無人機攝影測量技術教程

1、.目 錄第1章 緒論1.1 攝影測量的定義和任務11.2 正直攝影測量11.3 傾斜攝影測量1第二章 航測無人機2.1 無人機基本知識72.1 多旋翼航測無人機組成和原理92.2 固定翼航測無人機組成和原理11第三章 攝影測量基本原理3.1 無人機空中攝影和航帶計算 153.2 共線方程 163.3 雙目立體視覺和立體觀測 203.4 立體影像匹配 21第四章 相機檢校4.1 概述264.2 相機檢校算法274.3 工程實例28第五章 無人機航線規(guī)劃和像控點測量5.1 無人機航線規(guī)劃原理和算法315.2 無差分GPS無人機像控點布設與測量325.3 帶差分GPS無人機像控點布設與測量33第六章

2、 空中三角測量加密6.1 空三加密的目的和意義346.2 空三加密連接點的類型與設置356.2.1標志點刺點356.2.2明顯地物點刺點356.2.3影像匹配轉點356.3 光束法區(qū)域網空中三角測量356.3.1光束法區(qū)域網空中三角測量的基本思想與內容356.3.2解析空中三角測量的精度分析396.4 inpho攝影測量系統空三加密41第七章 矢量數據采集7.1 矢量數據采集基本算法41第八章 正射影像和數字高程模型8.1 真正射影像的概念和制作原理428.2 數字高程模型概念和采集方法468.3 商用攝影測量軟件制作DOM和DEM方法488.3.1 inpho攝影測量系統生產DOM和DEM4

3、98.3.2Pix4D生產DOM和DEM50第九章 無人機傾斜攝影測量9.1 概況609.2 傾斜攝影測量原理609.2.1 密集匹配算法619.2.2 紋理映射和細節(jié)層次模型619.3 傾斜攝影測量相機629.4 商用傾斜攝影測量軟件三維建模629.4.1Photoscan三維建模技術639.4.2 Smart3D三維建模技術699.5 Photoscan三維建模軟件操作具體步驟69第一章 緒論1.1 攝影測量的定義和任務國際攝影測量與遙感協會ISPRS(Intenational Society of Photogrammetry and Remote Sensing)1998年給攝影測量與

4、遙感的定義是：攝影測量與遙感是從非接觸成像和其他傳感器系統，通過記錄、量測、分析與表達等處理，獲取地球以及環(huán)境和其他物體可靠信息的工藝、科學與技術(Photogrammetry and Remote Sensing is the art,science and technology of obtaining reliable information from noncontract imaging and other sensor systems about the Earth and its environment,and other physical objects and process

5、es through recording,measuring,analyzing and representation )。其中，攝影測量側重于提取幾何信息，遙感側重于提取物理信息。也就是說攝影測量是從非接觸成像系統，通過記錄、量測、分析與表達等處理，獲取地球及其環(huán)境和其他物體的幾何、屬性等可靠信息的工藝、科學與技術。攝影測量的特點是對影像進行量測與解譯等處理，無需接觸物體本身，因而較少受到周圍環(huán)境與條件的限制。被攝物體可以是固體、液體或氣體；可以是靜態(tài)或動態(tài)；也可以是遙遠的、巨大的（宇宙天體與地球）或極近的、微小的（電子顯微鏡下的細胞）。按照成像距離的不同，攝影測量可分為航天攝影測量、航空攝

6、影測量、近景攝影測量和顯微攝影測量等。影像是客觀物體或目標的真實反映，其信息豐富、形態(tài)逼真，可以從中提取所研究物體大量的幾何信息與物理信息，因此，攝影測量可以廣泛應用于各個方面。按照應用對象的不同，攝影測量可分為地形地形攝影測量與非地形攝影測量。地形攝影測量的主要任務是測繪各種比例尺的地形圖及城鎮(zhèn)、農業(yè)、林業(yè)、地質、交通、工程、資源與規(guī)劃等部門需要的各種專題圖，建立地形數據庫，為各種地理信息系統提供三維的基礎數據。非地形攝影測量用于工業(yè)、建筑、考古、醫(yī)學、生物、體育、變形觀測、事故調查、公安偵破與軍事偵查等各種方面。其對象與任務千差萬別，但其主要方法與地形攝影測量一樣，即從二維影像重建三維模型

7、，在重建的三維模型上提取所需的各種信息。傳統的攝影測量三維模型重建也考慮物體表面紋理的表達，例如地面的正射影像就是地表的真是紋理，但是大多數的應用中，較少考慮物體表面紋理的表達。隨著社會、經濟與科技的發(fā)展，三維模型真實紋理的重建，在攝影測量的任務中變得非常重要了。在一些應用中，需要利用不同的攝影方法完成真實紋理的重建，例如城市的三維建模，可能需要航空攝影與近景攝影相結合才能完成。攝影測量的技術手段有模擬法、解析法與數字法。隨著攝影測量技術的發(fā)展，攝影測量也經歷了模擬攝影測量、解析攝影測量與數字攝影測量三個發(fā)展階段。1.2 正直攝影測量地面立體測量的從本思想是從外業(yè)攝影取立體像對，（在不同的兩個

8、攝站對同一地區(qū)進行攝影所得的兩張像片為一個立體像對）。再施測少量控制點，經過內業(yè)一系列的處理，通過不同途徑，獲得被攝區(qū)我們所需要的地形圖。它的基本原理是前方交會原理。1.3 傾斜攝影測量傾斜攝影測量技術通過在同一飛行平臺上搭載5臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜五個不同的角度采集影像，拍攝相片時，同時記錄航高，航速，航向和旁向重疊，坐標等參數，然后對傾斜影像進行分析和整理。在一個時段，飛機連續(xù)拍攝幾組影像重疊的照片，同一地物最多能夠在3張相片上被找到，這樣內業(yè)人員可以比較輕松地進行建筑物結構分析，并且能選擇最為清晰的一張照片進行紋理制作。向用戶提供真實直觀的實景信息。影像數據不僅能夠真實地反映

