无人机实时摄影测量技术的应用研究与展望.pdf
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1、第 卷第期 年月有色金属(矿山部分)N o n f e r r o u sM e t a l s(M i n i n gS e c t i o n)V o l ,N o M a y d o i:/j i s s n 无人机实时摄影测量技术的应用研究与展望黄立鑫,苏建龙,李小军,郭瑞霞(兰州信息科技学院,兰州 ;兰州交通大学 测绘与地理信息学院,兰州 )摘要:无人机实时摄影测量是一种快速发展且具有广泛应用前景的高新技术.为更好地理解现阶段无人机实时摄影测量技术的应用现状与未来的发展趋势,通过文献综述的方法,系统地梳理了无人机摄影测量技术的基本原理;从飞行平台与控制、航线规划与导航、影像处理与提取
2、和三维建模与应用四个方面评述了无人机摄影测量的关键技术;从城市规划与建设、灾害监测与评估、文物保护与研究和土地利用与管理四个领域论述了无人机摄影测量技术的应用现状.研究表明,通过数据处理与分析算法的优化和智能化与自动化的发展提升这两方面的创新应用,能够极大地推动无人机实时摄影测量技术的发展,更好地实现高质量、高效益和高安全的发展目标.关键词:无人机;摄影测量;关键技术;应用领域;创新发展中图分类号:P ;V ;T D 文献标志码:A文章编号:()A p p l i c a t i o nr e s e a r c ha n dp r o s p e c t o fU A Vr e a l t
3、i m ep h o t o g r a mm e t r y t e c h n o l o g yHUANGL i x i n,S UJ i a n l o n g,L IX i a o j u n,GUOR u i x i a(L a n z h o uC o l l e g eo f I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y,L a n z h o u ,C h i n a;F a c u l t yo fG e o m a t i c s,L a n z h o uJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,L a n
4、 z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:UAV r e a lt i m ep h o t o g r a mm e t r yi sak i n do fh i g ht e c h n o l o g y w i t hr a p i dd e v e l o p m e n ta n d w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t I no r d e rt ob e t t e ru n d e r s t a n dt h ec u r r e n ta p p l i c a t i o ns t a t
5、u sa n df u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d so fUAVp h o t o g r a mm e t r y t e c h n o l o g y,t h eb a s i cp r i n c i p l e so fUAVp h o t o g r a mm e t r y t e c h n o l o g ya r e s y s t e m a t i c a l l y s o r t e do u t t h r o u g ha l i t e r a t u r e r e v i e w T h ek e y t
6、e c h n o l o g i e so fUAVp h o t o g r a mm e t r ya r e r e v i e w e d f r o mf o u r a s p e c t s:f l i g h tp l a t f o r ma n d c o n t r o l,r o u t e p l a n n i n g a n d n a v i g a t i o n,i m a g e p r o c e s s i n g a n d e x t r a c t i o n,a n d D m o d e l i n g a n da p p l i c a
