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        無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)在云南山區(qū)1:2000地形圖測繪中的應(yīng)用

        2015-07-28 06:01:42萬保峰云南省地礦測繪院昆明650218
        山東工業(yè)技術(shù) 2015年11期

        萬保峰(云南省地礦測繪院, 昆明 650218)

        無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)在云南山區(qū)1:2000地形圖測繪中的應(yīng)用

        萬保峰
        (云南省地礦測繪院, 昆明 650218)

        摘 要:近年來,無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)發(fā)展很快,已經(jīng)逐步應(yīng)用于測繪、國土、林業(yè)、環(huán)保、軍事等眾多領(lǐng)域。本文首先簡要介紹無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)的組成和作業(yè)流程,并通過實(shí)例驗(yàn)證無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)測繪山區(qū)地形圖的優(yōu)勢。

        關(guān)鍵詞:無人機(jī)低空航攝系統(tǒng);數(shù)字線劃圖;正射影像圖

        0 引言

        云南省是一個山區(qū)省份,其國土面積94%為山區(qū),且高差比較大,植被茂盛,采用傳統(tǒng)人工測量,效率較低,成本較高。隨著全省經(jīng)濟(jì)建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展,對地形圖的需求更高。使用低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)測地形圖,作業(yè)效率可以顯著提高,不僅僅能滿足其精度要求,還能同時提供正射影像圖和測區(qū)三維立體圖,為后期各項工作的開展提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)。本文首先通過實(shí)例介紹無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)測繪地形圖的作業(yè)流程和關(guān)鍵技術(shù),進(jìn)而驗(yàn)證無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)測繪山區(qū)地形圖的優(yōu)勢。

        1 無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)組成

        無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)是以無人機(jī)為飛行平臺,利用高分辨率相機(jī)系統(tǒng)獲取遙感影像,利用空中和地面控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)影像的自動拍攝和獲取,同時實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃和監(jiān)控、信息數(shù)據(jù)壓縮和自動傳輸、影像預(yù)處理等功能,是具有高智能化程度、穩(wěn)定可靠的,具有較強(qiáng)作業(yè)能力的低空遙感系統(tǒng)[1]。系統(tǒng)主要由飛行平臺、自駕系統(tǒng)、航攝系統(tǒng)和后期相關(guān)處理軟件組成。

        1.1 飛行平臺

        本文所述無人機(jī)飛行平臺為國遙萬維公司生產(chǎn)的“快眼Ⅱ型”無人機(jī),機(jī)長1.8 m,翼展2.3 m,機(jī)高0.49 m,安全飛行海拔高度不高于4500 m,續(xù)航時間約1.5h-2.0h,巡航速度為108 km/h,載重5 kg,起降方式為滑跑或者彈射傘降。

        1.2 自駕系統(tǒng)

        自駕系統(tǒng)采用普洛特?zé)o人飛行器科技有限公司的UP30飛控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含:機(jī)載飛控、地面站、通訊設(shè)備。作為無人機(jī)的飛行控制核心設(shè)備,其主要任務(wù)是利用GPS等導(dǎo)航定位信號,通過測定無人機(jī)在飛行中的俯仰、橫滾、偏航、位置、速度、高度、空速等信息,以及接收處理地面發(fā)射的測控信息,對無人機(jī)進(jìn)行數(shù)字化控制,控制無人機(jī)按照預(yù)定的航跡飛行,使其具有自主智能超視距飛行的能力。地面控制系統(tǒng)軟件在無人機(jī)飛行前進(jìn)行任務(wù)航線規(guī)劃,在飛行過程中顯示飛行區(qū)域的航跡、電子地圖以及飛行參數(shù)和飛機(jī)的姿態(tài)等參數(shù)。飛行過程中,所有飛行參數(shù)和導(dǎo)航數(shù)據(jù)可實(shí)時下傳。操作者可在地面計算機(jī)上監(jiān)視飛行狀態(tài),可根據(jù)航跡規(guī)劃和路徑調(diào)整來控制各種任務(wù)的執(zhí)行。

        1.3 航拍攝像系統(tǒng)

        無人機(jī)平臺搭載的航攝儀有佳能5D MΑRK系列、尼康D800系列、飛思和哈蘇等一系列航攝儀。但從安全和經(jīng)濟(jì)角度,市場上主要用佳能5D和尼康D800系列,鏡頭一般有:24mm、35mm和50mm定焦鏡頭。本項目采用佳能Canon EOS 5D Mark III和24 mm定焦鏡頭。

        1.4 影像處理軟件

        目前市場上無人機(jī)影像處理的軟件比較多,本項目影像后期處理軟件采用武漢大學(xué)開發(fā)的DP-Grid低空航測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件,立體采集、編輯成圖采用適普公司的全數(shù)字?jǐn)z影測量 VirtuoZo和清華山維的EPS軟件完成。

        2 生產(chǎn)作業(yè)流程

        低空無人機(jī)航攝系統(tǒng)作業(yè)流程分為航攝外業(yè)和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。

        2.1 航攝外業(yè)流程

        與傳統(tǒng)航測相同,低空無人機(jī)航攝同樣需要進(jìn)行航線設(shè)計、航攝飛行、質(zhì)量檢查、補(bǔ)飛或重飛、像控測量等步驟。所不同的是,無人機(jī)航攝的航線設(shè)計由于面積小,故無需考慮地球曲率的變化;航攝質(zhì)量的檢查在航攝現(xiàn)場就能完成。