9、地物情況，而且可通過先進的定位技術，嵌入地理信息、影像信息，獲得更高的用戶體驗，極大地拓展遙感影像的應用范圍。1.3.1 傾斜攝影測量技術特點1、 反映地物真實情況并且能對地物進行量測傾斜攝影測量所獲得三維數據可真實地反映地物的外觀、位置、高度等屬性，增強了三維數據所帶來的真實感，彌補了傳統人工模型仿真度低的缺點。增強了傾斜攝影技術的應用。2、 高性價比傾斜攝影測量數據是帶有空間位置信息的可量測的影像數據，能同時輸出DSM，DOM，DLG等數據成果。可在滿足傳統航空攝影測量的同時獲得更多的數據。同時使用傾斜影像批量提取及貼紋理的方式，能夠有效地降低城市三維建模成本。3、 高效率傾斜攝影測量技術

10、借助無人機等飛行載體可以快速采集影像數據，實現全自動化的三維建模。實驗數據證明：12年的中小城市人工建模工作，借助傾斜攝影測量技術只需35個月就可完成。1.3.2 傾斜攝影測量的關鍵技術1、多視影像聯合平差多視影像不僅包含垂直攝影數據，還包括傾斜攝影數據，而部分傳統空中三角測量系統無法較好地處理傾斜攝影數據，因此，多視影像聯合平差需充分考慮影像間的幾何變形和遮擋關系。結合POS系統提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每級影像上進行同名點自動匹配和自由網光束法平差，得到較好的同名點匹配結果。同時，建立連接點和連接線、控制點坐標、GPU /IMU輔助數據的多視影像自檢校區(qū)域網

11、平差的誤差方程，通過聯合解算，確保平差結果的精度。2、多視影像密集匹配影像匹配是攝影測量的基本問題之一，多視影像具有覆蓋范圍大，分辨率高等特點。因此，如何在匹配過程中充分考慮冗余信息，快速準確地獲取多視影像上的同名點坐標，進而獲取地物的三維信息，是多視影像匹配的關鍵。由于單獨使用一種匹配基元或匹配策略往往難以獲取建模需要的同名點，因此，近年來隨著計算機視覺發(fā)展起來的多基元、多視影像匹配，逐漸成為人們研究的焦點。目前，在該領域的研究己取得了很大進展，例如建筑物側面的自動識別與提取。通過搜索多視影像上的特征，如建筑物邊緣、墻面邊緣和紋理，來確定建筑物的二維矢量數據集，影像上不同視角的二維特征可以轉

12、化為三維特征，在確定墻面時，可以設置若干影響因子并給予一定的權值，將墻面分為不同的類，將建筑的各個墻面進行平面掃描和分割，獲取建筑物的側面結構，再通過對側面進行重構，提取出建筑物屋頂的高度和輪廓。3.數字表面模型生成和真正射影像糾正多視影像密集匹配能得到高精度高分辨率的數字表面模型DSM，充分地表達了地形地物起伏特征，己經成為新一代空間數據基礎設施的重要內容。由于多角度傾斜影像之間的尺度差異較大，加上較嚴重的遮擋和陰影等問題，基于傾斜影像的自動獲取DSM存在新的難點。可以首先根據自動空三解算出來的各影像外方位元素，分析與選擇合適的影像匹配單元進行特征匹配和逐像素級的密集匹配，引入并行算法，提高

13、計算效率。在獲取高密度DSM數據后，進行濾波處理，將不同匹配單元進行融合，形成統一的DSM。多視影像真正射糾正涉及物方連續(xù)的數字高程模型DEM和大量離散分布粒度差異很大的地物對象，以及海量的像方多角度影像，具有典型的數據密集和計算密集特點。在有DSM的基礎上，根據物方連續(xù)地形和離散地物對象的幾何特征，通過輪廓提取、面片擬合、屋頂重建等方法提取物方語義信息；同時在多視影像上，通過影像分割、邊緣提取、紋理聚類等方法獲取像方語義信息，再根據聯合平差和密集匹配的結果建立物方和像方的同名點對應關系，繼而建立全局優(yōu)化采樣策略和顧及幾何輻射特性的聯合糾正，同時進行整體勻光處理四，如圖所示，傾斜攝影測量數據處

14、理流程。圖1-1 傾斜攝影測量數據處理流程1.3.3 傾斜攝影技術的應用由于傾斜影像為用戶提供了更豐富的地理信息，更友好的用戶體驗，該技術目前在歐美等發(fā)達國家己經廣泛應用于應急指揮、國土安全、城市管理、房產稅收等行業(yè)。在國內政府部門用于:國土資源管理、房產稅收、人口統計、數字城市、城市管理、應急指揮、災害評估、環(huán)保監(jiān)測。企事業(yè)單位:房地產、工程建筑、實景導航、旅游規(guī)劃等領域。1.3.4 傾斜攝影測量數據的處理傾斜攝影測量數據處理常用的軟件：美國Pictometry公司推出Pictometry傾斜影像處理軟件、法國lnfoterra公司的像素工廠、徠卡公司的LPS工作站, AeroMap公司的M

15、ultiVision系統、Intergraph公司的DMC系統、Astrium公司Street Factory系統等軟件。在國內主要有：紅鵬公司推出的無人機敏捷自動建模系統、超圖軟件公司的SuperMap GIS 7C軟件、立得空間公司的Leador AMMS以及武漢天際航公司的DP-Model-er等傾斜攝影測量軟件。第二章 航測無人機(邊朝鵬)2.1無人機基本知識無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。從技術角度定義可以分為：無人固定翼機、無人垂直起降機、無人飛艇、無人直升機、無人多旋翼飛行器、無人傘翼機等。無人機按應用領

