仪的中间位置来削弱地球曲率的影响；

(2.2)大气折光改正；

对于大气折光的影响，操作悬挂360°棱镜的微型无人机分别处于不同的高度，全站仪对其进行照准观测来削弱大气折光影响，必要时将微型无人机悬挂传感器测量飞行路径上气象参数如气温、气压来估计大气折光系数；

(3)基于无人机稳定性的同步观测窗口确定：

针对同步观测时无人机稳定性的这一情况；测量时，将两台全站仪时钟调至同步，并设置成自动跟踪测量模式，时间间隔0.1秒，然后按下“开始”键；所测数据自动存储，得到各自测得的斜距与竖直角，最终以两台全站仪测得的时间一致、角度平稳的数据为一组，算得它们高差的平均值作为最终的高差值，以此来实现高程的传递，能有效的抵消掉因无人机抖动对同步观测的影响，达到同步观测的目的；

(4)无人机辅助三角高程测量的高差计算：

在两台全站仪测得数据中，选择3个相连的时间一致、角度平稳数据为一组，来算它们高差的平均值作为最终的高差值；具体计算步骤如下：

高差Hab:

Hab1＝S1×sinα1+i1-S2×sinα2-i2；

Hab2＝S1'×sinα1'+i1-S2'×sinα2'-i2；

Hab3＝S1”×sinα1”+i1-S2”×sinα2”-i2；

Hab＝(Hab1+Hab2+Hab3)÷3；

(5)与普通水准测量结果的对比：

最后将微型无人机处于不同高度所求得各高差值与普通水准测量的高差值进行比较，并对效果进行评定。

作为优选方案，所述360°棱镜悬挂于微型无人机上，作为公共的测量点，同时也是两台全站仪进行角度、距离测量时的照准目标；

所述两台全站仪，分别位于微型无人机的两侧的测站上，通过对微型无人机上360°棱镜的测量，获得距离和角度测量值；

所述微型无人机，飞行至两测站之间，调整其位置使之到两台全站仪的水平距离相等然后悬停便于全站仪进行观测；

两台全站仪在无法通视的两点同时照准空中的棱镜目标进行同步观测，以此来抵消微型无人机悬停抖动带来的误差。

进一步地，调整两台全站仪的时钟至同步，利用微型无人机悬挂360°棱镜，飞至遮挡区域的上空，两台全站仪分别固定在微型无人机两侧的测站上，全站仪对中整平，调整微型无人机使与两台全站仪的水平距离相等然后悬停，准备就绪后通过对讲机确认，两台全站仪A、B瞄准360°棱镜进行同步观测及记录；为了提高高程传递的可靠性，调整微型无人机的飞行高度进行多次观测；利用所观测的斜距和竖直角进行高差计算，具体步骤包括：

Ⅰ.已知A点的高程为H_a，欲求B点高程H_b：

将一台全站仪安置在A点，另一台全站仪安置在B点，同时照准目标点M；前者测得的竖直角α₁，A到M的距离为S₁，量取的全站仪高i₁；后者测得的竖直角α₂，B到M的距离为S₂，量取的全站仪高i₂；

则高差h_ab为：

Hab＝S1×sinα1+i1-S2×sinα2-i2；

B点的高程为：

H_b＝H_a+h_ab；

Ⅱ.地球曲率及大气折光改正：

针对地球曲率对微型无人机辅助三角高程测量的影响，运用普通水准测量保持前后视距相等的原理，令悬挂360°棱镜的微型无人机处于两台全站仪的中间位置来削弱地球曲率的影响；对于大气折光的影响，操作悬挂360°棱镜的微型无人机分别处于不同的高度，全站仪对其进行照准观测来削弱大气折光影响，必要时微型无人机悬挂传感器测量飞行路径上的气象参数来估计大气折光系数；所述气象参数包括气温和气压。

