无人机摄影测量技术教程.docx
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无人机摄影测量技术教程
第一章绪论
1.1摄影测量的定义和任务…………………………………………1
1.2正直摄影测量……………………………………………………1
1.3倾斜摄影测量……………………………………………………1
第二章航测无人机
2.1无人机基本知识…………………………………………………7
2.1多旋翼航测无人机组成和原理…………………………………9
2.2固定翼航测无人机组成和原理…………………………………11
第三章摄影测量基本原理
3.1无人机空中摄影和航带计算……………………………………15
3.2共线方程…………………………………………………………16
3.3双目立体视觉和立体观测………………………………………20
3.4立体影像匹配……………………………………………………21
第四章相机检校
4.1概述………………………………………………………………26
4.2相机检校算法……………………………………………………27
4.3工程实例…………………………………………………………28
第五章无人机航线规划和像控点测量
5.1无人机航线规划原理和算法……………………………………31
5.2无差分GPS无人机像控点布设与测量…………………………32
5.3带差分GPS无人机像控点布设与测量…………………………33
第六章空中三角测量加密
6.1空三加密的目的和意义…………………………………………34
6.2空三加密连接点的类型与设置…………………………………35
6.2.1标志点刺点……………………………………………………35
6.2.2明显地物点刺点………………………………………………35
6.2.3影像匹配转点…………………………………………………35
6.3光束法区域网空中三角测量………………………………………35
6.3.1光束法区域网空中三角测量的基本思想与内容……………35
6.3.2解析空中三角测量的精度分析……………………………39
6.4inpho摄影测量系统空三加密……………………………………41
第七章矢量数据采集
7.1矢量数据采集基本算法…………………………………………41
第八章正射影像和数字高程模型
8.1真正射影像的概念和制作原理…………………………………42
8.2数字高程模型概念和采集方法…………………………………46
8.3商用摄影测量软件制作DOM和DEM方法………………………48
8.3.1inpho摄影测量系统生产DOM和DEM……………………49
8.3.2Pix4D生产DOM和DEM………………………………………50
第九章无人机倾斜摄影测量
9.1概况……………………………………………………………60
9.2倾斜摄影测量原理……………………………………………60
9.2.1密集匹配算法…………………………………………………61
9.2.2纹理映射和细节层次模型……………………………………61
9.3倾斜摄影测量相机………………………………………………62
9.4商用倾斜摄影测量软件三维建模………………………………62
9.4.1Photoscan三维建模技术……………………………………63
9.4.2Smart3D三维建模技术………………………………………69
9.5Photoscan三维建模软件操作具体步骤…………………………69
第一章绪论
1.1摄影测量的定义和任务
国际摄影测量与遥感协会ISPRS（IntenationalSocietyofPhotogrammetryandRemoteSensing）1998年给摄影测量与遥感的定义是：