16、域，可分為軍用與民用。軍用方面，無人機分為偵察機和靶機。民用方面，無人機+行業(yè)應用，是無人機真正的剛需；目前在航拍、農業(yè)、植保、自拍、快遞運輸、災難救援、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、測繪、新聞報道、電力巡檢、救災、影視拍攝、制造浪漫等等領域的應用，大大的拓展了無人機本身的用途，發(fā)達國家也在積極擴展行業(yè)應用與發(fā)展無人機技術。2013年11月，中國民用航空局（CA）下發(fā)了民用無人駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規(guī)定，由中國AOPA協會負責民用無人機的相關管理。根據規(guī)定，中國內地無人機操作按照機型大小、飛行空域可分為11種情況，其中僅有116千克以上的無人機和4600立方米以上的飛艇在融合空域飛行由民航局

17、管理，其余情況，包括日漸流行的微型航拍飛行器在內的其他飛行，均由行業(yè)協會管理、或由操作手自行負責。圖2-1-1無人機的系統組成：一、飛行平臺（載機）1.1機身固定翼無人機機身一般由epp、epo、玻璃鋼、木材等高強度低質量的材質構成。多旋翼無人機機身一般由碳纖維材料作為主要材質。1.2動力裝置固定翼多用無刷電動機、甲醇發(fā)動機、汽油機、渦扇發(fā)動機、渦噴發(fā)動機、（后兩種多為軍用）等作為動力裝置。圖2-1-2 圖2-1-3圖2-1-4 圖2-1-5 多旋翼無人機多用無刷電動機作動力裝置。無刷電動機1.3飛控飛控系統用于無人機的導航、定位和自主飛行控制，它由飛控板、慣性導航系統、GPS接收機、氣壓傳感

18、器、空速傳感器等部件組成飛控系統性能指標要求a)飛行姿態(tài)控制穩(wěn)度:橫滾角應小于±3° 俯仰角應小于±3° 航向角應小于±3°b) 航跡控制精度:偏航距應小于±20米、 航高差應小于±20米、 航跡彎曲度應小于±5°。二、地面控制站（地面站）1.系統構成無線電遙控器、數傳電臺、增程天線、監(jiān)控計算機系統、地面供電系統以及監(jiān)控軟件等組成。a) 監(jiān)控站主機應選用加固筆記本電腦、或同等性能的計算機和電子設備； b) 監(jiān)控數據可

19、以圖形和數字兩種形式顯示，顯示做到綜合化，形象化和實用化； c) 無線電遙控器通道數應多于8個，以滿足使用要求； 圖2-1-6 監(jiān)控計算機系統 圖2-1-7 遙控 圖2-1-8 數傳電臺d) 監(jiān)控計算機應滿足一定的防水、防塵性能要求，能在野外較惡劣環(huán)境中正常工作； e) 監(jiān)控計算機的主頻、內存應滿足監(jiān)控軟件對計算機系統的要求； f) 電源供電系統應保障地面監(jiān)控系統連續(xù)工作時間大于3小時。四、發(fā)射與回收系統1、起飛方式滑跑起飛 優(yōu)點：無需彈射器。缺點：場地限制。彈射起飛 優(yōu)點：沒有場地限制。缺點：

20、需要購置彈射器。圖2-1-9發(fā)射與回收系統2.降落方式：滑跑回收 優(yōu)點：無需回收降落傘。缺點：場地限制，安全性不如傘降。傘降回收 優(yōu)點：安全可靠，受場地制約影響小。缺點：需要降落傘以及飛控系統支持。圖2-1-10 降落傘2.2 多旋翼航測無人機組成和原理多旋翼航測無人機組成圖2-2-1 MD4-1000圖2-2-2 大疆s1000圖2-2-3螺旋槳圖2-2-4多旋翼云臺圖2-2-5無刷電機以md4-1000為例：microdrones md4-1000四旋翼系統是一種全球技術領先的垂直起降小型自動駕駛無人飛行器系統，可用于執(zhí)行資料收集、協調指揮、搜索、測量、通訊、檢測、偵查

21、等多種空中任務。 相比md4-200，md4-1000擁有更大的任務載荷，更強的抗風能力，更長的續(xù)航時間，更優(yōu)秀的姿態(tài)控制，是目前全世界最大型的四旋翼無人飛行器系統。機體和云臺完全采用特殊的碳纖維材料制造，制造工藝源自德國著名的無人機復合材料公司SCHÜBELER，擁有更輕的重量和更高的強度，折疊式支臂設計更方便運輸。 基于模塊化的設計理念，您可以靈活地更換機載任務設備以適應不同的任務要求。從高分辨率的數碼相機、多款視頻解決方案到高端的紅外熱成像攝像機。由于md4-1000擁有更大的載重，除圖像和視頻設備之外，還可以搭載根據用戶需要定制的更多種任務設備，如空氣采樣設備，空中投放設備等

22、，從而完成更多樣化的任務。 md4-1000的地面站系統集成了microdrones自主研發(fā)的mdCockpit座艙儀表軟件，您只需指尖輕點就可以實時接收并查看完整的飛行數據及飛行器所拍攝的視頻影像。還可以根據客戶需要定制專用的集成式地面站系統。md4-1000可以通過遙控器人工操控飛行，也可以借助獨一無二的GPS Waypoint系統進行自動駕駛飛行，和md4-200一樣，是目前全世界同類無人飛行器產品中唯一可以提供自動駕駛飛行功能的先進無人飛行器系統。首次引入了2.0B CAN總線系統， AAHRS（姿態(tài)、高度及航向參考系統）集成了加速度計、陀螺儀、磁力計、氣壓計、濕度計、溫度計等多種高精

