无人机RTK测绘技术在农业生产中的应用_张黔川.pdf
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1、622023 年 5 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺无人机 RTK 测绘技术在农业生产中的应用张黔川(贵州省山地农业机械研究所,贵州 贵阳 550001)摘要:无人机的应用可以帮助农业生产人员监测大面积的农作物,生成清晰的影像数据,分析农作物的生长状态和病虫害情况,保障农作物的健康成长,提高产量和质量。基于此,笔者概述了地形的三维模型重建技术,分析了无人机RTK测绘的硬件系统和软件系统的构建,探讨了无人机RTK测绘技术在农业生产中的具体应用情况。研究结果表明,无人机RTK测绘技术的监测精度符合要求,能够监测复杂的地形,提高对农作物监测的准确
2、性和安全性。关键词:无人机;RTK测绘技术;三维模型;农业生产中图分类号:V279 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.019在农业生产中应用无人机 RTK(Real-time kinematic,实时动态载波相位差分)测绘技术,可以对农作物进行高效、迅速的监测,并且监测的范围较大,处理效率较高,不仅可以获取较为丰富的地形地貌信息,还能够合理规划航线,提高监测作业的安全性。因此,在农业生产中应用无人机RTK测绘技术,可以实现智能化、自动化监测,提高监测的准确性。1 地形的三维模型重建技术1.1 影像获取技术工作人员在进行地形的三维模型重建时
3、,为了提高模型的精度,一是需要保证影像的地面分辨率达到要求,影像的地面分辨率指的是地面采样的距离,在具体的工作中,工作人员需要确保在相机固定的条件下,保证影像的分辨率不会受到除地面高度以外的因素的影响。二是工作人员要确保影像的重叠度符合要求。影像的重叠度是指两张大小相同的影像重叠区域的面积占单张影像面积的比例,当重叠度达到一定程度的时候,才能进行三维模型的重建。三是影像的锐度对模型重建也有一定的影响,锐度是指影像界线的清晰程度,锐度越高则影像特征的提取效果越好。四是无人机搭载的多视角影像一般有 5 个镜头,分别从前后左右以及垂直方向进行拍摄,工作人员需要对影像进行处理和校正,提取出影像的特征,
4、然后得到地形的全面资料。五是工作人员要注意影像是否存在畸变的情况,一般广角拍摄的影像会存在畸变,工作人员需要校正畸变,从而保证影像的科学性1。1.2 影像三维重建的算法在进行影像的三维重建时,主要是利用摄像机获取的地形地貌数据信息,先分析和处理数据信息,再通过视觉推导出实际的三维信息数据,建立三维模型。三维模型重建流程图如图1所示。无人机拍摄得到的是不同视角的影像,工作人员可以通过标定相机获得畸变参数,利用数学方法将畸变消除,从而获得准确而清晰的影像。工作人员需要对影像进行分析,找出同一个目标生成的不同影像,将它们放在一起,建立三角关系。但是这种三角关系无法确定其中两个观测点是否匹配,也无法确
5、定两个观测点的相对位置,因此需要一定的算法进行计算。工作人员可以先采取特征点提取的算法处理影像,获取影像上的所有特征点,再进行特征点的匹配、归类,得到重建区域完整的三维特征,接着生成点云数据,利用计算机的外参数将投影矩阵恢复过来,从而确定影像的相对位置,避免出现错误的匹配点,形成更加准确的三角关系。工作人员需要利用立体匹配的算法,建立更加完整的点云数据,提高三维模型的准确性,将三维点云数据进行网格化和插值处理,形成较为简单的三维模型,再将重建区域的场景纹理映射到模型中。图1三维模型重建的流程图作者简介:张黔川(1974),男,贵州毕节人,本科,工程师,研究方向为农业机械。2023 年 5 月下
6、63Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺1.3 三维模型校正的算法在进行三维模型的校正时,工作人员需要对穹顶畸变、坐标点偏移等进行校正。穹顶畸变会导致模型的精度变低,坐标点偏移则会使影像出现真实坐标和模型坐标存在偏差的情况,造成建模不准确。此时,工作人员需要利用校正算法,校正三维模型,具体的做法就是:1)提取参考面的坐标,拟合参考面,生成解析式。2)建立坐标的转换关系,生成坐标的转换式,建立函数校正模型2。1.4 无人机航线规划的算法在进行无人机的航线规划时,工作人员需要先确定监测的区域,因为无人机RTK测绘技术的应用包含了一种不规则区域的航线规划算
7、法,也就是需要加入高程信息,保证无人机可以在地形较为复杂的情况下进行自主作业,监测农作物。在实际作业之前,工作人员需要了解无人机作业的形式。无人机在监测的时候,一般会直线飞行,在到达一个航点的时候,就会立刻读取第二个航点的位置,并且立刻调整飞行方向,按照规划好的航线向第二个航点飞行。在飞行过程中,飞机主要进行的是加速作业和减速飞向航点的行为。而且植保无人机在喷洒农药时,主要是在作物的冠层上方1 m2 m的位置,如果高度超过就会降低药效,而高度过低就会损伤农作物。在进行航线规划的时候,工作人员需要先标注障碍物,避免无人机在飞行的时候受到损伤。接着工作人员要规划基础的无人机航线,然后对航线进行采样
8、,生成航点。但是在具体工作中,无人机只需要几个航点,因此需要将不必要的航点削减掉,满足农业生产的需求,就可以上传航点作业。2 无人机RTK测绘硬件系统的构建2.1 硬件系统的整体构建无人机RTK测绘硬件系统是由多个子系统共同组成的,主要包含多旋翼无人机硬件系统、影像获取硬件系统以及RTK定位系统几部分。多旋翼无人机硬件系统主要功能在于为搭载影像获取系统奠定基础,可以为后续获得低空位置的多元化角度影像创造必要的条件。影像获取系统的主要功能在于可以在很短的时间期限内捕捉众多高质量的清晰地面影像,便于后期可以精准地生成地形三维模型,其是无人机RTK测绘硬件系统中最为关键的组成部分。在实际应用的过程中
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