摄影测量与遥感是从非接触成像和其他传感器系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球以及环境和其他物体可靠信息的工艺、科学与技术（PhotogrammetryandRemoteSensingistheart,scienceandtechnologyofobtainingreliableinformationfromnoncontractimagingandothersensorsystemsabouttheEarthanditsenvironment,andotherphysicalobjectsandprocessesthroughrecording,measuring,analyzingandrepresentation）。
其中，摄影测量侧重于提取几何信息，遥感侧重于提取物理信息。
也就是说摄影测量是从非接触成像系统，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体的几何、属性等可靠信息的工艺、科学与技术。
摄影测量的特点是对影像进行量测与解译等处理，无需接触物体本身，因而较少受到周围环境与条件的限制。
被摄物体可以是固体、液体或气体；可以是静态或动态；也可以是遥远的、巨大的（宇宙天体与地球）或极近的、微小的（电子显微镜下的细胞）。
按照成像距离的不同，摄影测量可分为航天摄影测量、航空摄影测量、近景摄影测量和显微摄影测量等。
影像是客观物体或目标的真实反映，其信息丰富、形态逼真，可以从中提取所研究物体大量的几何信息与物理信息，因此，摄影测量可以广泛应用于各个方面。
按照应用对象的不同，摄影测量可分为地形地形摄影测量与非地形摄影测量。
地形摄影测量的主要任务是测绘各种比例尺的地形图及城镇、农业、林业、地质、交通、工程、资源与规划等部门需要的各种专题图，建立地形数据库，为各种地理信息系统提供三维的基础数据。
非地形摄影测量用于工业、建筑、考古、医学、生物、体育、变形观测、事故调查、公安侦破与军事侦查等各种方面。
其对象与任务千差万别，但其主要方法与地形摄影测量一样，即从二维影像重建三维模型，在重建的三维模型上提取所需的各种信息。
传统的摄影测量三维模型重建也考虑物体表面纹理的表达，例如地面的正射影像就是地表的真是纹理，但是大多数的应用中，较少考虑物体表面纹理的表达。
随着社会、经济与科技的发展，三维模型真实纹理的重建，在摄影测量的任务中变得非常重要了。
在一些应用中，需要利用不同的摄影方法完成真实纹理的重建，例如城市的三维建模，可能需要航空摄影与近景摄影相结合才能完成。
摄影测量的技术手段有模拟法、解析法与数字法。
随着摄影测量技术的发展，摄影测量也经历了模拟摄影测量、解析摄影测量与数字摄影测量三个发展阶段。
1.2正直摄影测量
地面立体测量的从本思想是从外业摄影取立体像对，（在不同的两个摄站对同一地区进行摄影所得的两张像片为一个立体像对）。
再施测少量控制点，经过内业一系列的处理，通过不同途径，获得被摄区我们所需要的地形图。
它的基本原理是前方交会原理。
1.3倾斜摄影测量
倾斜摄影测量技术通过在同一飞行平台上搭载5台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜五个不同的角度采集影像，拍摄相片时，同时记录航高，航速，航向和旁向重叠，坐标等参数，然后对倾斜影像进行分析和整理。
在一个时段，飞机连续拍摄几组影像重叠的照片，同一地物最多能够在3张相片上被找到，这样内业人员可以比较轻松地进行建筑物结构分析，并且能选择最为清晰的一张照片进行纹理制作。
向用户提供真实直观的实景信息。
影像数据不仅能够真实地反映地物情况，而且可通过先进的定位技术，嵌入地理信息、影像信息，获得更高的用户体验，极大地拓展遥感影像的应用范围。
1.3.1倾斜摄影测量技术特点
1、反映地物真实情况并且能对地物进行量测
倾斜摄影测量所获得三维数据可真实地反映地物的外观、位置、高度等属性，增强了三维数据所带来的真实感，弥补了传统人工模型仿真度低的缺点。
增强了倾斜摄影技术的应用。
2、高性价比
