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        無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

        2020-09-25 06:50:00陳端祥
        海峽科學(xué) 2020年8期
        關(guān)鍵詞:像片射影數(shù)碼相機(jī)

        陳端祥

        (福建省121地質(zhì)大隊(duì),福建 龍巖 364021)

        現(xiàn)階段,隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展、成熟,其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,尤其是與各行業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)揮出了巨大的優(yōu)勢作用。無人機(jī)遙感測繪技術(shù)是遙感技術(shù)發(fā)展的主要趨勢之一,因其數(shù)據(jù)獲取及處理靈活快速、成本較低等特點(diǎn),在遙感數(shù)據(jù)獲取方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)礦山測量主要是利用衛(wèi)星和大飛機(jī)作為遙感平臺的航空航天測量,受天氣因素影響較大,工作效率不高。無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用,利用其技術(shù)自身優(yōu)勢,在獲取符合要求的高分辨率影像的同時(shí),還可以有效避免不利因素影響,提高工作效率[1]。因此,無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用價(jià)值值得進(jìn)一步探討。

        1 無人機(jī)遙感測繪技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

        相對于航天遙感技術(shù),無人機(jī)遙感測繪獲取數(shù)據(jù)具有明顯的優(yōu)勢,主要表現(xiàn)在以下幾方面。

        ①數(shù)據(jù)獲取周期短。采用無人機(jī)遙感測繪技術(shù),多是低空飛行獲取影像數(shù)據(jù),避免了衛(wèi)星航空遙感技術(shù)受天氣條件的限制,以及常規(guī)航空遙感技術(shù)需要辦理空域飛行申請的客觀條件限制,能夠有效保證數(shù)據(jù)采集的時(shí)效性,極大縮短數(shù)據(jù)獲取周期[2]。

        ②數(shù)據(jù)分辨率高。無人機(jī)低空飛行一般不高于地面1000m,甚至還可以在距離地面200m左右飛行,通過機(jī)身攜帶的高分辨率數(shù)碼相機(jī),可以獲取較高分辨率的影像數(shù)據(jù),并且提高數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和及時(shí)性,滿足比例尺測圖精度及監(jiān)測要求[3]。

        ③獲取危險(xiǎn)區(qū)數(shù)據(jù)。無人機(jī)在危險(xiǎn)區(qū)域下飛行,最大限度地保護(hù)了工作人員的人身安全,并且能夠獲取到實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息,既保證工作效率,又實(shí)現(xiàn)了安全最大化[4]。

        ④機(jī)動靈活。無人機(jī)機(jī)身具有體積小、重量輕等特點(diǎn),從而保證無人機(jī)遙感測繪能夠?qū)崿F(xiàn)在天氣強(qiáng)干擾、地形復(fù)雜的區(qū)域機(jī)動、靈活地獲取數(shù)據(jù)[5]。

        ⑤飛行控制自動化。現(xiàn)階段,無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)已經(jīng)可以做到根據(jù)遙感圖像上指定點(diǎn)位飛行,并且在電量低于預(yù)設(shè)值或達(dá)到用戶自行設(shè)置的電量值時(shí)自動返航,實(shí)現(xiàn)全程飛行自動化[6]。

        2 無人機(jī)數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)

        2.1 影像畸變校正

        通過對數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,能夠獲得相機(jī)的準(zhǔn)確定位以及相關(guān)參數(shù),然后利用數(shù)學(xué)模型設(shè)置對相機(jī)的改正模型,對數(shù)碼相機(jī)成像進(jìn)行畸變校正,經(jīng)過畸變校正后的影像可以為數(shù)據(jù)的后期處理做好準(zhǔn)備[7]。

        2.2 快速正射糾正

        GPU的并行處理能力非常強(qiáng)大,并且還可以實(shí)現(xiàn)高寬帶的數(shù)據(jù)傳輸。無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在正射影像糾正中,可以借助GPU進(jìn)行數(shù)字影像正射糾正,極大提升糾正速度,并有效提高數(shù)據(jù)處理效率,從而保證無人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理的快速性[8]。

        2.3 大范圍正射影像自動拼接

        成像經(jīng)過快速正射糾正后,可以對測區(qū)范圍內(nèi)的正射影像進(jìn)行拼接,保證其完整性。同時(shí),對無人機(jī)的飛行質(zhì)量進(jìn)行檢測,確定其重疊度等各項(xiàng)飛行指標(biāo)滿足要求,保證測繪工作的順利高效完成[9]。

