基於無人機的航空近景攝影位移測量系統及其方法
2023-06-05 10:30:11
專利名稱：基於無人機的航空近景攝影位移測量系統及其方法
技術領域：
本發明涉及一種航空近景攝影位移測量技術，尤其涉及一種基於無人機(微 型模型無人機)的航空近景攝影位移測量系統及其方法；具體地說，涉及人通行 困難或者作業危險地區等大位移工程的非接觸測量技術。
背景技術：
位移測量是巖土工程安全性評價、施工控制與效果檢驗的重要手段。在通行 困難或者作業危險的地方，比如高陡邊坡、礦山塌陷區，泥石流發生區域等， 現有大多數位移測量技術耗時耗力，甚至無法實施。而衛星遙感、航空攝影測量 等技術雖然不受場地條件限制，但測量精度較低，後者還受航空管制的影響。
無人機技術近年來迅速發展，並已經運用到民用生產領域。目前已有應用於 土地資源調査、森林火災調查的無人機系統，但是尚未有以無人機為平臺的位移 測量系統。
近景攝影測量早在20世紀80年代就應用於巖土工程的監測領域。經過多年 的發展，目前，對於小範圍的工程，測量精度已經達到工程要求；但是，對於大 型的工程，特別是通行困難或者作業危險區域的工程，其使用就受到了一定的限 制，而手持拍照往往會產生一些拍攝死角。
為了開發不受場地條件制約，又有較高精度且不受航空管制的高效、低成本 位移測量技術，並利用無人機載體，提出了一種基於無人機的航空近景攝影位移 測量系統及其方法的概念。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的上述缺點和不足，實現現有工程的要
求，提供一種基於無人機的航空近景攝影位移測量系統及其方法。該系統及其方 法適用於大變形工程的位移測量，特別適用於通行困難或者作業危險的工程的位 移測量，同時還可以作為地質災害調査、地質調査的輔助手段。
本發明的目的是這樣實現的
如圖l，本發明包括無人機(1)、數位相機(2)、地面控制站(3)、微波發 射器(4)、微波接收天線(5)、數據線(6)和計算軟體(7);
在無人機(1)上裝置有數位相機(2)和微波發射器(4)，通過無人機(1) 的飛控板(1.1)連接；數據線(6)連接地面控制站(3)上的電腦串口 (3.3) 和微波接收天線(5)，計算軟體(7)安裝在地面控制站(3)的筆記本電腦(3. 1) 上。
本發明的工作原理是
無人機(1)在地面控制站(3)的遙控下，按照預先設定的航線實現距離地 面50米左右的超低空飛行。在己有的地面地形的情況下，無人機(1)飛行高度 可以與地面進行匹配，使得無人機(1)與地面的距離基本保持一致。監視圖象 通過微波發射器(4)和微波接收天線(5)傳輸和接收實時顯示於地面控制站(3) 的顯示屏(3.2)上。可手動或者自動對目標區域進行拍照。利用部分已知點坐 標，對拍攝的照片按照近景攝影測量的理論進行處理計算，得到目標區域未知點 的三維坐標。將不同時期的照片所得的三維坐標進行比較，就可以得到該點的位 移，通過差分的方法進而得到目標區域的表面位移。
本發明具有以下優點和積極效果
1、 無需專用起降跑道，不受航空管制約束，場地適應性強，特別適用於地 形條件複雜區域工程的位移測量。
2、 該系統省時、省力且拍照沒有死角。
3、 位移測量效率高，監測區域大。
4、 模型機小巧靈活，可實現地形匹配。
5、 使用無人機比較安全，不會造成人員傷害。
總之，由於本發明可以避免傳統位移測量技術的一些問題，適用於大位移大 範圍工程的位移測量，特別是通行困難或作業危險區域工程的位移測量。
圖1是本系統組成示意圖； 圖2是地面控制站示意圖3是數位相機與無人機的連接示意圖； 圖4是計算軟體組成及其流程圖。 其中-
l一無人機，l.l一飛控板， 1.2—GPS， 1.3—自穩平衡儀；
2— 數位相機，2. l—鏡頭；
3— 地面控制站，3. l—筆記本電腦，3.2—顯示屏，3. 3—電腦串口； 4一微波發射器；
5— 微波接收天線；
6— 數據線；
7— 計算軟體； A—水平面；
B—相機平面與水平面的夾角，0《B《60度。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施示例對本實用新型進一步說明-
一、本系統結構
1、 無人機(1)
如圖1，在無人機(1)上安裝有飛控板(1.1)、 GPS (1.2)和自穩平衡儀 (1. 3)等飛行輔助設備和微波發射器(4);航線通過地面站(3)導入無人機(1 )。 該無人機(1)為電動，續航時間30分鐘以上。
2、 地面控制站(3)