7、 t i o n T h ea p p l i c a t i o ns t a t u so fUAVp h o t o g r a mm e t r yt e c h n o l o g y i sd i s c u s s e d f r o mf o u r f i e l d s:u r b a np l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o n,d i s a s t e r m o n i t o r i n ga n da s s e s s m e n t,c u l t u r a lr e l i cp r o t e c t i o
8、 na n dr e s e a r c h,a n dl a n du s ea n dm a n a g e m e n t T h er e s e a r c hs h o w st h a t t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no fd a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i sa l g o r i t h m sa n dt h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n c ea n da u t o m a t i o nt oi m
9、p r o v et h ei n n o v a t i v ea p p l i c a t i o no ft h e s et w oa s p e c t s,c a ng r e a t l yp r o m o t e t h ed e v e l o p m e n t o fUAVr e a l t i m ep h o t o g r a mm e t r y t e c h n o l o g y,a n db e t t e r a c h i e v e t h ed e v e l o p m e n t g o a l so fh i g hq u a l i t
10、 y,h i g he f f i c i e n c y,a n dh i g hs a f e t y K e yw o r d s:UAV;p h o t o g r a mm e t r y;k e yt e c h n o l o g y;a p p l i c a t i o nf i e l d;i n n o v a t i v ed e v e l o p m e n t收稿日期:基金项目:甘肃省教育厅高校教师创新基金项目(B )作者简介:黄立鑫(),男,工程师,博士研究生,土木工程监测与评估专业,主 要 从 事 S技 术 及 应 用 研 究.E m a i l:q q c
11、o m.无人机实时摄影测量技术是结合了无人机航拍和实时数据处理技术的一种先进地球观测手段,近年来在地理信息获取、环境监测、灾害应急等领域展现出了巨大的应用潜力 .传统的摄影测量技术主要依靠有人驾驶的航空器进行数据采集,并且数据处理通常需要一定的时间.相对而言,无人机实时摄影测量技术通过搭载相机等设备的无人机,实时获取数据并进行处理与分析,能够快速获取目标区域的高质量影像数据,并通过实时数据处理实现地物的三维建模、变化监测和环境分析,具有即时性强、数据处理效率高等优势,极大地提高了测量的效率和精度 .随着无人机技术和图像处理技术的不断成熟与有色金属(矿山部分)第 卷发展,无人机实时摄影测量技术已
12、成为获取高精度、高分辨率地理信息数据并实时处理的重要手段之一,在诸多领域得到了广泛的应用,并取得了丰硕的成果.过去几十年中,无人机实时摄影测量技术取得了长足的发展,但也面临着一些挑战和问题.本文利用文献综述的方法,首先分析了无人机实时摄影测量技术的基本原理.然后对无人机实时摄影测量技术的关键技术进行了总结,并对无人机实时摄影测量技术的应用领域进行了简要介绍.最后,依托现阶段科学技术发展背景,对未来无人机实时摄影测量技术的发展趋势进行展望.本文是对无人机实时摄影测量技术现状与发展的系统性总结,旨在丰富无人机摄影测量技术与应用理论体系,为相关领域的学术研究和工程应用提供科学参考,对实现摄影测量技术