23、度傳感器和卓越的控制算法設計，md4-1000的操控因而變得非常簡單，即使您毫無遙控飛行的經驗，也能夠在很短的時間內學會安全地操控飛行。md4-1000擁有優(yōu)秀的安全設計，任何時候只要停止遙控器操作，飛行器就會自動懸停在空中。如果時間超過30秒接收不到遙控器信號或者電池電量過低，飛行器就會自動緩慢迫降到地面。做為一種小型電動無人飛行器，md4-1000擁有極高的動力效率，一塊機載電池支撐的續(xù)航時間最高可長達70分鐘（視電池配置、任務載荷及環(huán)境如風速、環(huán)境溫度等狀況而定），更換機載電池的操作不超過1分鐘就可完成由于4個250W無刷直驅電機工作時不需要齒輪傳動，機械安全性大幅提高，電機高效率運轉的

24、同時產生的噪音卻很小，在3米的距離懸停時噪音小于71 dBA。地面站地面站系統包括了4路微波接收器、下傳鏈路接收器、視頻捕捉器、視頻眼鏡和矩陣式天線。選配的高增益定向天線的增益能達到15dBi。地面站系統由230V的固定電源或12V的車載電源供電，一塊電池可以支持地面站系統工作時間長達10小時。內置專業(yè)鋰聚合物電池平衡充電器可以用來為機載電池充電。您只需通過操作地面站的電腦便可獲取飛行器的視頻及飛行數據，也可輕松地把飛行記錄數據拷貝到CD或DVD中。地面站系統被設計在堅固的PelicanTM軍用安全箱內，可以在惡劣的天氣或粗暴的運輸中起到可靠的保護作用?；贛icrosoft TM Windo

25、ws TM操作系統的mdCockpit座艙儀表軟件集成了飛行規(guī)劃、飛行監(jiān)控、飛行數據分析等多種功能于一身。Downlink解碼器可以實時接收并顯示飛行器的各種飛行數據，包括電池電壓、坐標、高度、方向、姿態(tài)、飛行時間、飛行速度、飛行路徑、距起飛點的距離、環(huán)境溫度、風速、電機工作狀態(tài)、遙控器信號強度、GPS狀態(tài)等重要信息。飛行數據回放系統能夠同步保存所有的飛行數據，用于航后的數據分析。即使在人工遙控飛行模式下，只要系統裝有當前作業(yè)區(qū)域電子地圖或影像地圖數據，系統能夠實時顯示飛行器在地圖上的位置。Waypoint軟件可能幫助您借助航點規(guī)劃編輯器創(chuàng)建詳細飛行航線規(guī)劃，讓飛行器按照您規(guī)劃的航線自動飛行。

26、除了規(guī)劃飛行航線之外，還可以設定多種拍攝計劃，例如定點360度全景拍攝、圍著定點目標進行環(huán)繞拍攝、沿飛行航線定距、定點拍攝。規(guī)劃好的飛行航線能夠以3D方式顯示在屏幕上，根據您的需要，還可以將飛行航線規(guī)劃導入到Google EarthTM中顯示。2.3 固定翼航測無人機組成和原理固定翼航測無人機1大白圖2-3-1 大白2型空機是現在普遍使用的航拍測繪部門使用的機體，結構輕強度大價格低廉使之成為大眾的首選。大白航測采用常規(guī)氣動布局設計，具備良好的穩(wěn)定的氣動性能和操縱性能。標準設計的照相機艙位在出廠時已經預留，緊貼飛機重心位置，確保飛機在拍攝照片時盡可能減少因受飛行姿態(tài)變化的影響。該機性能穩(wěn)定，做工

27、精良，性價比高，是國內應用最為廣泛也是最安全可靠的航測無人機。并且該機型通過多次升級優(yōu)化，實現模塊化設計。易組裝、易維修方便運輸等優(yōu)勢，現已被國內外多家航測公司廣泛采用。圖2-3-2 T10大黃蜂這款無人機的由來是從T10大黃蜂開始了，T10的設計要求源于傻瓜化這個詞匯，專業(yè)一點的詞匯就是易用性；民用無人機自2008年國內汶川地震之后開始 在國內興起，但是受制于人工起降的方式，大部分潛在用戶，以及已經采購了傳統布局的無人機的用戶，面對操控手的培訓周期，人工費用，人員管理；以及使用兩 沖程玩具發(fā)動機做為飛機動力裝置所造成熄火迫降或墜機問題帶來的風險等諸多問題，最終放棄了無人機的使用；另外一個現象

28、就是國內一些單位采購的時候，貪大 求全，不考慮飛機的實際使用，飛機起飛重量操過18kg以上，甚至達到30kg以上，這么大一個無人機重量，而有效載荷又僅僅是一臺單反相機；從飛機性能來看，T10最大持續(xù)平飛速度達到了170km/h，在此速度下，飛機的功耗只有1200瓦，相對于普通50cc的油動航拍機140km/h的 最大持續(xù)平飛速度勝出，但是電動的缺點在于在最大持續(xù)平飛速度下，航時會縮短很多（油動飛機同時在最大油門條件下，航時也會有較大縮短）；根據我們的測 試，在120km/h的飛行速度下，T10的航時為40分鐘；反之，油動版的T10 在最大持續(xù)平飛速度條件下，同普通航拍機相比優(yōu)勢就非常明顯了。T

29、10在高低速度特性這方面的為什么會有這樣優(yōu)異表現源于其的氣動設計，細節(jié)處理和表面加工質量。飛機的低速特性取決于翼載荷，展弦比，機翼氣動扭轉，所 選擇的翼型的失速特性，機翼前緣加工質量，飛機表面質量等；高速特性和翼載荷，升力面積分布，飛機的表面粗糙度，飛機各部件之間的關系（干擾阻力），機身 機翼的型阻有很大關系；那么我們來看T10這架飛機，這些參數的特點。首先翼載荷，T10采用翼身融合結構，機翼面積達到了0.94平米，基本跟國內15kg到20kg的航拍飛 機機翼面積相當，而飛機整機重量只有7.8kg，小了一半。飛機重量小的原因在于3點。1 布局的結構優(yōu)勢，翼身融合，無尾布局.2 合理的結構設計和