如圖2，地面控制站(3)為可以摺疊的箱形，下面設置有筆記本電腦(3. 1)， 上方為顯示屏(3.2)，並設置電腦串口 (3.3)。
3、 數位相機(2)與無人機(1)的連接
如圖3，數位相機(2)通過在無人機(1)的機頭或者機身開孔固定的方式 與無人機(1)連接，數位相機(2)的鏡頭(2.1)或豎直朝下，或與水平面有
0 60度的夾角。數位相機(2)通過飛控板(1.1)與微波發射器(4)連接， 監視圖像經微波發射器(4)發送到地面控制站(3)並顯示在顯示屏(3.2)上。
所述的飛控板(1. 1)是一種無人機配套的電子集成晶片，實現無人機的自動 飛行以及數據採集和中轉等功能。
4、微波發射器(4)和微波接收天線(5)
微波發射器(4)工作頻率從1040 1400MHz，可以無線、同步傳輸一路圖 像信號和一路數據信號。傳輸距離可以達到10Km以上。 微波接收天線(5)為微波發射器(4)配套設備。
微波發射器(4)和微波接收天線(5)有上市產品。
二、本系統使用方法
① 調査目標區域的地形地貌情況，並測量部分比較明顯的自然標記的三維坐 標(局部坐標和大地坐標均可)。
② 根據該目標區域的地形地貌特徵，以及重點測量目標，預先通過地面控制 站(2)在室內設定航線，航線是通過設定航點來實現的，航點信息為三維，包 括經度、緯度以及高程。航線設定後通過電腦串口 (3.3)輸入無人機(1)。
③ 現場操作，檢査電池電壓，開機自檢，自檢正常後進行初始化，完成後讀 入航線。打開相機，調整好通訊頻道，檢查監視圖象是否正常，若一切正常即可 起飛。飛機採用拋擲起飛的方式，開始階段用遙控控制，待飛行平穩後，GPS(l. 2) 導航按照航線飛行，自穩平衡儀(1.3)保證飛機平穩。航線可在飛行過程中根 據實際情況手動實時調整。航跡自動保存，任務結束後，可以在地面控制站(2) 的筆記本電腦(3.1)中回放航跡。無人機(1)在場地條件較好的地區可滑降， 在場地條件惡劣、地形複雜的環境下可用傘降。
無人機(1)在預定航線上超低空飛行(最低可距地面50ra)，可通過遙控 器手動拍照，或者按照程序自動拍攝照片，並將照片儲存在相機卡內。拍照同時 可以記錄拍攝點的經度、緯度、高程、飛機俯仰角、飛機偏轉角等信息。
⑤飛行中的經度、緯度、高程、飛機俯仰角、飛機偏轉角等數據信息通過微 波發射器(4)、微波接收天線(5)以及數據連線(6)，實時顯示於地面控制站 (2)的顯示屏(3.2)和筆記本電腦(3.1)上，以便及時調整飛機姿態。
⑥ 相機監視圖像通過微波發射器(4)、微波接收天線(5)以及數據連線(6), 實時顯示於地面控制站(2)的顯示屏(3.2)和筆記本電腦(3.1)上。同時可 對監視圖像錄像，以避免不連續拍照導致的信息丟失。
⑦ 對不同時期拍攝照片按照近景攝影測量理論，進行處理計算比較，就可以 計算出目標區域的位移。
三、本測量方法
如圖4，本測量方法以無人機(1)為載體實現超低空飛行，以數位相機(2) 為信息採集器件，用計算軟體(7)按照近景攝影測量的方法對數位相機(2)拍 攝的照片進行處理計算從而獲取目標區域表面位移。
計算軟體(7)包括照片前處理模塊(7. 1)、點位坐標量測模塊(7.2)、影像 匹配模塊(7.3)、控制條件輸入模塊(7.4)、照片參數解算模塊(7.5)、光束平差 法解物方坐標模塊(7. 6)、位移分析模塊(7. 7)、誤差分析模塊(7. 8)。
① 照片前處理模塊(7.1)主要對照片進行濾波去噪、影像糾正(以消除或減 少運動拍照所產生的拖尾現象)、圖象增強等處理。
② 點位坐標量測模塊(7. 2)主要是測量並提取控制點和目標點在照片平面坐 標系中的坐標。
③ 影象匹配模塊(7. 3)對出現同名控制點的照片進行分類管理。
④ 控制條件輸入模塊(7. 4)主要是輸入控制點已知坐標以及其他的控制條 件方程。
⑤ 照片參數解算模塊(7. 5)利用分類後的照片和控制條件，用直接線性變換 解法解算每張照片的內方位元素和外方位元素，並計算未知點物方坐標的初值。
⑥ 光束平差法解物方坐標模塊(7. 6)利用物方坐標初值以及照片的內、外方 位元素按照光線束平差法計算目標區域未知點的三維坐標。
⑦ 位移分析模塊(7. 7)主要是對計算出的三維坐標進行管理，並根據不同時 期照片所獲得三維坐標的變化，確定未知點的位移；同時用差分的方法獲得目標 區域的表面位移並建模。
⑧ 誤差分析模塊(7.8)主要考慮照片質量、坐標量測、照片參數計算、光束 平差法等計算過程確定該次測量的精度。
本測量方法包括下列步驟 ① 照片前處理模塊(7. 1)、點位坐標量測模塊(7. 2)依次銜接得到數據信息像 點坐標(7.9);