        2.4 幾何糾正

        為了滿足礦山測量對遙感監(jiān)測技術(shù)的要求,在數(shù)字正射影像完成后,需要進(jìn)行幾何糾正,確??刂泣c(diǎn)擬合精度、地物點(diǎn)誤差在精度要求范圍之內(nèi),從而保證無人機(jī)遙感測繪影像成果精度滿足礦山測量需求[10]。

        3 無人機(jī)遙感測繪技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

        3.1 項(xiàng)目概況

        本項(xiàng)目主要是在福建1∶5萬滸州幅456km2的范圍內(nèi)開展較系統(tǒng)地礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查工作。調(diào)查區(qū)主要位于福建省北部,南部屬建陽區(qū)管轄、東北部屬浦城縣管轄、西北部屬武夷山市管轄。工作區(qū)范圍:東經(jīng)118°15′~118°30′,北緯27°30′~27°40′,屬1∶5萬滸州幅(G50E003018),面積456km2,如圖1所示。

        圖1 項(xiàng)目測區(qū)地理位置

        測區(qū)地處武夷山脈北段,地勢東、西高,中間低。最低點(diǎn)(滸州)海拔159.5m,最高點(diǎn)(營盤崗)1157.7m,相對高差一般在500m以上。測區(qū)居民點(diǎn)分散,村莊小路十分稀少,給礦調(diào)工作增加了困難。因此,利用無人機(jī)遙感測繪技術(shù),獲取測區(qū)高分辨率影像,并對影像進(jìn)行處理,為礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查提供參考依據(jù),能有效減少調(diào)查難度和提供調(diào)查效率。

        3.2 技術(shù)路線

        本次項(xiàng)目實(shí)施首先收集完成礦區(qū)數(shù)據(jù)資料,然后對無人機(jī)遙感測繪技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)與規(guī)劃,歷時(shí)30天,獲取完成礦山影像數(shù)據(jù),并通過無人機(jī)影像處理后獲得1∶1000地形圖,為礦區(qū)開展礦產(chǎn)檢查及資源勘測提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要技術(shù)路線如圖2所示。

        圖2 技術(shù)路線圖

        3.2.1 無人機(jī)及數(shù)碼相機(jī)選擇

        本項(xiàng)目選用固定翼“UV-Ⅱ”無人機(jī),機(jī)身搭載Sony RX1RII高端數(shù)碼相機(jī),數(shù)碼相機(jī)像素為4240萬,最高分辨率7952×5304,全機(jī)重量1.5kg。

        3.2.2 技術(shù)參數(shù)設(shè)置

        由于礦山地區(qū)地形、地表差異較小,無人機(jī)航攝進(jìn)行分區(qū);航線設(shè)計(jì)主要按照方向,由西向東布設(shè);地面分辨率在0.08m;設(shè)置航向重疊度在80%,旁向重疊度在65%,相對航高320m。

        3.2.3 飛行質(zhì)量控制與補(bǔ)重?cái)z

        無人機(jī)飛行質(zhì)量控制有效性直接關(guān)系到無人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)質(zhì)量。飛行質(zhì)量的控制內(nèi)容主要包括:①控制無人機(jī)升降飛行速度,上升及下降都須低于10m/s;②飛行過程中,無人機(jī)轉(zhuǎn)彎需要控制坡度在20°以內(nèi),以防止衛(wèi)星信號失鎖;③拍攝區(qū)域的邊界覆蓋率應(yīng)當(dāng)高于像幅二成;④飛行過程中,航向及旁向的重疊度應(yīng)當(dāng)保持在設(shè)計(jì)重疊度;⑤同一航線上相鄰像片航高差不高于30m,整體航高差最大值不超過50m;⑥控制最大旋偏角像片數(shù)量,不能多于總數(shù)的4%。

        無人機(jī)飛行質(zhì)量控制不佳,或者受到各方面因素影響而導(dǎo)致飛行質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的,需要進(jìn)行重?cái)z;對于局部缺陷,如云影等,或相對漏洞,則需要進(jìn)行補(bǔ)攝,補(bǔ)攝航信超度需要比漏洞長出一條基線。