13、高质量发展和信息化工程建设具有重要的意义.无人机摄影测量的关键技术 飞行平台与控制技术无人机飞行平台与控制技术需要支持飞行控制系统、飞行平台稳定性和传感器集成等功能,在保证飞行安全和稳定的前提下,实现摄影测量工作的高效完成.无人机平台的飞行控制系统是保证飞行稳定和航迹控制的核心.在实时摄影测量工作中,飞行控制系统需要具备高精度的定位能力和较强的自动飞行功能,以确保飞行轨迹的稳定和准确,并且飞行控制系统还需要与摄影测量软件或系统集成,实现航线规划、航点控制等功能,以支持摄影测量任务的高效完成.基于无人机开展实时摄影测量工作中,影像数据质量直接受到飞行平台稳定性的影响,故无人机在设计和制造时需要考
14、虑结构稳定性、飞行控制算法、风阻抗性等因素,以提高飞行平台的稳定性和可靠性.同时,实时摄影测量工作中通常需要搭载光学相机、多光谱传感器、热红外传感器等进行数据采集.因此,无人机平台技术需要支持多种传感器的集成和协同工作,以实现多源数据的同时获取和处理.传感器集成涉及到硬件接口设计、数据融合算法、实时数据传输等方面的技术,对无人机平台技术提出了更高的要求.诸多技术的发展和应用,使得无人机在实时摄影测量领域有着广阔的应用前景,并为地理信息获取、环境监测等领域提供了重要支持.航线规划与导航技术航线规划与导航技术是保证无人机能够按照预定的航线飞行,并在飞行过程中获取高质量影像数据的关键技术之一.航线规
15、划是指根据摄影测量任务的需求和地理环境,确定无人机的飞行路径和航点.在实时摄影测量中,航线规划需要考虑到飞行区域的地形、地物特征、安全限制以及数据采集的要求,以确保无人机能够全面覆盖目标区域并获取所需的影像数据.航线规划通常由专门的航线规划软件或系统进行实施,根据用户输入的参数和地理信息数据,生成合适的飞行路径和航点.在实时摄影测量工作中,无人机还需要具备导航功能,自动导航技术能够保证无人机按照预定规划的航线自主飞行,并在指定位置进行影像采集,从而确保数据采集的准确性和完整性.自动导航系统通常包括GN S S I MU组合导航系统、地面测控系统和飞行控制算法等组成部分,极大地实现了无人机在空间
16、中的精确定位和航向控制.同时,无人机需要具备避障能力,通过视觉传感器、激光雷达、超声波传感器等感知设备来实现,结合相应的避障算法识别和规避潜在的障碍物,保证飞行安全和数据采集质量.航线规划与导航技术的发展和应用,使得无人机在实时摄影测量领域能够高效、精确地完成数据采集任务.影像处理与提取技术影像处理与提取技术在无人机实时摄影测量中起着至关重要的作用,它不仅能够提高影像数据的质量和准确性,还可以为地理信息处理和应用提供丰富的数据内容和支持,影像处理与提取技术是利用无人机获取的影像数据进行处理和分析,进一步提取地物特征、地形信息等有用的数据内容.在实时摄影测量中,影像预处理是影像处理的第一步,包括
17、图像去噪、几何校正与辐射校正等.其中,去噪处理可以通过滤波算法、小波变换等方法实现,以减少图像中的干扰信息;几何校正则是为了消除图像中的畸变,使得图像更符合地理坐标系统;而辐射校正则是调整图像的亮度、对比度等参数,以提高图像质量和准确性.特征提取是对影像数据进行分析,主要采用目标检测、分类识别、边缘提取、纹理分析等技术提取影像数据中建筑物、道路、植被等地物特征信息.对于实时摄影测量工作而言,特征提取能够快速获取目标区域的地物信息,为后续的地图制作、资源管理等提供数据支持.最后,影像处理与提取技术还需要将处理后的影像数据与其他地理第期黄立鑫等:无人机实时摄影测量技术的应用研究与展望信息数据进行集
18、成和分析,以实现更深层次的信息挖掘和应用.例如,将获取的地物信息与地理信息系统(G I S)数据进行融合,可以实现对地物变化、资源分布等方面的分析和监测 .三维建模与应用技术三维建模与应用技术是利用无人机获取的影像数据进行三维地图模型的构建,并将其应用于地理信息系统、城市规划、资源管理等领域.无人机可以通过不同的飞行轨迹和姿态,获取目标区域的多角度、多方位的影像数据,这些影像数据可以提供丰富的地物信息和立体视角,为后续的三维建模奠定了基础.在获取到多角度影像数据后,需要进行影像配准与融合,以确保各个影像之间的空间一致性和连续性.通过配准和融合处理,将不同角度、不同分辨率的影像整合成一个连续的影
19、像地图,为后续的三维重建提供数据基础.通过运用立体匹配、结构光扫描等技术进行三维模型的构建,生成数字地形模型(D TM)、数字表面模型(D S M)等数据资料.三维建模技术在实时摄影测量中有着广泛的应用.首先,它可以为城市规划、土地利用、环境监测等领域提供真实、精确的地形地貌信息,为决策者提供参考依据.其次,三维建模还可以用于资源管理、灾害监测等方面,通过对地形的三维模拟,实现对自然资源和环境变化的监测和预测.无人机摄影测量技术的应用领域 城市规划与建设无人机实时摄影测量技术在城市规划与建设领域具有广泛的应用,主要有地形测量与制图、建筑物检测与分类、城市更新与变化监测、环境评估与风险分析与交通