        圖1 航攝外業(yè)作業(yè)流程

        2.2 航攝內(nèi)業(yè)流程

        航攝內(nèi)業(yè)流程如圖2所示,其中DLG制作采用“先內(nèi)后外”的作業(yè)方式。先內(nèi)業(yè)后外業(yè)的作業(yè)流程是先在室內(nèi)利用已有的影像對地物實(shí)行判讀和采集,然后再把內(nèi)業(yè)初步生成的DLG 成果疊加到DOM上制作調(diào)繪片,供外業(yè)到實(shí)地進(jìn)行調(diào)繪,對內(nèi)業(yè)的采集結(jié)果進(jìn)行校對和更正,最后再對外業(yè)的成果進(jìn)行整理編輯成圖。

        圖2 航攝內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

        3 應(yīng)用實(shí)例

        本文以寧洱縣梅子鄉(xiāng)中低產(chǎn)田改造項目地形圖測繪為例,項目區(qū)最高點(diǎn)海拔1300 m,最低點(diǎn)海拔1000 m,地形比較復(fù)雜,植被主要以灌木、樹林為主。項目區(qū)面積7平方公里。測區(qū)條件較復(fù)雜,采用傳統(tǒng)測量技術(shù),作業(yè)效率較低,所以采用無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)進(jìn)行。

        3.1 像控測量

        測區(qū)主要以樹林和植被為主,不易選像控特征點(diǎn),故采取先布設(shè)像控,后進(jìn)行無人機(jī)航拍方式。像控點(diǎn)點(diǎn)位選取原則:選在地形相對平坦處;無障礙物和遮擋物;遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁輻射源;交通方便,易于到達(dá);點(diǎn)位易于制作像控標(biāo)志,不宜被破壞;點(diǎn)位盡量布設(shè)在影像的六度重疊區(qū)域等[2]。像控點(diǎn)為石灰標(biāo)志點(diǎn),呈十字型,規(guī)格為0.2m×1.5m;像控點(diǎn)測量采用GPS-RΤK方式測量。項目區(qū)共布設(shè)70個點(diǎn),其中50個點(diǎn)作為像控點(diǎn),20個作為檢查點(diǎn)。

        3.2 無人機(jī)低空航攝

        采用佳能Canon EOS 5D Mark III和24 mm定焦鏡頭,相機(jī)分辨率為2200萬像素,影像幅面為:5760×3840 pixel,像元大小6.2μm。根據(jù)項目區(qū)地形,航攝設(shè)計為1個架次,相對航高600 m,拍照間距200 m,地面分辨率優(yōu)于0.16 m。共獲取有效原始影像650張。

        3.3 數(shù)據(jù)后期處理

        根據(jù)航飛的情況將數(shù)據(jù)分為3個測區(qū)進(jìn)行處理,利用DP-grid軟件和其它相關(guān)軟件進(jìn)行后期影像數(shù)據(jù)處理??杖用芫?,見表1。

        表1 各測區(qū)基本定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)精度

        絕對定向完成后,區(qū)域網(wǎng)平差結(jié)果基本定向點(diǎn)殘差、檢查點(diǎn)誤差不大于表2規(guī)定。

        表2 基本定向點(diǎn)殘差/檢查點(diǎn)誤差最大限值

        從以上兩表可以看出,項目區(qū)域涉及的基本定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)中誤差都小于表2的規(guī)定,絕對定向精度達(dá)到了1:2000正射影像圖及1:2000數(shù)字線劃圖精度要求。

        經(jīng)過加密后的數(shù)據(jù),導(dǎo)入VirtuoZo全數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)和清華山維采編一體化軟件后,進(jìn)行立體采集,然后進(jìn)行野外調(diào)繪、補(bǔ)測、編輯,最終成圖。

        3.3 成果輸出

        通過以上步驟,最終輸出DOM、DLG和三維立體圖,如圖3、4、5所示。

        3.4 精度分析

        最終成果精度檢查采用GPS-RΤK和全站儀進(jìn)行實(shí)地打點(diǎn),平面精度檢查點(diǎn)主要是特征明顯地物點(diǎn),高程精度檢查點(diǎn)主要是道路交叉口、田坎交叉處、水溝溝底高程等,分布均勻,具有代表性。共檢查平面位置點(diǎn)210個,中誤差為0.45 m;高程點(diǎn)110個,中誤差為0.57 m。通過以上檢測看出,平面精度和高程精度均滿足規(guī)范對1:2000地形圖成圖要求。

        圖3 DLG成果

        圖4 DOM成果

        圖5 三維立體成果

        4 結(jié)束語

        本文介紹了無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)組成、作業(yè)流程及在云南山區(qū)地形圖測繪項目中的應(yīng)用,通過實(shí)例驗(yàn)證了無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)在山區(qū)地形圖測繪項目中的優(yōu)勢,得到如下結(jié)論:

        (1)應(yīng)用無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)制作DLG可以滿足1:2000數(shù)字地形圖測繪要求。

        (2)較傳統(tǒng)測量技術(shù),大大減少外業(yè)工作量,生產(chǎn)成本降低,作業(yè)效率提高。

        (3)采用無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)不僅僅能獲得滿足精度的地形圖,還能獲得正射影像圖和三維立體圖,為后期的規(guī)劃設(shè)計等各環(huán)節(jié)提供了更為直觀的基礎(chǔ)資料。

        參考文獻(xiàn):

        [1]楊潤書,吳亞鵬,李加明,萬保峰.無人機(jī)航攝系統(tǒng)及應(yīng)用前景[J].地礦測繪,2011,27(01):8-9.

        [2]謝建春.利用無人飛艇獲取的影像資料制作DOM的實(shí)踐[J].山東省國土資源,2012,28(07):35-37.

        作者簡介:萬保峰(1982-),男,山西長治人,碩士,主要研究方向:無人機(jī)低空航攝,攝影測量與遙感,三維數(shù)字城市。

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