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运用消费级无人机进行倾斜摄影测量

相关案例 2017-11-03 17:54

  我们在说一个新技术的时候往往会有连带的技术,比如说无人机,无人机现在的应用很广泛,但单靠一个无人机什么都做不了,所以必须有对应的技术和要求,倾斜摄影技术就是针对无人机所产生的一种全新技能,也让航拍测绘领域发生了天翻地覆的变化,今天就让江苏启飞小编来给大家说一下如何运用消费级无人机进行倾斜摄影测量的相关案例!


  (1)使用“消费级无人机”


  “消费级无人机”是一种适合广大消费者使用的多轴飞行器。目前,随着无人机行业的持续升温,消费级无人机市场也在迅速膨胀,业内出现了许多优秀的产品,如大疆"悟"、"精灵"系列无人机。


  该类无人机的优势一是价格亲民,市场价仅万余元;二是操作简单,操控新手仅需一个星期的熟悉过程就可以上手飞行;三是无需拍照,按照《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》要求,重量小于等于7公斤的微型无人机,飞行范围在目视视距内半径500米、相对高度低于120米的范围内,无须证照。而消费级无人机重量一般在1至2千克左右,而且是在视距内飞行,因此不需要考取驾照。


  (2)降低无人机拍摄要求


  按照一般思路,相机系统必须由5个相机组成,其中一个垂直下视,其余四个倾斜拍摄,并且按照航线进行间隔曝光。但通过对数据后处理过程的分析,数据采集的核心要求是获取目标全方位的影像信息。基于此,用单个相机通过多角度顺序序列曝光获取目标影像信息完全可以代替5视倾斜摄影相机航线间隔曝光的数据采集过程。


  (3)实现智能控制无人机


  无人机智能控制包括飞行控制和相机控制。而各大消费级无人机制造商要么使用的是开源飞行控制系统,如:ArduPilotMega(APM),要么为用户提供软件开发包,如大疆SDK。基于此,通过程序即可实现无人机飞行平台和相机系统的智能控制。


  基于以上3点,利用消费级无人机飞行平台,搭载配套单相机系统,通过程序实现航摄路径设计,控制曝光角度、曝光间隔即可完成倾斜摄影数据采集的过程。


  3消费级无人机倾斜摄影测量实验方法


  为了验证以上思路是否可行,江苏启飞应用特选择了广西南宁邕宁区百济乡红星村古今坡作为实验对象,实验区域为自然屯房屋聚集区。


  硬件系统选用DJI“Phantom4”,该无人机继承了DJI精灵系列一贯的稳定、安全、灵活等特性,并且拥有双IMU和双磁罗盘的设计,让飞行作业更加安全,续航时间长达28分钟。


  该无人机搭载精灵系列最新成像设备,具备1200万有效像素,拥有94°视角、f/2.8光圈的超低畸变的镜头,成像清晰锐利。较前代畸变降低了36%,色差降低了56%,并显著消除暗角。


  软件系统包含航线设计、曝光设置、飞行监控等功能。通过广泛调研和对比,选择了IOS系统下的“FPVCameraforDJI”软件。该软件利用DJISDK开发,在该软件MissionPlanner(任务规划)的Target-WP(目标航点设计)功能中,具备任务规划功能,能够规划飞行航点,设计飞行高度;能够设定目标点、控制相机拍照方向角度和俯仰角度,控制曝光间隔;还能够实时监控飞机的飞行位置、姿态,以及相机拍摄画面。


  按照常规方法,使用五视倾斜相机的飞行平台,采用的是传统“Z”字航线,间隔曝光。而本方案为了保证较高的采集效率和较小的数据量,采用的矩形环绕中心拍照的的曝光方式。具体设计步骤如下:


  (1)确定地面分别率优于0.05米,考虑到所选相机视角为94度,我们设计镜头与目标的投影距离d为70米,飞行相对高度为h为70米。


  (2)将航摄区域依据实际情况设计10个航拍目标点T1~T10,为保证航摄俯角α在35°-40°之间,设定目标高度为相对高度-20米,此时α=Arctan(d/(h+20))=37.87°。


  (3)依据航摄目标点T和投影距离d,将摄区划分为10个航摄区域,每个区域由矩形航线环绕,拍照朝向目标点。为最高效利用航摄路径,减少无效重复路径,实验区域未采用矩形型航线,如图1所示(其中H表示航点,T表示目标点,箭头表示航行方向,H1-H4航点摄像方向朝向T1,H5-H8航点摄像方向朝向T2),而是采用方波式航线,如图2所示(其中H表示航点,T表示目标点,箭头表示航行方向,H1-H3,H8航点摄像方向朝向T1,H4-H7航点摄像方向朝向T2),并且在区域相接部分增加了重叠部分。最终航线设计如图3所示。

无人机倾斜摄影航线设计图

  4 实验


  完成航线设计后,即可执行航摄任务。本次航摄总航程4152米,耗时15分43秒,获取倾斜航片共计422张。地面分辨率在0.019~0.058米。数据通过ContextCapture三维建模软件进行生产,自动匹配连接点92965个,完成9.5万平方米的三维模型制作。模型效果见图4、图5所示。

倾斜摄影三维实景模型

  局部倾斜摄影三位实体模型

       5 消费级无人机倾斜摄影实验结论


  通过观察模型成果,发现该方法完成的三维实景模型,纹理丰富,细节明显,空间位置关系精准,除部分航摄盲点区域模型存在拉伸变形情况外,整体满足了预期要求,是一种可行的倾斜摄影数据采集方案。


  本实验采用一种低成本、低技术门槛的方法实现了倾斜摄影数据的采集,但本方法只适用于1~3个平方千米的数据采集,当进行中大范围倾斜摄影数据采集时,航摄效率大幅降低,工作成本大大增加。因此,该方法仅限于小范围的三维实景模型制作,可应用于应急测绘保障服务、新农村规划、农村房屋权籍调查、数字城市建模、工程项目进度监督、国土执法监测等方面。


  倾斜摄影技术是世界测绘范畴近些年发展起来的一项高新技能。它改变了以往航测遥感影像只能从笔直方向拍照的局限性,倾斜拍照丈量技能经过多台传感器从不同的视点进行数据的收集,快速、高效获取丰厚的数据信息,真实地反映地上的客观情况,满足人们对三维信息的需求。由该技能出产的三维实景模型现在已广泛应用于应急测绘保证、疆土、公共安全、农业、林业、市政等多个职业范畴,展示了巨大的潜力。


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