20、规划与分析等方面,可以提供高精度、高效率的地理数据,为城市规划者和建设者提供科学的决 策 支 持,促 进 城 市 的 可 持 续 发 展 和 智 能 化建设 .无人机实时摄影测量技术可以高效地获取城市范围内的高分辨率的地形地貌、植被覆盖、道路水系等影像数据,结合计算机视觉和图像处理技术生产D OM、D L G、D EM、D S M等数据,为城市规划提供准确的地理信息基础,如图所示.这些数据可以提供建筑物分布、密度等信息,在建筑物分区、用地规划等决策中起到重要作用.并且无人机实时摄影测量技术可以周期性地获取城市的影像数据,通过对不同时间段的影像数据进行比对和分析,可以快速了解城市的扩张、建设活动
21、等情况,实现对城市更新和变化的监测,为城市规划和建设提供参考依据.通过无人机获取的影像数据,可以进行交通网络的分析和规划,通过识别道路、交叉口等交通要素,可以生成城市的交通流量、拥堵情况等信息,为交通规划者提供科学的决策支持.通过城市范围内的高分辨率影像数据,也可以实现城市环境评估和风险分析,用于评估土地利用、植被覆盖、水体分布等环境因素,并对潜在的自然灾害风险进行分析,为城市规划和应急管理提供科学依据.图城市规划与建设应用F i g U r b a np l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o na p p l i c a t i o n s 灾害监测
22、与评估无人机实时摄影测量技术在灾害监测与评估领域有着重要的应用价值,主要体现在灾害监测、灾害评估、救援指挥和灾后重建等几个方面.在地震、洪水、山体滑坡等自然灾害发生后,无人机技术的应用具有重要意义,可以助力相关部门及时了解灾情,指导救援和重建工作,提高救援效率,减少灾害损失,在国内外已得到了广泛的实践和验证 .无人机可以搭载高分辨率摄像头、红外相机、激光雷达等各类传感器对灾害区域进行实时监测.例如,利用红外相机可以快速掌握火灾、泥石流等灾害发生后的灾情变化,而激光雷达可以实现对地形的高精度三维扫描,帮助确定灾害影响范围和程度,通过无人机获取的高清影像和三维数据,可以快速准确地评估灾害影响范围和
23、损毁程度,可以为救援决策和重建规划提供科学依据,也为相关部门提供全面的灾情报告,如图所示.在灾害发生以后,无人机可以快速、实时获取受灾区域的图像和视频,协助救援队伍确定最佳的救援路径和方案.此外,利用无人机获取的灾区影像和地形数据,对比灾前、灾中有色金属(矿山部分)第 卷和灾后的影像数据,为灾后重建规划提供详细的地理信息支持,更好地指导灾后重建工作.图灾害监测与评估应用F i g D i s a s t e rm o n i t o r i n ga n da s s e s s m e n t a p p l i c a t i o n s 文物保护与研究无人机实时摄影测量技术在文物保护与研
24、究领域的应用主要在文物勘察与监测、三维建模与重建、文物保护规划、文物挖掘辅助与文物修复保护等方面.无人机实时摄影测量技术在文物保护与研究领域的应用,可以为文物保护工作提供全新的手段和视角,帮助文物保护人员更好地了解、保护和研究珍贵的文物遗址,促进文物保护工作的科学化、精细化和智能化发展.基于无人机倾斜摄影测量技术获取文物遗址的三维影像数据,实现对文物的立体化建模和重建,为文物研究、展示和保护提供重要的依据,也为后续的文物保护工作提供详细的地理信息支持,这种方式可以避免对文物本身造成损害,同时可以获取到文物遗址的详细信息,如图所示.通过高清影像和三维模型,可以帮助规划人员更好地了解文物遗址图文物
25、保护与研究应用F i g A n t i q u ec o n s e r v a t i o na n dr e s e a r c ha p p l i c a t i o n s的周边环境和潜在威胁,制定科学合理的文物保护方案,并及时采取有效的保护措施.在考古学领域,无人机可以用于文物遗址的发掘和勘探,利用无人机航拍获取的影像资料,指导挖掘工作的展开;对于已经发现的文物,利用无人机可以定期进行监测,帮助文物保护人员了解其变化状况,及时采取修复措施,保护文物的完整性和原始状态 .土地利用与管理无人机实时摄影测量技术在土地利用与管理领域的应用具有重要的作用,可以提高土地测绘的精度和效率,为土
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- 无人机 实时 摄影 测量 技术 应用 研究 展望
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