30、加工工藝。3滾雪球效應，當飛機結構重量和飛機的需求功率減小時，發(fā)動機及發(fā)動機所需油料,或者說電動機及電動機所需電池減小，反過來又 影響所需承擔這些重量的機翼面積。如果反過來，增加機翼面積，增加結構，對發(fā)動機和油料又提出了要求，導致重量滾雪球上升，這就是大家所熟知的飛機設計和 加工的口號： 為減輕每一克重量而奮斗！從阻力角度來看，得益于現代的三維設計軟件，T10用翼身融合結構，調整了整機沿X軸向（機身縱軸）的截面積分布和機翼機身之間的融合和過渡，使氣流能夠 盡量不產生過快的收縮和擴張而導致分離；升力面積的分布，按照橢圓升力分布設計削尖比。將垂尾作為翼尖小翼設計，降低誘導阻力。前面所提到的更低的翼

31、載 荷，以及使用CNC成型的高精度模具和真空袋壓的加工復合材料成型工藝保證形狀精度和表面粗糙度，使整機阻力降低至80km/h 巡航速度下，只需要300瓦的輸入功率。（這一數字是通過機載電流電壓表測量得出） 從自動駕駛儀的角度來看，我們做了大量工作，在四五級風力條件下，很多人認為電動飛機沒法飛了，但是T10在六級風力條件下，以80km/h的巡航速度在 風中飛行，給人印象極為深刻，主要原因是使用了高精度的磁航向和完善的控制策略，保持飛機在空中的位置，始終對準計劃飛行方向，即使偶爾飛機地速是跟飛機 的飛行方向相反。 綜上所述，我們就可以理解飛機特性是何以如此了。 飛機的結構材料部分，機身使

32、用Nomex蜂窩夾心材料，表面為S級玻纖布，局部碳纖維增強的真空袋壓成型工藝。使用這種構建方式的主要原因是一些客戶所要 求的電磁環(huán)境干擾和屏蔽的要求；進過幾年的不斷測試，重新設計，彈射器的重量也由當初的32kg降低到18kg，由于高原和低溫的要求，彈射器又增強到23kg，可以折疊成小于1.2米的長度，能夠放入捷達車的尾部或者航空托運；離軌速度達到了22m/s油動版的T10大黃蜂完成了在海拔3800米高度下起飛，爬升至海拔4500米作業(yè)飛行；同時完成了零下20度條件下起飛作業(yè)飛行。由于這種對于場地幾乎零要求的特性，T10于2011年同電力部門在華北實現了山區(qū)巡線飛行，在山區(qū)沿著山形起伏飛行，拍攝

33、電力線路的情況；完成了A點起飛，30公里外的B點降落的穿越飛行。經過種種優(yōu)化之后，同樣搭載5DII相機，同樣飛行兩個小時，T10起飛重量只有7.8kg，而國內用的最多的普通布局的航拍飛機，起飛重量達到了 15kg，甚至18kg；T10使用20cc發(fā)動機，而普通的航拍飛機使用55cc發(fā)動機； 圖2-3-3 T10S 及其包裝箱航測無人機安全性要求1無人機應配備傘降設備，在無人機遇到突發(fā)故障時，可通過降落傘減緩下降速度、避免或減小對地面目標的沖擊和損害、減小飛行平臺和機載設備的損傷；2.設計飛行高度應高于攝區(qū)和航路上最高點100m以上；3.設計航線總航程應小于無人機能到達的最遠航程；4.

34、距離軍用、商用機場須在10km以上；5.起降場地相對平坦、通視良好；6.遠離人口密集區(qū)，半徑200m范圍內不能有高壓線、高大建筑物、重要設施等；7.起降場地地面應無明顯凸起的巖石塊、土坎、樹樁，也無水塘、大溝渠等；8.附近應無正在使用的雷達站、微波中繼、無限通信等干擾源，在不能確定的情況下，應測試信號的頻率和強度，如對系統設備有干擾，須改變起降場地；9.無人機采用滑跑起飛、滑行降落的，滑跑路面條件應滿足其性能指標要求。八、航測無人機照相設備現在市場提供的固定翼無人機有效載荷一般不超過5Kg。因此,這類無人機不能裝載一般有人駕駛飛機所使用的重達百公斤量級的高檔航空相機。目前大多采用稍為高檔的單反

35、相機,像幅在3K×4K以上。九、航測無人機選擇參考由 于航測所需的無人機復雜程度要高于一般航模，各個設備之間需要有良好的兼容性，因此，單獨購買設備組裝調試難度大，設備之間兼容性存在一定風險，整套設備 采購是最好的選擇。我所操控的電動無人機可在距離200米至800米高度作業(yè)，續(xù)航65分鐘，航程可達70km，搭載450g以內的微單，鏡頭可選 16mm，20mm和30mm鏡頭。在500米高度下，航攝地面分辨率可達0.1米以內，單次作業(yè)面積可達14平方公里。我們公司主要是做4D產品，即DEM（數字高程模型），DOM（正射影像），DEM（地表模型），DLG（地形圖），從外業(yè)像控測量到低空高清航

36、攝，再到數據影像處理都都做。下面是作業(yè)流程：從接到項目開始，首先是用戶的需求：成圖比例，地面分辨率要達到多少厘米。查看谷歌地圖，查看看地形起伏落差，選擇合適的相機，鏡頭和相片重疊度，并計算我們無人機的相對航高（航高必須是高差的6倍以上），航線間隔和拍照間隔。根據航線間隔和范圍線在谷歌地圖出航線外業(yè)航攝工作也不難，主要是細心，起飛檢查要仔細，參數設置正確，操作方法得當。設備檢查設備從組裝開始到完成過程中都要仔細檢查配件有沒變形，連接是否牢靠有沒有松脫的可能，電機轉動是否順滑，舵機工作正常與否，電臺通訊是否完全正常，GPS所搜索到衛(wèi)星是否足夠，該初始化的數據全部是否完成，航線航點，拍照間隔和拍照點