倾斜摄影测量数据是带有空间位置信息的可量测的影像数据，能同时输出DSM，DOM，DLG等数据成果。
可在满足传统航空摄影测量的同时获得更多的数据。
同时使用倾斜影像批量提取及贴纹理的方式，能够有效地降低城市三维建模成本。
3、高效率
倾斜摄影测量技术借助无人机等飞行载体可以快速采集影像数据，实现全自动化的三维建模。
实验数据证明：
1~2年的中小城市人工建模工作，借助倾斜摄影测量技术只需3~5个月就可完成。
1.3.2倾斜摄影测量的关键技术
1、多视影像联合平差
多视影像不仅包含垂直摄影数据，还包括倾斜摄影数据，而部分传统空中三角测量系统无法较好地处理倾斜摄影数据，因此，多视影像联合平差需充分考虑影像间的几何变形和遮挡关系。
结合POS系统提供的多视影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，在每级影像上进行同名点自动匹配和自由网光束法平差，得到较好的同名点匹配结果。
同时，建立连接点和连接线、控制点坐标、GPU/IMU辅助数据的多视影像自检校区域网平差的误差方程，通过联合解算，确保平差结果的精度。
2、多视影像密集匹配
影像匹配是摄影测量的基本问题之一，多视影像具有覆盖范围大，分辨率高等特点。
因此，如何在匹配过程中充分考虑冗余信息，快速准确地获取多视影像上的同名点坐标，进而获取地物的三维信息，是多视影像匹配的关键。
由于单独使用一种匹配基元或匹配策略往往难以获取建模需要的同名点，因此，近年来随着计算机视觉发展起来的多基元、多视影像匹配，逐渐成为人们研究的焦点。
目前，在该领域的研究己取得了很大进展，例如建筑物侧面的自动识别与提取。
通过搜索多视影像上的特征，如建筑物边缘、墙面边缘和纹理，来确定建筑物的二维矢量数据集，影像上不同视角的二维特征可以转化为三维特征，在确定墙面时，可以设置若干影响因子并给予一定的权值，将墙面分为不同的类，将建筑的各个墙面进行平面扫描和分割，获取建筑物的侧面结构，再通过对侧面进行重构，提取出建筑物屋顶的高度和轮廓。
3.数字表面模型生成和真正射影像纠正
多视影像密集匹配能得到高精度高分辨率的数字表面模型DSM，充分地表达了地形地物起伏特征，己经成为新一代空间数据基础设施的重要内容。
由于多角度倾斜影像之间的尺度差异较大，加上较严重的遮挡和阴影等问题，基于倾斜影像的自动获取DSM存在新的难点。
可以首先根据自动空三解算出来的各影像外方位元素，分析与选择合适的影像匹配单元进行特征匹配和逐像素级的密集匹配，引入并行算法，提高计算效率。
在获取高密度DSM数据后，进行滤波处理，将不同匹配单元进行融合，形成统一的DSM。
多视影像真正射纠正涉及物方连续的数字高程模型DEM和大量离散分布粒度差异很大的地物对象，以及海量的像方多角度影像，具有典型的数据密集和计算密集特点。
在有DSM的基础上，根据物方连续地形和离散地物对象的几何特征，通过轮廓提取、面片拟合、屋顶重建等方法提取物方语义信息；同时在多视影像上，通过影像分割、边缘提取、纹理聚类等方法获取像方语义信息，再根据联合平差和密集匹配的结果建立物方和像方的同名点对应关系，继而建立全局优化采样策略和顾及几何辐射特性的联合纠正，同时进行整体匀光处理四，如图所示，倾斜摄影测量数据处理流程。
图1-1倾斜摄影测量数据处理流程
1.3.3倾斜摄影技术的应用
由于倾斜影像为用户提供了更丰富的地理信息，更友好的用户体验，该技术目前在欧美等发达国家己经广泛应用于应急指挥、国土安全、城市管理、房产税收等行业。
在国内政府部门用于:
国土资源管理、房产税收、人口统计、数字城市、城市管理、应急指挥、灾害评估、环保监测。
企事业单位:
房地产、工程建筑、实景导航、旅游规划等领域。
1.3.4倾斜摄影测量数据的处理
倾斜摄影测量数据处理常用的软件：
美国Pictometry公司推出Pictometry倾斜影像处理软件、法国lnfoterra公司的像素工厂、徕卡公司的LPS工作站,AeroMap公司的MultiVision系统、Intergraph公司的DMC系统、Astrium公司StreetFactory系统等软件。
