CN113640825A - 一种无人机复合立体测绘***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种无人机复合立体测绘***及方法，涉及测绘领域，该***可实现高效率、高精度主被动复合测绘，获取目标区域三维DEM信息。无人机复合立体测绘***由无人机作业分***和地面控制处理分***组成。无人机作业分***包括无人机平台、激光雷达、五拼相机、GNSS/IMU组合导航单元、数据交互子***1，地面控制处理分***包括地面站、地面基站、数据交互子***2。两个分***通过无线指令实现控制指令与***状态数据的双向传输，激光雷达获取的三维激光点云数据与五拼相机采集的倾斜摄影测量数据融合，获取工作区域的高精度地表DEM信息。

Description

一种无人机复合立体测绘***及方法
技术领域
本发明涉及测绘领域，提供了一种无人机复合立体测绘***及方法。
背景技术
激光雷达作为一种新兴的三维数据获取手段，能够快速获取地形表面数据，地物特征等，是一种高精度、高密度、高效率的主动测量技术，它可以在多种恶劣观测条件下进行外业扫描，大面积快速获取目标物体表面的海量三维激光点云数据，实现目标物体的立体成像。该技术也存在着一些不足，如地物的轮廓能力十分有限，相机拍摄角度不理想等。
倾斜摄影测量技术是利用倾斜摄影装置同时快速获取倾斜影像和正射影像，再利用计算机自动图形处理技术进行自动空三处理，经过影像匹配和表面纹理映射技术手段，最大限度地真实还原地表真实景物，但也存在着测量精度的问题。
三维激光扫描和倾斜摄影测量技术存在各自的优缺点，将两种技术手段结合起来，互相弥补不足，可以快速，全面的获取高精度、高密度的立体成像，明显地反映出地形的表面变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无人机复合立体测绘***，以解决上述背景中提出的三维信息难以完整性采集问题，提供一种高效率、高精度、高细节的复合立体成像***。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现一种无人机复合立体测绘***，包括无人机作业分***及地面控制处理分***。
无人机作业分***包括悬翼或固定翼无人机、激光雷达、五拼相机、GNSS/IMU组合导航单元、数据交互子***及辅助设备。
地面控制处理分***包括地面站、地面基站、数据交互子***以及应急遥控设备。
所述的激光雷达为扫描成像激光雷达，其扫描范围决定的地面幅宽与五拼相机地面幅宽一致。
所述的五拼相机的4个相机按照一定的倾斜角度安装固定在支架上，倾斜角度为30°～45°之间，1个相机按照正射角度固定在相机架端头，五台相机同时曝光，用于不同角度获取地物照片，用于生成地物的三维图像。
所述的GNSS/IMU组合导航单元与机上激光雷达和五拼相机一体化刚性安装，并与飞机平台隔震安装，保障飞行作业时的***稳定性与安全性，同时获取高精度的姿态定位信息。
所述的机上数据交互子***1可实现对平台、载荷的控制管理，通过数据交互子***1的数传模块将***工作状态实时回传以监测工作状态，同时数传模块还可将部分数据实时回传，并且所有作业数据均可存储在机上。
所述的地面站实现飞行控制、航线规划、机载业务状态监测与显示功能。
所述的地面基站与机上GNSS/IMU组合导航单元实现定位数据的差分解算，获取更精确的飞机位置信息。
所述的整个***数据采集包括以下内容：
开始测量前，启动地面站的监控***，启动无人机攀升到预设作业高度，飞机悬停或巡航飞行，启动载荷设备，监测设备运行状态，设备运行正常后无人机飞往测区作业，数传模块汇总***状态数据与部分作业数据，根据地面站工作指令回传数据。
本发明还提供了一种无人机复合立体测绘方法，激光雷达与五拼相机在GNSS/IMU组合导航单元输出的秒脉冲同步下，依据固定时序进行激光发射与可见光曝光，以实现激光发射时刻与曝光时刻的高精度获取。在一次作业过程中一次获取激光雷达点云数据与立体成像数据，激光雷达的点云数据用于补偿成像数据中由于光照条件不佳引起的空洞区域，实现复合立体测绘。