37、是否正常設置。相機設定：由于巡航速度為72km/h，故相機設定為S檔，快門為1/1600到1/1250，用不同的ISO值進行拍照，對比照片選擇合適的ISO。迎風起飛，飛到空中，切返航，檢查無人機盤旋狀態(tài)是否穩(wěn)定。爬升到目標后切到航線飛行模式，航線中遙控飛手和電腦操作手都要注意觀察衛(wèi)星、飛控和舵機電池電壓、地速、空速及高度、飛機姿態(tài)及方位等重要數據。為了增加續(xù)航，傘包已經拆除，故采用滑降。選擇平坦的草地，水泥地都可以，試過在單車道的水泥地上降落。對 于測繪型無人機，我們希望是狀態(tài)更穩(wěn)定，續(xù)航長，航程長，載重大的機型，當然重量，速度和續(xù)航之間是很難平衡的，還有電池能夠變輕就好了。當然你會說這些 特

38、點油機都可以做到，我承認油機效率可做到很高。但是相當于油機的操作難度和危險性，電動機還是有優(yōu)勢的，畢竟油機不是人人可以操作的起來第三章 攝影測量基本原理(雷雨默,參考原教材)3.1 無人機空中攝影和航帶計算根據攝影時攝影機所處的位置的不同，攝影測量學可分為地面攝影測量、航空攝影測量和航天攝影測量。地面攝影測量是將攝影機安置在地面上對目標進行攝影，用于小范圍的地形測量和工程測量等。航空攝影測量是將攝影機安裝在飛機上，對地面進行攝影。航空攝影測量是攝影測量最主要的方式。航天攝影測量又稱遙感技術，它把傳感器安裝在人造衛(wèi)星、航天飛機上，對地面進行遙感，用于資源調查、環(huán)境保護、災害監(jiān)測、農業(yè)、林業(yè)、氣象

39、、地質調查、地形測繪和軍事偵察等領域。2隨著我國經濟的飛速發(fā)展，對大比例尺、高分辨率的航空遙感影像的需求也與日俱增，同時對空間信息的現勢性、精度、周期和成本等各方面的要求也越來越高，而傳統的航天和航空攝影越來越顯現出其局限性。例如現有的衛(wèi)星遙感技術雖然能夠獲取大區(qū)域的空間地理信息，但受回歸周期、軌道高度、氣象等因素影響，遙感數據分辨率和時相難以保證。而航空攝影主要采用的是大中型固定翼飛機，由于空域管制、氣候等因素的影響較大，缺乏機動快速能力，同時使用成本較高，對測區(qū)面積小、成圖周期短的測繪工程和應急測繪項目很不適應。3.1.1無人機攝影優(yōu)點相對于傳統的航天和航空攝影測量而言，之所以基于無人機的

40、低空攝影測量為危險區(qū)域圖像的實時獲取、環(huán)境監(jiān)測、地理國情監(jiān)測及應急指揮需求等，提供了一種新的技術途徑，具有廣闊的發(fā)展與應用前景。除了攜帶運輸方便、組裝簡單、工作效率高、不必申請空域飛行手續(xù)等優(yōu)勢外，還具有如下優(yōu)勢。1、影像獲取快捷方便無需專業(yè)航測設備，普通民用單反相機即可作為影像獲取的傳感器，操控手經過短期培訓學習即可操控整個系統。2、低成本UAV系統及傳感器成本遠遠低于與其它遙感系統，無人機（具備飛控系統）市場價格10萬到100萬，各種檔次都有，而相機整套(機身加鏡頭)不到2萬，整套系統成本低廉。一般的單位和個人都有能力負擔。3、具有機動性、靈活性和安全性無需專用起降場地，升空準備時間短、容

41、易操控，特別適合應用在建筑物密集的城市地區(qū)和地形復雜地區(qū)以及南方丘陵、多云區(qū)域。能夠在危險和惡劣環(huán)境下(如森林火災、火山爆發(fā)等)直接獲取影像，即便是設備出現故障，發(fā)生墜機也無人身傷害。4、受氣候條件影響小只要不下雨、下雪并且空中風速小于6級，即使是光照不足的陰天，飛機也可上天航拍。5、分辨率高、多角度(視角)由于是低航空攝影，一般在云下飛行，使用CCD數碼相機作為傳感器，具備垂直與傾斜攝影能力，搭載GPS定位裝置，可低空多角度攝影獲取建筑物側面的紋理信息，彌補了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影遇到的高層建筑遮擋問題。空間分辨率能達到分米甚至厘米級，可用于構建高精度數字地面模型及三維立體景觀圖的制作。6、

42、影像獲取周期短、時效性強無人機遙感幾乎不受場地和天氣影響，飛行前準備工作可少于2個小時，因此可快速上天獲取滿足要求的遙感影像，從準備航飛到獲取影像周期短，影像獲取后可立即處理得到航測成果，時效性強。3.1.2 無人機攝影的缺點無人機低空遙感系統憑借著眾多的優(yōu)勢，在圖像的實時獲取、環(huán)境監(jiān)測、地理國情監(jiān)測及應急指揮需求、土地利用動態(tài)監(jiān)測、地質環(huán)境與災害勘察、地籍測量、地圖更新等領域得到充分的應用，但是，與傳統的航天和航空影像相比，無人機遙感影像又存在以下問題：1、姿態(tài)穩(wěn)定性差、旋偏角大無人機在飛行時由飛控系統自動控制或操控手遠程遙控控制，由于自身質量小，慣性小，受氣流影響大，俯仰角、側滾角和旋偏角