在国内主要有：
红鹏公司推出的无人机敏捷自动建模系统、超图软件公司的SuperMapGIS7C软件、立得空间公司的LeadorAMMS以及武汉天际航公司的DP-Model-er等倾斜摄影测量软件。
第二章航测无人机（边朝鹏）
2.1无人机基本知识
无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。
从技术角度定义可以分为：
无人固定翼机、无人垂直起降机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。
无人机按应用领域，可分为军用与民用。
军用方面，无人机分为侦察机和靶机。
民用方面，无人机+行业应用，是无人机真正的刚需；目前在航拍、农业、植保、自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄、制造浪漫等等领域的应用，大大的拓展了无人机本身的用途，发达国家也在积极扩展行业应用与发展无人机技术。
2013年11月，中国民用航空局（CA）下发了《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》，由中国AOPA协会负责民用无人机的相关管理。
根据《规定》，中国内地无人机操作按照机型大小、飞行空域可分为11种情况，其中仅有116千克以上的无人机和4600立方米以上的飞艇在融合空域飞行由民航局管理，其余情况，包括日渐流行的微型航拍飞行器在内的其他飞行，均由行业协会管理、或由操作手自行负责。
图2-1-1
无人机的系统组成：
一、飞行平台（载机）
1.1机身
固定翼无人机机身一般由epp、epo、玻璃钢、木材等高强度低质量的材质构成。
多旋翼无人机机身一般由碳纤维材料作为主要材质。
1.2动力装置
固定翼多用无刷电动机、甲醇发动机、汽油机、涡扇发动机、涡喷发动机、（后两种多为军用）等作为动力装置。
图2-1-2图2-1-3
图2-1-4图2-1-5
多旋翼无人机多用无刷电动机作动力装置。
无刷电动机
1.3飞控
飞控系统用于无人机的导航、定位和自主飞行控制，它由飞控板、惯性导航系统、GPS接收机、气压传感器、空速传感器等部件组成
飞控系统性能指标要求
a）飞行姿态控制稳度:
横滚角应小于±3° 俯仰角应小于±3° 航向角应小于±3°
b） 航迹控制精度:
偏航距应小于±20米、 航高差应小于±20米、 航迹弯曲度应小于±5°。
二、地面控制站（地面站）
1.系统构成
无线电遥控器、数传电台、增程天线、监控计算机系统、地面供电系统以及监控软件等组成。
a） 监控站主机应选用加固笔记本电脑、或同等性能的计算机和电子设备；
b） 监控数据可以图形和数字两种形式显示，显示做到综合化，形象化和实用化；
c） 无线电遥控器通道数应多于8个，以满足使用要求；
图2-1-6监控计算机系统图2-1-7遥控图2-1-8数传电台
d） 监控计算机应满足一定的防水、防尘性能要求，能在野外较恶劣环境中正常工作；
e） 监控计算机的主频、内存应满足监控软件对计算机系统的要求；
f） 电源供电系统应保障地面监控系统连续工作时间大于3小时。
四、发射与回收系统
1、起飞方式
滑跑起飞 优点：
无需弹射器。
缺点：
场地限制。
弹射起飞 优点：
没有场地限制。
缺点：
需要购置弹射器。
图2-1-9发射与回收系统
2.降落方式：
滑跑回收
优点：
无需回收降落伞。
缺点：
场地限制，安全性不如伞降。
伞降回收
优点：
安全可靠，受场地制约影响小。
缺点：
需要降落伞以及飞控系统支持。
图2-1-10降落伞
2.2多旋翼航测无人机组成和原理
多旋翼航测无人机组成
图2-2-1MD4-1000
图2-2-2大疆s1000
图2-2-3螺旋桨
图2-2-4多旋翼云台
图2-2-5无刷电机