本发明的工作原理如下：

本发明的方法通过微型无人机、360°棱镜以及两台全站仪等构建的三角高程测量，利用微型无人机悬挂360°棱镜，飞至遮挡区域的上空，两台全站仪分别固定在微型无人机两侧的测站上，全站仪对中整平，并设置成相同的时间，调整微型无人机使与两台全站仪距离大致相等然后悬停，两台全站仪分别照准空中的360°棱镜，设置成自动跟踪测量模式，时间间隔0.1秒，并按下“开始”键。所测数据自动存储，可以得到两台全站仪各自测得的斜距与竖直角，在所测得的数据中，选择3个相连的时间相近、角度平稳的数据为一组，通过求它们高差的平均值来提高精度，这样可以得到一个最终的高差值，以此来实现高程的传递。

上述微型无人机用于不通视的高层建筑、山地等区域，飞行至不通视区域的上空，方便两台全站仪的观测；上述360°棱镜悬挂于飞行器上，作为公共的测量点，同时也是两台全站仪进行角度、距离测量时的照准目标；上述两台全站仪，分别位于微型无人机的两侧的测站上，通过对飞行器上360°棱镜的测量，获得距离和角度测量值；上述两台全站仪安置在微型无人机两侧的测站上，调整微型无人机使与两台全站仪的水平距离大致相等然后悬停便于全站仪进行观测；上述两台全站仪在存在遮挡的两点同时照准空中的棱镜目标进行同步观测，以此来抵消微型无人机因抖动而产生的误差影响；选取两台全站仪测得的时间一致、角度平稳的数据为一组，通过求它们高差的平均值，以此来削弱测量误差。

本发明的优点及有益效果如下：

针对三角高程测量全站仪与目标棱镜之间需通视这一问题，本发明的技术方案通过多台全站仪照准微型无人机所悬挂的目标棱镜，则能够突破测站通视条件的限制，有助于进一步的提高三角高程测量的效率，在通视不便的区域快速的进行高程的传递。这对于提高工程建设的效率有着重要的意义。

附图说明

图1是本发明的微型无人机辅助三角高程测量的技术路线图。

图2是本发明的微型无人机三角高程测量示意图。

图3是本发明的微型无人机悬挂360°棱镜装置。

图4是本发明的徕卡LS15高精度数字水准仪测量图示。

图5是本发明的徕卡TS60全站仪测量图示。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明微型无人机辅助的三角高程测量方法，采用包括微型无人机、360°棱镜以及两台全站仪等装置。

本发明的方法与装置的使用：利用微型无人机悬挂360°棱镜，飞至遮挡区域的上空，两台全站仪分别固定在微型无人机两侧的测站上，全站仪对中整平，并设置成相同的时间，调整微型无人机使与两台全站仪距离大致相等，准备就绪后通过对讲机确认，两台全站仪A、B开始进行同步观测，以两台全站仪测得的时间一致、角度平稳的数据为准，得到各自的斜距与竖直角，根据三角高程测量的基本原理，得到两站点间的高差，实现高程的传递。具体步骤如下：

(1)已知A点的高程为H_a，欲求B点高程H_b；将一台全站仪安置在A点，另一台全站仪安置在B点，同时照准目标点M；前者测得的竖直角α₁，A到M的距离为S₁，量取的全站仪高i₁；后者测得的竖直角α₂，B到M的距离为S₂，量取的全站仪高i₂；

则高差h_ab为：

Hab＝S1×sinα1+i1-S2×sinα2-i2

B点的高程为：

H_b＝H_a+h_ab

(2)地球曲率、大气折光等改正

针对地球曲率对微型无人机辅助三角高程测量的影响，类似于普通水准测量保持前后视距大致相等的原理，令悬挂360°棱镜的微型无人机大致处于两台全站仪的中间位置来削弱地球曲率的影响；对于大气折光的影响，操作悬挂360°棱镜的微型无人机分别处于不同的高度，全站仪对其进行照准观测来削弱大气折光影响，必要时微型无人机可悬挂传感器测量飞行路径上的气温、气压等气象参数来估计大气折光系数。