② 照片參數解算模塊(7. 5)的執行除了需要像點坐標(7. 9)數據信息外，還需 要影像匹配模塊(7. 3)和控制條件輸入模塊(7. 4)兩個獨立操作模塊的結果；
③ 光束平差法解物方坐標模塊(7. 6)與照片參數解算模塊(7. 5)銜接，其後續 步驟為位移分析模塊(7. 7)和誤差分析模塊(7. 8)。
具體地說
照片前處理模塊(7. l)對照片進行處理後，進入點位坐標量測模塊(7.2)，量 測控制點和目標點在照片平面坐標系的坐標值，得到像點坐標(7.9)數據信息； 影像匹配模塊(7.3)對照片按照同名控制點進行匹配分類，控制條件輸入模塊 (7.4)把控制點物方坐標以及其他控制條件輸入後，照片參數解算模塊(7.5)按 照直接線性變換解法計算照片的內外方位元素，以及目標點物方坐標的初值，光 束平差法解物方坐標模塊(7.6)利用照片的內、外方位元素以及控制點坐標、目 標點物方坐標初值按照光線束平差法計算目標點的物方坐標，也就是目標點的三 維坐標；位移分析模塊(7.7)根據不同時期照片所計算的同一目標點的物方坐標 的差值，確定該點的位移，並用差分的方法獲得目標區域地面的位移；誤差分析 模塊(7.8)考慮照片質量、坐標量測、照片參數計算、光束平差法等計算過程確 定該次測量的精度。
權利要求
1、一種基於無人機的航空近景攝影位移測量系統，其特徵在於包括無人機(1)、數位相機(2)、地面控制站(3)、微波發射器(4)、微波接收天線(5)、數據線(6)和計算軟體(7)；在無人機(1)上裝置有數位相機(2)和微波發射器(4)，通過微型模型無人機(1)的飛控板(1.1)連接；數據線(6)連接地面控制站(3)上的電腦串口(3.3)和微波接收天線(5)，計算軟體(7)安裝在地面控制站(3)的筆記本電腦(3.1)上。
2、 按權利要求1所述的一種基於無人機的航空近景攝影位移測量系統，其 特徵在於地面控制站(3)為可以摺疊的箱形，下面設置有筆記本電腦(3.1)，上方 為顯示屏(3.2)，並設置電腦串口 (3.3)。
3、 按權利要求1所述的一種基於無人機的航空近景攝影位移測量系統，其 特徵在於數位相機(2)通過在微型模型無人機(1)的機頭或者機身開孔固定的方式 與無人機(1)連接，數位相機(2)的鏡頭(2.1)或豎直朝下，或與水平面有 0 60度的夾角。
4、 按權利要求1所述的一種基於無人機的航空近景攝影位移測量系統，其 特徵在於計算軟體(7)包括照片前處理模塊(7.1)、點位坐標測量模塊(7.2)、影象 匹配模塊(7.3)、控制條件輸入模塊(7.4)、照片參數解算模塊(7.5)、光束平差 法求解物方坐標模塊(7.6)、位移分析模塊(7.7)、誤差分析模塊(7.8)。
5、 一種基於無人機的航空近景攝影位移測量方法，其特徵在於 以無人機(1)為載體實現超低空飛行，以數位相機(2)為信息採集器件，用兵計算軟體(7)按照近景攝影測量的方法對數位相機(2)拍攝的照片進行處 理計算從而獲取目標區域表面位移；包括下列步驟① 照片前處理模塊(7. 1)、點位坐標量測模塊(7. 2)依次銜接得到數據信息像 點坐標(7.9);② 照片參數解算模塊(7. 5)的執行除了需要像點坐標(7. 9)數據信息外，還需 要影像匹配模塊(7. 3)和控制條件輸入模塊(7. 4)兩個獨立操作模塊的結果；③ 光束平差法解物方坐標模塊(7. 6)與照片參數解算模塊(7. 5)銜接，其後續 步驟為位移分析模塊(7. 7)和誤差分析模塊(7. 8)。
全文摘要
本發明公開了一種基於無人機的航空近景攝影位移測量系統及其方法，涉及一種航空近景攝影位移測量技術。本系統包括無人機(1)、數位相機(2)、地面控制站(3)、微波發射器(4)、微波接收天線(5)、數據線(6)和計算軟體(7)；在無人機(1)上裝置有數位相機(2)和微波發射器(4)，通過微型模型無人機(1)的飛控板(1.1)連接；數據線(6)連接地面控制站(3)上的電腦串口(3.3)和微波接收天線(5)，計算軟體(7)安裝在地面控制站(3)的筆記本電腦(3.1)上。由於本發明可以避免傳統位移測量的一些問題，適用於大位移大範圍工程的位移測量，特別是通行困難或作業危險區域工程的位移測量。
文檔編號G01C11/00GK101201248SQ20071016865
公開日2008年6月18日 申請日期2007年12月7日 優先權日2007年12月7日
發明者偉 任, 李小春, 杜學飛 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所