以md4-1000为例：
microdronesmd4-1000四旋翼系统是一种全球技术领先的垂直起降小型自动驾驶无人飞行器系统，可用于执行资料收集、协调指挥、搜索、测量、通讯、检测、侦查等多种空中任务。
相比md4-200，md4-1000拥有更大的任务载荷，更强的抗风能力，更长的续航时间，更优秀的姿态控制，是目前全世界最大型的四旋翼无人飞行器系统。
机体和云台完全采用特殊的碳纤维材料制造，制造工艺源自德国著名的无人机复合材料公司SCHÜBELER，拥有更轻的重量和更高的强度，折叠式支臂设计更方便运输。
基于模块化的设计理念，您可以灵活地更换机载任务设备以适应不同的任务要求。
从高分辨率的数码相机、多款视频解决方案到高端的红外热成像摄像机。
由于md4-1000拥有更大的载重，除图像和视频设备之外，还可以搭载根据用户需要定制的更多种任务设备，如空气采样设备，空中投放设备等，从而完成更多样化的任务。
md4-1000的地面站系统集成了microdrones自主研发的mdCockpit座舱仪表软件，您只需指尖轻点就可以实时接收并查看完整的飞行数据及飞行器所拍摄的视频影像。
还可以根据客户需要定制专用的集成式地面站系统。
md4-1000可以通过遥控器人工操控飞行，也可以借助独一无二的GPSWaypoint系统进行自动驾驶飞行，和md4-200一样，是目前全世界同类无人飞行器产品中唯一可以提供自动驾驶飞行功能的先进无人飞行器系统。
首次引入了2.0BCAN总线系统，AAHRS（姿态、高度及航向参考系统）集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计等多种高精度传感器和卓越的控制算法设计，md4-1000的操控因而变得非常简单，即使您毫无遥控飞行的经验，也能够在很短的时间内学会安全地操控飞行。
md4-1000拥有优秀的安全设计，任何时候只要停止遥控器操作，飞行器就会自动悬停在空中。
如果时间超过30秒接收不到遥控器信号或者电池电量过低，飞行器就会自动缓慢迫降到地面。
做为一种小型电动无人飞行器，md4-1000拥有极高的动力效率，一块机载电池支撑的续航时间最高可长达70分钟（视电池配置、任务载荷及环境如风速、环境温度等状况而定），更换机载电池的操作不超过1分钟就可完成
由于4个250W无刷直驱电机工作时不需要齿轮传动，机械安全性大幅提高，电机高效率运转的同时产生的噪音却很小，在3米的距离悬停时噪音小于71dBA。
地面站
地面站系统包括了4路微波接收器、下传链路接收器、视频捕捉器、视频眼镜和矩阵式天线。
选配的高增益定向天线的增益能达到15dBi。
地面站系统由230V的固定电源或12V的车载电源供电，一块电池可以支持地面站系统工作时间长达10小时。
内置专业锂聚合物电池平衡充电器可以用来为机载电池充电。
您只需通过操作地面站的电脑便可获取飞行器的视频及飞行数据，也可轻松地把飞行记录数据拷贝到CD或DVD中。
地面站系统被设计在坚固的PelicanTM军用安全箱内，可以在恶劣的天气或粗暴的运输中起到可靠的保护作用。
基于MicrosoftTMWindowsTM操作系统的mdCockpit座舱仪表软件集成了飞行规划、飞行监控、飞行数据分析等多种功能于一身。
Downlink解码器可以实时接收并显示飞行器的各种飞行数据，包括电池电压、坐标、高度、方向、姿态、飞行时间、飞行速度、飞行路径、距起飞点的距离、环境温度、风速、电机工作状态、遥控器信号强度、GPS状态等重要信息。
飞行数据回放系统能够同步保存所有的飞行数据，用于航后的数据分析。
即使在人工遥控飞行模式下，只要系统装有当前作业区域电子地图或影像地图数据，系统能够实时显示飞行器在地图上的位置。
Waypoint软件可能帮助您借助航点规划编辑器创建详细飞行航线规划，让飞行器按照您规划的航线自动飞行。
除了规划飞行航线之外，还可以设定多种拍摄计划，例如定点360度全景拍摄、围着定点目标进行环绕拍摄、沿飞行航线定距、定点拍摄。
