无人机摄影测量技术教程.doc

1、. . . .目 录第一章 绪论1.1 摄影测量的定义和任务11.2 正直摄影测量11.3 倾斜摄影测量1第二章 航测无人机2.1 无人机基本知识72.1 多旋翼航测无人机组成和原理92.2 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 153.2 共线方程 163.3 双目立体视觉和立体观测 203.4 立体影像匹配 21第四章 相机检校4.1 概述264.2 相机检校算法274.3 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315.2 无差分GPS无人机像控点布设与测量325.3 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346.2 空三加密连接点的类型与设置356.2.1标志点刺点356.2.2明显地物点刺点356.2.3影像匹配转点356.3 光束法区域网空中三角测量356.3.1光束法区域网空中三角测量的基本思想与内容356.3.2解析空中三角测量的精度分析396.4 inpho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4

2、1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428.2 数字高程模型概念和采集方法468.3 商用摄影测量软件制作DOM和DEM方法488.3.1 inpho摄影测量系统生产DOM和DEM498.3.2Pix4D生产DOM和DEM50第九章 无人机倾斜摄影测量9.1 概况609.2 倾斜摄影测量原理609.2.1 密集匹配算法619.2.2 纹理映射和细节层次模型619.3 倾斜摄影测量相机629.4 商用倾斜摄影测量软件三维建模629.4.1Photoscan三维建模技术639.4.2 Smart3D三维建模技术699.5 Photoscan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(Intenational Society of Photogrammetry and Remote Sensing)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(Photogrammetry and R

3、emote Sensing is the art,science and technology of obtaining reliable information from noncontract imaging and other sensor systems about the Earth and its environment,and other physical objects and processes through recording,measuring,analyzing and representation )。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

4、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

5、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

6、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：12年的中小城市人工建模工作，借助倾斜摄影测量技术只需35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

7、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

8、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Pic

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