复合成像，步骤包括：
步骤1、激光雷达获取地物激光点云数据，对点云数据进行聚类滤波去噪处理，生成激光三维成像数据；
步骤2、五拼相机获取5个角度的地物成像数据，对成像数据进行小波变换去噪处理，并在成像区域的边缘和区域内设置的特制地物，所述特制地物为多处典型地物或标记点，并在多处典型地物或标记点设置控制点和检查点，通过外业RTK测量，获取控制点与检查点的位置参数，通过控制点来对相机影像几何纠正，纠正相机影像的几何误差以及地理位置信息，通过检查点对其进行精度评定与质量控制；
步骤3、相机影像几何纠正后，通过提取处理后的多角度图像的特征点，根据所述特征点，将不同图像上的特征点进行匹配，匹配后生成地物立体成像数据；
步骤4、采用人工或自动判读的方式，判读地物立体成像数据中由于光照条件不佳引起的空洞区，提取激光三维成像数据与地物立体成像数据中的特征地物，通过特征地物匹配，将激光雷达点云数据叠加并填充地物立体成像数据中的空洞区，实现复合成像。
本发明因为采用上述技术方案，因此具备以下有益效果：
本发明通过激光雷达和五拼相机实现同一区域同步三维成像，并通过外业测量获取的控制点与检查点对雷达和相机数据进行质量控制，通过图像配准，实现激光与五拼相机的三维复合立体测绘。激光雷达获取的点云三维图像可补偿五拼相机立体成像数据中由于光照条件不佳引起的空洞区域，从而减少测绘空洞区，提升数据有效性，更适应复杂地形环境下的地形测绘作业。
附图说明
图1无人机复合立体测绘***实施示意图
具体实施方式
一种无人机复合立体测绘***实施示意图，如图1所示。
下面对整个***进行详细介绍：
包括无人机作业分***和地面控制处理分***，其中无人机作业分***包括无人机、激光雷达、五拼相机、GNSS/IMU组合惯性导航单元以及数据交互子***1。地面控制处理分***包括地面基站、数据交互子***2以及应急遥控设备。地面控制处理分***与无人机作业分***通过无线指令实现数据传输。
GNSS/IMU组合导航单元与机上激光雷达和五拼相机一体化刚性安装，并与飞机平台隔震安装，保障飞行作业时的***稳定性与安全性，同时获取高精度的姿态定位信息。具体信息包括获取***的方位、横滚、航向角、以及飞行平台的地理坐标信息，用于激光雷达坐标解算与数据处理，同时提供五拼相机的外方位元素信息。其方位、横滚、航向角测量精度需优于0.05°，位置精度需优于3m。
激光雷达和五拼相机沿轴线前、后排列。激光雷达内置于机舱内，并探出机舱，五拼相机安装于机腹下方。激光雷达外置可安装冷却风扇装置以提供充足的空气对流，方便在空气流通困难的地方使用。五拼相机按照一定的角度将5个相机安装固定在支架上，本实施例中，4台焦距为55mm的相机按照倾斜40°的角度固定在相机架上，1台相机焦距为35mm的相机按照正射的角度固定在相机架端头，最后通过单片机来控制5台相机的同步曝光。
在无人机开始测量前，启动地面站的监控***，启动无人机攀升到预设作业高度，飞机悬停或巡航飞行，启动载荷设备，监测设备运行状态，设备运行正常后无人机飞往测区作业，数传模块汇总***状态数据与部分作业数据，根据地面站工作指令回传数据。
机上和地面的数据交互子***可实现对平台、载荷的控制管理。通过数传接口将***工作状态实时回传以监测工作状态，数传接口还可将部分数据实时回传，并且所有作业数据均可存储在机上***中。
所述的复合成像，步骤是
步骤1、激光雷达获取地物激光点云数据，对点云数据进行聚类滤波去噪处理，生成激光三维成像数据；
步骤2、五拼相机获取5个角度的地物成像数据，对成像数据进行小波变换去噪处理，并在成像区域的边缘和区域内设置的特制地物，所述特制地物为多处典型地物或标记点，并在多处典型地物或标记点设置控制点和检查点，通过外业RTK测量，获取控制点与检查点的位置参数，通过控制点来对相机影像几何纠正，纠正相机影像的几何误差以及地理位置信息，通过检查点对其进行精度评定与质量控制；
步骤3、相机影像几何纠正后，通过提取处理后的多角度图像的特征点，根据所述特征点，将不同图像上的特征点进行匹配，匹配后生成地物立体成像数据；