规划好的飞行航线能够以3D方式显示在屏幕上，根据您的需要，还可以将飞行航线规划导入到GoogleEarth TM中显示。
2.3固定翼航测无人机组成和原理
固定翼航测无人机
1．大白
图2-3-1大白2型空机
是现在普遍使用的航拍测绘部门使用的机体，结构轻强度大价格低廉使之成为大众的首选。
大白航测采用常规气动布局设计，具备良好的稳定的气动性能和操纵性能。
标准设计的照相机舱位在出厂时已经预留，紧贴飞机重心位置，确保飞机在拍摄照片时尽可能减少因受飞行姿态变化的影响。
该机性能稳定，做工精良，性价比高，是国内应用最为广泛也是最安全可靠的航测无人机。
并且该机型通过多次升级优化，实现模块化设计。
易组装、易维修方便运输等优势，现已被国内外多家航测公司广泛采用。
图2-3-2 T10大黄蜂
这款无人机的由来是从T10大黄蜂开始了，T10的设计要求源于傻瓜化这个词汇，专业一点的词汇就是易用性；民用无人机自2008年国内汶川地震之后开始在国内兴起，但是受制于人工起降的方式，大部分潜在用户，以及已经采购了传统布局的无人机的用户，面对操控手的培训周期，人工费用，人员管理；以及使用两冲程玩具发动机做为飞机动力装置所造成熄火迫降或坠机问题带来的风险等诸多问题，最终放弃了无人机的使用；另外一个现象就是国内一些单位采购的时候，贪大求全，不考虑飞机的实际使用，飞机起飞重量操过18kg以上，甚至达到30kg以上，这么大一个无人机重量，而有效载荷又仅仅是一台单反相机；
从飞机性能来看，T10最大持续平飞速度达到了170km/h，在此速度下，飞机的功耗只有1200瓦，相对于普通50cc的油动航拍机140km/h的最大持续平飞速度胜出，但是电动的缺点在于在最大持续平飞速度下，航时会缩短很多（油动飞机同时在最大油门条件下，航时也会有较大缩短）；根据我们的测试，在120km/h的飞行速度下，T10的航时为40分钟；反之，油动版的T10在最大持续平飞速度条件下，同普通航拍机相比优势就非常明显了。
T10在高低速度特性这方面的为什么会有这样优异表现源于其的气动设计，细节处理和表面加工质量。
飞机的低速特性取决于翼载荷，展弦比，机翼气动扭转，所选择的翼型的失速特性，机翼前缘加工质量，飞机表面质量等；高速特性和翼载荷，升力面积分布，飞机的表面粗糙度，飞机各部件之间的关系（干扰阻力），机身机翼的型阻有很大关系；
那么我们来看T10这架飞机，这些参数的特点。
首先翼载荷，T10采用翼身融合结构，机翼面积达到了0.94平米，基本跟国内15kg到20kg的航拍飞机机翼面积相当，而飞机整机重量只有7.8kg，小了一半。
飞机重量小的原因在于3点。
1布局的结构优势，翼身融合，无尾布局.2合理的结构设计和加工工艺。
3滚雪球效应，当飞机结构重量和飞机的需求功率减小时，发动机及发动机所需油料,或者说电动机及电动机所需电池减小，反过来又影响所需承担这些重量的机翼面积。
如果反过来，增加机翼面积，增加结构，对发动机和油料又提出了要求，导致重量滚雪球上升，这就是大家所熟知的飞机设计和加工的口号：
为减轻每一克重量而奋斗！
从阻力角度来看，得益于现代的三维设计软件，T10用翼身融合结构，调整了整机沿X轴向（机身纵轴）的截面积分布和机翼机身之间的融合和过渡，使气流能够尽量不产生过快的收缩和扩张而导致分离；升力面积的分布，按照椭圆升力分布设计削尖比。
将垂尾作为翼尖小翼设计，降低诱导阻力。
前面所提到的更低的翼载荷，以及使用CNC成型的高精度模具和真空袋压的加工复合材料成型工艺保证形状精度和表面粗糙度，使整机阻力降低至80km/h巡航速度下，只需要300瓦的输入功率。
（这一数字是通过机载电流电压表测量得出）
从自动驾驶仪的角度来看，我们做了大量工作，在四五级风力条件下，很多人认为电动飞机没法飞了，但是T10在六级
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