43、較傳統航測來說變化快，致使影像的傾角過大且傾斜方向沒有規(guī)律，且幅度遠超傳統航測規(guī)范要求。2、像幅小、數量多、基高比小受順風、逆風和側風影像大，加上俯仰角和側滾角的影響，航帶的排列不整齊，主要表現在重疊度(包括航向和旁向重疊度)的變化幅度大，甚至可能出現漏拍的情況。為了保證測區(qū)沒有漏拍，通常是通過提高航向和旁向重疊度的方法來實現這一點的，同時普通單反相機像幅相對專業(yè)數碼航攝儀來說，像幅小，在保證預定重疊度情況下，整個測區(qū)影像數量成倍數增多，基高比也相應變小。3、影像畸變大相比較傳統的航空攝影而言，無人機低航空攝影選取CCD數碼相機作為成像系統，而較專業(yè)航攝儀來說，小數碼影像(普通單反拍攝的)畸變

44、大，邊緣地方畸變可達40個像素以上。由于無人機遙感影像的這些問題，給影像的匹配和空中三角測量等內業(yè)處理也帶來困難：（1）由于姿態(tài)穩(wěn)定性差、旋偏角大，比例尺差異大，降低了灰度匹配的成功率和可靠性；（2）像幅小、影像數量多，導致空三加密的工作量增多、效率降低，航向重疊度和旁向重疊度不規(guī)則，給連接點的提取和布設帶來困難，基高比小無疑對高程的精度也造成一定的影響；（3）如若對于小數碼影像的畸變差不考慮，直接使用的話將影響空三的精度。 3.2 共線方程3.2.1 坐標系統1、像平面坐標系o-xy像平面坐標系是定義在像平面內的右手直角坐標系，用來表示像點在像平面內的位置。其坐標原點定義為像主點o，一般以航

45、線方向的一對框標連線為x軸，記為o-xy。圖3-2-1 像平面坐標系o-xy2、像空間坐標系S-xyz像空間坐標系是表示點在像空間的位置的右手空間直角坐標系統。其坐標系原點定義在投影中心S，其x,y軸分別平行與像平面坐標系的相應軸，z軸與攝影方向線So重合，正方向按右手規(guī)則確定，向上為正。圖3-2-2 像空間坐標系S-xyz3、像空間輔助坐標系S-XYZ像空間坐標系用來表示像點在像方空間上的位置。該坐標系的原點在攝影中心S上，其主光軸So為z軸，向上為正；x, y軸分別平行與像平面坐標系（o-xy）的x，Y軸且方向一致。圖3-2-3 像空間輔助坐標系S-XYZ3、 攝影測量坐標系 該坐標系的原

46、點和坐標軸方向的選擇根據實際討論問題的不同而不同，但在一般情況下，原點選在某一攝影站或某一已知點上，坐標系橫軸(X軸)大體與航線方向一致，豎坐標軸(Z軸)向上為正。4、 物空間坐標系 之前敘述的4種坐標系都是滿足右手定則，然而地面測量坐標系滿足左手定則的坐標系，該坐標系為，它的X軸的指向為正北，Z軸是以國家黃海高程基準為標準系統測量出的高程值。圖3-2-4 地面測量坐標系和地面攝影測量坐標系3.2.2 航攝像片的方位元素航攝像片的內、外方位元素是建立物與像之間數學關系的重要基礎。在航測中，將攝影瞬間攝影中心S、像片P與地面(物面)E的相關位置數據稱為航攝像片的方位元素。依據作用不同，航攝像片的

47、方位元素又分為內方位元素和外方位元素。1、內方位元素投影中心對像片的相對位置叫做像片的內方位，它們是：像片的主距f，像主點在像片標框坐標系中坐標。圖3-2-5 內方位元素2、外方位元素確定攝影光束在地面輔助坐標系中的位置時需要的元素，共有三個線元素和三個角元素。其中，線元素是攝站在地面輔助坐標系中的坐標，用以確定攝影光束在地面輔助坐標系中的頂點位置；三個角元素用來確定攝影光束在地面輔助坐標系中的姿態(tài)。角元素有三種不同的表達形式：（1）以Y軸為主軸的系統（2）以X軸為主軸的系統（3）以Z軸為主軸的系統圖3-2-6 外方位元素3、 空間直角坐標系旋轉的基本關系 像空間坐標與像空間輔助坐標之間的變換

48、是正交變換，即一個坐標按照某種次序有規(guī)律的旋轉三個角度即可變換為另一個原點的坐標系。 假設像點a在像空間坐標系中的坐標為(x,y,-f)而同時像空間輔助坐標系中的坐標為(X, Y, Z)，兩者的正交關系為:（1）式中R是一個3*3的正交矩陣，得到9個方向矩陣的元素為:（2）3.2.3 共線方程共線方程是描述像點a，投影中心S和對應地面點A三點共線的方程。圖3-2-7 圖像點與相應地面上坐標關系假定S為攝影中心點，主距為f，在地面攝影測量坐標系中，它的坐標，物點A是坐標為在地面攝影測量坐標系中的空間點，a是A在影像上的構像，它對應的像空間坐標系中的坐標為（x，y，-f），像空間輔助坐標系的坐標為

49、（X，Y，Z）。此時a、A、 S三點位于一條直線上，像點的像空間輔助坐標（X，Y，Z）與地面攝影測量坐標之間的關系如下：（3）式中：為比例因子。則（4）由像點的像空間坐標與像空間輔助坐標的關系可知，（5）（6）其中：為方向余弦分別是像空間輔助坐標系各軸與相應的像空間坐標系各軸夾角的余弦。像主點坐標為，帶入（4）得（7）就是常見的共線條件方程式，式中：x, y為像點的平面坐標為影像內方位元素；為攝站點的地面攝影測量坐標；為物方點的地面攝影測量坐標。3.3 雙目立體視覺和立體觀測人眼兩瞳孔之間的距離大約為65mm，使得雙眼在一定距離范圍內觀察同一日標時角度略有不同，這一細微差別使得同一日標投影到左