试验方案

本次试验时间为2020年9月30日，天气晴。在操场某一位置确定一个测站点A，然后在距离测站点A大约200m的地方确定一个测站点B，先进行普通水准测量，测得A、B站点的高差。再进行微型无人机辅助的三角高程测量，测得A、B站点的高差。将两次测得的高差值进行比较，并对试验效果进行评定。

一、所需设备

1、普通水准测量的设备：一台徕卡LS15水准仪，一个三脚架，两个水准尺。

2、微型无人机辅助的三角高程测量的设备：两台徕卡TS60全站仪，两个三脚架，一台大疆M600多旋翼无人机，一个徕卡360°棱镜，三部对讲机。

二、操作方法及数据的记录

2、照准目标的安装

将徕卡360°棱镜固定在大疆M600多旋翼无人机底部并使之保持稳定(如图3)。

2、普通水准测量高差确定

利用徕卡LS15高精度数字水准仪(0.2mm/km)确定A、B站点的高差为1.12606m(如图4所示)。

3、微型无人机辅助的三角高程测量的操作方法及数据的记录

已知A、B站点，将两个三脚架分别由两人架设在A、B点，并将两台徕卡TS60全站仪(0.5”，0.6mm+1ppm)在测站点进行对中整平，设置两全站仪时钟同步。再由一人操控悬挂360°棱镜的微型无人机飞至空中并保持与A、B站点的水平距离大致相等然后悬停，准备就绪后通过对讲机确认，两台全站仪A、B开始进行同步观测，在对讲机的协助下，两台全站仪分别照准空中的360°棱镜，并点击操作面板上的搜索与跟踪，设置成自动跟踪测量记录模式，时间间隔0.1秒，并按下“开始”键。所测数据自动存储，可以得到两台全站仪各自测得的斜距与竖直角，在所测得的数据中，选择3个相连的时间相近、角度平稳的数据为一组，通过求它们高差的平均值来提高精度，同时将调整微型无人机的高度，测试不同高度下的高程传递效果(如图5所示)。具体测量数据如下：

通过不同的测量方法，对相同测站点进行测量，得到了以上数据。从数据中可以发现它们的误差在12mm左右，在误差允许的范围以内。验证了这一新的微型无人机辅助的三角高程测量方法是可行的。

Claims (3)

1.一种微型无人机辅助的三角高程测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)无人机辅助三角高程测量流程：

(1.1)无人机加载360°棱镜改装：

由微型无人机、360°棱镜以及两台全站仪构建的三角高程测量，利用微型无人机悬挂360°棱镜，飞至遮挡区域的上空，两台全站仪A、B分别固定在微型无人机两侧的测站上，全站仪对中整平，并设置成相同的时间，调整微型无人机使与两台全站仪距离相等然后悬停；

(1.2)两台全站仪同时照准空中目标：

准备就绪后通过对讲机确认，两台全站仪分别照准空中的360°棱镜，设置成自动跟踪测量模式，时间间隔0.1秒，然后按下“开始”键；

(1.3)改变无人机高度，多次测量确保可靠性：

所测数据自动存储，得到各自测得的斜距与竖直角，最终以两台全站仪测得的时间一致、角度平稳的数据为一组，通过求它们高差的平均值来提高精度，这样可以得到一个最终的高差值，以此来实现高程传递；同时将调整微型无人机的高度，测试不同高度下的高程传递效果；

(2)无人机辅助三角高程测量系统误差改正，包括以下：

(2.1)地球曲率改正；

针对地球曲率对微型无人机辅助三角高程测量的影响，参照普通水准测量保持前后视距大致相等的原理，令悬挂360°棱镜的微型无人机处于两台全站仪的中间位置来削弱地球曲率的影响；