步骤4、采用人工或自动判读的方式，判读地物立体成像数据中由于光照条件不佳引起的空洞区，提取激光三维成像数据与地物立体成像数据中的特征地物，通过特征地物匹配，将激光雷达点云数据叠加并填充地物立体成像数据中的空洞区，实现复合成像。

Claims (9)

1.一种无人机复合立体测绘***，其特征在于：包括无人机作业分***和地面控制处理分***，
其中，无人机作业分***包括无人机平台(1)、激光雷达(2)、五拼相机(3)、GNSS/IMU组合导航单元(4)、数据交互子***1(5)；
地面控制处理分***包括地面站(6)、数据交互子***2(7)、地面基站(8)；
GNSS/IMU组合导航单元(4)与激光雷达(2)和五拼相机(3)一体刚性连接，实时获取高精度的姿态定位信息；
无人机作业分***的数据交互子***1通过无线链路将***工作状态与部分作业数据回传给地面控制处理分***的数据交互子***2，实现状态监测与数据显示；
数据交互子***2将控制指令传输给无人机作业分***，实现无人机的飞行控制以及载荷工作流程控制。
地面站实现飞行控制、航线规划、机载业务状态监测与显示。
2.根据权利要求1所述的一种无人机复合立体测绘***，其特征在于：激光雷达(2)和五拼相机(3)沿无人机的轴线前、后排列，激光雷达(2)内置于无人机的机舱内，并探出机舱，五拼相机(3)安装于无人机的机腹下方。
3.根据权利要求1所述的一种无人机复合立体测绘***，其特征在于：激光雷达(2)成像模式为扫描成像，其扫描范围决定的地面幅宽与五拼相机地面幅宽一致。
4.根据权利1要求所述的一种无人机复合立体测绘***，其特征在于：五拼相机的4个相机按照倾斜角度安装固定在支架上，倾斜角度为30°～45°之间，1个相机按照正射角度固定在相机架端头，五台相机同时曝光。
5.根据权利1要求所述的一种无人机复合立体测绘***，其特征在于：激光雷达(2)、五拼相机(3)、GNSS/IMU组合导航单元(4)一体固定安装，并与无人机隔震安装，保障飞行作业时的***稳定性与安全性，同时获取高精度的姿态定位信息。
6.根据权利1要求的一种无人机复合立体测绘***，其特征在于：数据采集包括以下内容：
开始测量前，启动地面站的监控***，启动无人机攀升到预设作业高度，飞机悬停或巡航飞行，通过数据交互子***2发送控制指令，启动无人机复合立体测绘***，通过回传的***状态信息监测设备运行状态，设备运行正常后无人机飞往测区作业，数据交互子***1汇总***状态数据与部分作业数据，根据地面站工作指令回传数据。
7.根据权利1要求所述的一种无人机复合立体测绘***，其特征在于：激光雷达(2)与五拼相机(3)在GNSS/IMU组合导航单元(4)输出的秒脉冲同步下，依据固定时序进行激光发射与可见光曝光，以实现激光发射时刻与曝光时刻的高精度获取。
8.一种无人机复合立体测绘方法，其特征在于：在一次作业过程中一次获取激光雷达点云数据与立体成像数据，激光雷达的点云数据用于补偿成像数据中由于光照条件不佳引起的空洞区域，实现复合立体测绘。
9.根据权利要求8所述的一种无人机复合立体测绘方法，其特征在于：复合成像，步骤包括：
步骤1、激光雷达获取地物激光点云数据，对点云数据进行聚类滤波去噪处理，生成激光三维成像数据；
步骤2、五拼相机获取5个角度的地物成像数据，对成像数据进行小波变换去噪处理，并在成像区域的边缘和区域内设置的特制地物，所述特制地物为多处典型地物或标记点，并在多处典型地物或标记点设置控制点和检查点，通过外业RTK测量，获取控制点与检查点的位置参数，通过控制点来对相机影像几何纠正，纠正相机影像的几何误差以及地理位置信息，通过检查点对其进行精度评定与质量控制；
步骤3、相机影像几何纠正后，通过提取处理后的多角度图像的特征点，根据所述特征点，将不同图像上的特征点进行匹配，匹配后生成地物立体成像数据；
步骤4、采用人工或自动判读的方式，判读地物立体成像数据中由于光照条件不佳引起的空洞区，提取激光三维成像数据与地物立体成像数据中的特征地物，通过特征地物匹配，将激光雷达点云数据叠加并填充地物立体成像数据中的空洞区，实现复合成像。
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