50、右視網膜上的像略有不同，在視覺上產生差異，這就是雙目視差。雙目視差是反映空間物體深度信息的客觀物理現象，是感知立體知覺的重要生理基礎。人眼雙目視覺模型如下圖所示。計算機立體視覺正是建立在人雙眼視覺模型之上的。圖3-3-1 人眼雙目視覺模型雙目立體視覺是基于視差，由三角法原理進行三維信息的獲取，通常由兩臺相機的圖像平面（或單相機在不同位置的圖像平面）和被測物體之間構成一個三角形，利用兒何關系恢復出物體三維幾何信息。 立體觀察的原理是建立人造立體視覺，即將像對上的視差反映為人眼的生理視差后得出的立體視覺。得到人造立體視覺須具備3個條件：1、由兩個不同位置（一條基線的兩端）拍攝同一景物的兩張像片(稱

51、為立體像對或像對)；2、兩只眼睛分別觀察像對中的一張像片；3、觀察時像對上各同名像點的連線要同人的眼睛基線大致平行，而且同名點間的距離一般要小于眼基線（或擴大后的眼基距）。若用兩個相同標志分別置于左右像片的同名像點上，則立體觀察時就可以看到在立體模型上加入了一個空間的測標。為便于立體觀察，可借助于一些簡單的工具，如橋式立體鏡和反光立體鏡。對于那種利用兩個投影器把左右像片的影像同時疊合地投影在一個承影面上的情況，可采用互補色原理或偏振光原理進行立體觀察，并用一個具有測標的測繪臺量測。3.4 立體影像匹配影像匹配實質上是在兩幅（或多幅）影像之間識別同名點的過程。在數字攝影測量中它是以計算機視覺代替

52、傳統的人工觀測，來獲取同名像點的，它是數字攝影測量的核心技術之一。多視影像由于是多幅影像組合而成，因此具有覆蓋范圍廣，分辨率高的特點。鑒于這特點，可以考慮在匹配過程中利用冗余信息，對多視影像中的同名點左邊進行快速高效地獲取，繼而獲取拍攝地物的三維特征信息。由于單單使用一種匹配基元或一種匹配策略難以獲取準確且高效的同名點，隨著計算機技術的發(fā)展，越來越多的人開始研究多基元、多視影像匹配。43.4.1 影像特征提取特征提取是計算機視覺和圖像處理中的一個概念。它指的是使用一臺計算機，以提取影像中同名點的圖像信息，該信息決定影像中的相同特征。特征提取是將影像上的點進行歸類，分別劃分為不同的子集，這些子集

53、通常是由一個孤立的點、一條連續(xù)的曲線或一個連續(xù)的區(qū)域組成。影像特征提取一般是依靠影像中灰度的分布情況，來確定特征的位置、形狀以及大小。影像特征的灰度與周圍的影像灰度有比較明顯的差異和區(qū)別。特征通常按形狀劃分，可分為點特征、線特征和面特征。點特征主要包含影像中的明顯點；線特征是線狀地物或面狀地物的邊緣在影像中的構像。提取點特征的算子稱為興趣數字。從點特征中提取的算子較多，比較有名的算子主要有：Moravec算子、Hannah算子Harris算子、和Forstner算子。3.4.2 影像匹配 由于可以應用的多個領域中，影像相關所匹配的對象也是多種多樣的，但是無論是基于光學相關、還是電子相關或者基于

54、數字相關等，所匹配的對象也有不同，但其理論基礎都是相同的。5采取在相鄰具有重疊度的影像上提取出相似的兩個特征，然后利用匹配算法將特征點進行匹配，然后相對定向得到點集。影像相關是利用互相關聯的函數，就是特征提取后利用一組參數對特征進行描述，然后利用參數進行特征匹配，即以影像信號分部最相似的區(qū)域為同名區(qū)域，同名區(qū)域的中心點為同名點。（1）基于灰度的影像匹配基于匹配測度為基礎來確定同名點，定義匹配測度是影像匹配最首要的任務，但是各種不同的匹配測度皆是基于不同的理論方法的定義，因而形成了各種不同的影像匹配方法及相應的實現算法。基于像方灰度的影像匹配算法常見的有：相關函數法、協方差函數法、最小二乘法、相

55、關系數法、差平方和法、差絕對值和法等。（2）基于特征的影像匹配在計算機或者圖像處理的中，提取是一個很重要處理手段。它是指基于計算機或者圖像處理時需要提取的圖像信息是否屬于一個圖像的特征。圖像上的特征就是圖像上的點集合組成的一個個點、線、面。而特征提取針對的就是這樣的點、線、面。影像特征點、線、面的提取一般是依靠影像中有關灰度的分布情況，以此來確定特征的位置、形狀以及大小。影像特征的灰度與周圍的影像灰度有比較明顯的差異和區(qū)別，一般來說，所有同名點的構成的點、線、面就組成了特征點。 3.4.2.1 灰度匹配數字影像是一個二維的灰度矩陣G： 上式中二維數組中的像元素都代表一個灰度值，其集合組成對應著

56、光學影像或實體的一個微小區(qū)域，稱為像素或者像元素?；叶戎荡硐袼氐牧炕盎叶燃墶薄；叶绕ヅ涫侵笇ふ翌愃频拇嚓P的一個小區(qū)域的影像的灰度，首先在一張相片上確定一個目標點，并以該點周圍選取個點的灰度值矩陣組成一個像素的目標區(qū)，在目標區(qū)中任意一個像元素的的灰度值設為（ij=1,2.n），一般取n為奇數，其圍繞的點即為目標點。為了在另一張照片上尋找出同名像點，根據在第一張像片上的目標點的坐標概略地估計出它在另一張像片上的近似點的范圍，以此為繞點在其周圍個影像灰度序列，組成一個比第一張像片目標區(qū)范圍要大的搜索區(qū)。如下圖所示，在搜索區(qū)尋找同名像點時，若搜索工作在x、y兩個方向進行,則是二維相關的運算。在搜索區(qū)內有個與目標區(qū)等大的區(qū)域