(2.2)大气折光改正；

对于大气折光的影响，操作悬挂360°棱镜的微型无人机分别处于不同的高度，全站仪对其进行照准观测来削弱大气折光影响，必要时将微型无人机悬挂传感器测量飞行路径上气象参数如气温、气压来估计大气折光系数；

(3)基于无人机稳定性的同步观测窗口确定：

针对同步观测时无人机稳定性的这一情况；测量时，将两台全站仪时钟调至同步，并设置成自动跟踪测量模式，时间间隔0.1秒，然后按下“开始”键；所测数据自动存储，得到各自测得的斜距与竖直角，最终以两台全站仪测得的时间一致、角度平稳的数据为一组，算得它们高差的平均值作为最终的高差值，以此来实现高程的传递，能有效的抵消掉因无人机抖动对同步观测的影响，达到同步观测的目的；

(4)无人机辅助三角高程测量的高差计算；

在两台全站仪测得数据中，选择3个相连的时间一致、角度平稳数据为一组，来算它们高差的平均值作为最终的高差值；具体计算步骤如下：

高差Hab:

Hab1＝S1×sinα1+i1-S2×sinα2-i2；

Hab2＝S1'×sinα1'+i1-S2'×sinα2'-i2；

Hab3＝S1”×sinα1”+i1-S2”×sinα2”-i2；

Hab＝(Hab1+Hab2+Hab3)÷3；

(5)与普通水准测量结果的对比：

最后将微型无人机处于不同高度所求得各高差值与普通水准测量的高差值进行比较，并对效果进行评定。

2.根据权利要求1所述的微型无人机辅助的三角高程测量方法，其特征在于：

所述360°棱镜悬挂于微型无人机上，作为公共的测量点，同时也是两台全站仪进行角度、距离测量时的照准目标；

所述两台全站仪，分别位于微型无人机的两侧的测站上，通过对微型无人机上360°棱镜的测量，获得距离和角度测量值；

所述微型无人机，飞行至两测站之间，调整其位置使之到两台全站仪的水平距离相等然后悬停便于全站仪进行观测；

两台全站仪在无法通视的两点同时照准空中的棱镜目标进行同步观测，以此来抵消微型无人机悬停抖动带来的误差。

3.根据权利要求1或2所述的微型无人机辅助的三角高程测量方法，其特征在于：调整两台全站仪的时钟至同步，利用微型无人机悬挂360°棱镜，飞至遮挡区域的上空，两台全站仪分别固定在微型无人机两侧的测站上，全站仪对中整平，调整微型无人机使与两台全站仪的水平距离相等然后悬停，准备就绪后通过对讲机确认，两台全站仪A、B瞄准360°棱镜进行同步观测及记录；为了提高高程传递的可靠性，调整微型无人机的飞行高度进行多次观测；利用所观测的斜距和竖直角进行高差计算，具体步骤包括：

Ⅰ.已知A点的高程为H_a，欲求B点高程H_b：

将一台全站仪安置在A点，另一台全站仪安置在B点，同时照准目标点M；前者测得的竖直角α₁，A到M的距离为S₁，量取的全站仪高i₁；后者测得的竖直角α₂，B到M的距离为S₂，量取的全站仪高i₂；

则高差h_ab为：

Hab＝S1×sinα1+i1-S2×sinα2-i2；

B点的高程为：

H_b＝H_a+h_ab；

Ⅱ.地球曲率及大气折光改正：

针对地球曲率对微型无人机辅助三角高程测量的影响，运用普通水准测量保持前后视距相等的原理，令悬挂360°棱镜的微型无人机处于两台全站仪的中间位置来削弱地球曲率的影响；对于大气折光的影响，操作悬挂360°棱镜的微型无人机分别处于不同的高度，全站仪对其进行照准观测来削弱大气折光影响，必要时微型无人机悬挂传感器测量飞行路径上的气象参数来估计大气折光系数；所述气象参数包括气温和气压。

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