        3.3 影像數(shù)據(jù)處理

        首先對數(shù)字影像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查,內(nèi)容包括對影像質(zhì)量的檢查、數(shù)據(jù)異常檢查、重疊度檢查等。然后要確保像控點(diǎn)與最近基礎(chǔ)控制點(diǎn)平面位置、高程的誤差均不高于0.1m。最后對影像畸變情況進(jìn)行糾正,具體來說(如圖3):選擇GPU糾正快速測繪影像圖,對其中存在的主點(diǎn)偏移、畸變等情況進(jìn)行糾正,同時(shí)進(jìn)行勻色處理;根據(jù)飛行影像建立DOM(即數(shù)字正射影像圖),主要是利用DEM(即數(shù)字高程模型)對經(jīng)過掃描處理的單張航片,利用ArcGIS糾正軟件,將影像失真情況糾正過來;運(yùn)用數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換影像投影,由中心投影變?yōu)榇怪闭蛲队埃瑥亩@取正射像片;對像片進(jìn)行編輯操作,最后生成標(biāo)準(zhǔn)分幅正射影像圖。像片糾正完成后,再進(jìn)行幾何糾正,借助ERDAS軟件將地面控制點(diǎn)坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)提取出來,確保像片精度達(dá)標(biāo)。

        圖3 影像數(shù)據(jù)處理流程

        4 無人機(jī)影像成圖精度分析

        4.1 數(shù)字正射影像圖質(zhì)量

        礦山地形主要以丘陵山地為主,其高低起伏變化情況較大,無人機(jī)遙感測繪技術(shù)需要根據(jù)設(shè)置飛行相對航高,控制飛行質(zhì)量,從而保障影像質(zhì)量。同時(shí),飛行數(shù)據(jù)覆蓋、重疊度等對最終數(shù)字正射影像圖質(zhì)量有重要影響。根據(jù)數(shù)字正射影像處理后的成圖質(zhì)量分析,在對相鄰的正射影像進(jìn)行立體觀察與量測檢查時(shí),個(gè)別點(diǎn)位存在誤差,但從整體地形上看并沒有明顯起伏;正射影像平面圖質(zhì)量符合規(guī)范要求,圖像在色彩和色調(diào)上都滿足均衡要求。

        圖4 數(shù)字正射影像圖

        4.2 成圖質(zhì)量分析

        在礦山測量項(xiàng)目完成后,可以利用檢測區(qū)控制點(diǎn)對檢測區(qū)外進(jìn)行測量,對成圖質(zhì)量進(jìn)行分析。野外踩點(diǎn)共256點(diǎn),對踩點(diǎn)數(shù)據(jù)及成圖后在圖上量取的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,得出誤差值,對成圖質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)和測試。將實(shí)際測量野外點(diǎn)位與成圖后在圖上量取的點(diǎn)位進(jìn)行對比分析,得出結(jié)論為內(nèi)業(yè)加密點(diǎn)、地物點(diǎn)、內(nèi)業(yè)加密高程點(diǎn)、內(nèi)業(yè)高程注記點(diǎn)與實(shí)際測量野外點(diǎn)位的誤差分別為0.88m、1.01m、0.70m、0.79m。具體情況見表1。

        表1 成圖質(zhì)量分析

        5 結(jié)束語

        無人機(jī)遙感測繪技術(shù)是遙感技術(shù)發(fā)展的主要趨勢,具有數(shù)據(jù)獲取及處理靈活快速、成本較低等特點(diǎn),在遙感數(shù)據(jù)獲取方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。在礦山測量中,應(yīng)用無人機(jī)遙感測繪技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對礦山資源的勘察、檢測、監(jiān)管等,滿足礦產(chǎn)檢查,評價(jià)區(qū)域礦產(chǎn)資源潛力,尋找并圈定找礦靶區(qū)等提供重要、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。本文通過詳細(xì)介紹利用無人機(jī)獲取調(diào)查區(qū)高分辨率影像的技術(shù)路線和影像處理過程,并分析得出影像的質(zhì)量和精度滿足礦產(chǎn)調(diào)查使用要求,為調(diào)查區(qū)礦產(chǎn)測量提供參考,最大限度地減少調(diào)查難度,并提高了調(diào)查效率,可為其他同類調(diào)查項(xiàng)目提供參考。

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