一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的装置的制作方法

本实用新型属于无人机摄影测量技术领域，具体涉及一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的装置。

背景技术：

现有无人机传统摄影测量或倾斜摄影测量技术作业流程中，为确保空中三角测量的几何精度，往往需要野外测绘一定数量的地面像控点，其坐标参与区域网平差计算，但在工期日益紧张、像控点测量成本日益增加、危险困难地面人员无法抵达区域等工况条件下，减少甚至免除地面像控点测量工序将日趋紧迫。

但目前的多旋翼无人机传统下视单镜头航摄或“多镜头”倾斜摄影进行测图或三维建模，若完全免除地面像控点测量，还存在如下技术问题：

(1)现有的摄影测量与三维建模空中三角测量，依赖大量或少量地面像控满足必要的空三系统误差消除，无法实现真正的免除像控点进行前方交会测量定位。

(2)空中三角测量的平面和高程精度，尤其是高程精度受重力场模型和摄区严密转换关系影响，往往精度无法达到规范要求，以满足大比例尺地形测量或三维建模的国家标准精度要求。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，目的在于提供一种实现地面无像控点并使得三维建模与测图的空中三角测量定位精度达到国家大比例尺(1：5001:10001:2000)测图精度的几何要求的装置及方法。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，包括

多旋翼飞行平台，

电源模块，电源模块连接在多旋翼飞行平台上；

三轴摄影云台，三轴摄影云台连接在多旋翼飞行平台正下方；

航摄相机，航摄相机连接在三轴摄影云台下方并与三轴摄影云台电信号连接；

机载gnss差分模块，机载gnss差分模块连接在多旋翼飞行平台上；

通信模块，通信模块连接在多旋翼飞行平台上；

自驾仪模块，自驾仪模块连接在多旋翼飞行平台上，自驾仪模块与机载gnss差分模块、通信模块和三轴摄影云台电信号连接，自驾仪模块通过相机曝光线与航摄相机连接；

控制模块，控制模块与通信模块电信号连接；

所述机载gnss差分模块、自驾仪模块和通信模块均与电源模块电连接。

所述机载gnss差分模块至少包括机载多模高频gnss接收机、gnss接收天线、历元数据存储器、rtk通讯链路电台和电子耦合连接附属件；所述的机载多模高频gnss接收机与gnss接收天线电信号连接，历元数据存储器与机载多模高频gnss接收机连接，rtk通讯链路电台与机载多模高频gnss接收机电信号连接，电子耦合连接附属件一端连接机载多模高频gnss接收机，另一端连接自驾仪模块。

所述控制模块包括地面基准站gnss接收机和静态基站电台总成；所述地面基准站gnss接收机与通信模块电信号连接，所述静态基站电台总成与地面基准站gnss接收机电信号连接。

所述静态基站电台总成包括静态数据存储器、动态rtk基准站数据发射电台及电台天线；所述静态数据存储器与地面基准站gnss接收机相连；所述动态rtk基准站数据发射电台一端与地面基准站gnss接收机相连，动态rtk基准站数据发射电台另一端与电台天线相连。

还包括三脚架；所述三脚架连接在地面上，所述的地面基准站gnss接收机和静态基站电台总成连接在三脚架上。

所述航摄相机为多镜头或单镜头。

有益效果：

1、本实用新型在航摄完成后，无需进行任何地面像控点测量工作，即能够完成空中三角测量，航测内业产品加工可直接进行。

2、本实用新型免像控点空中三角测量精度达到了国家大比例尺(1：5001:10001:2000)测图精度的几何要求。

3、本实用新型的作业流程中去除了外业地面像控点测量工序，实现了作业模式从航摄到内业计算的直接衔接，减少了外业像控点测量的时间和成本开支，同时在危险困难地区实现高精度测图并有效规避了安全风险。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型控制模块结构示意图；

图3是本实用新型流程图。

图中：1-多旋翼飞行平台；2-机载gnss差分模块；3-三轴摄影云台；4-航摄相机；5-基准站gnss接收机；6-静态基站电台总成；7-三脚架。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

根据图1和图2所示的一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，包括

多旋翼飞行平台1，

电源模块，电源模块连接在多旋翼飞行平台1上；

三轴摄影云台3，三轴摄影云台3连接在多旋翼飞行平台1正下方；

航摄相机4，航摄相机4连接在三轴摄影云台3下方并与三轴摄影云台3电信号连接；

机载gnss差分模块2，机载gnss差分模块2连接在多旋翼飞行平台1上；

通信模块，通信模块连接在多旋翼飞行平台1上；

自驾仪模块，自驾仪模块连接在多旋翼飞行平台1上，自驾仪模块与机载gnss差分模块2、通信模块和三轴摄影云台3电信号连接，自驾仪模块通过相机曝光线与航摄相机4连接；

控制模块，控制模块与通信模块电信号连接；

所述机载gnss差分模块、自驾仪模块和通信模块均与电源模块电连接。

在实际使用时，机载gnss差分模块2用于机载精确定位，自驾仪模块则负责控制整个多旋翼飞行平台1的飞行、三轴摄影云台3的转动、航摄相机4的曝光脉冲。通信模块用于接收外部的指令，电源模块负责为多旋翼飞行平台1和其上的各种电子模块供电。多旋翼飞行平台为可以采用四轴、六轴、八轴等多轴旋翼无人机飞行平台。本实施例采用的是六轴旋翼无人机飞行平台。在具体应用时，首先对航摄相机4进行参数精准测定，然后进行顾及地形起伏的严密三维航线设计，三维航线设计好后架设基站，当上述准备工作完成后多旋翼无人机免像控点三维建模与测图装置进行自动飞行与拍摄，飞行完毕后落地进行落地检查和数据整理，通过采用rtk或ppk两种模式求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值，再经过免像控点空中三角测量计算得到平差曝光点外方位线元素最终值，将免像控点空中三角测量计算的结果用于后期成果加工中。

本实施例中的自驾仪模块采用现有技术的无人机自动驾驶装备，用于飞行自动控制与航摄作业脉冲信号发送与控制。在实际使用时，提供飞行器按照预设三维航线自主飞行，同时驱动航摄相机和机载gnss接收机记录采集数据。

本实施例中的通信模块采用的是现有技术的gnss-rtk领域基准站与流动站信号传输模块，用于航摄相机与地面基准站的实时定位信息通信。实现了飞行平台实时与地面控制系统数传信号与定位坐标信号稳定、高效的传输。

本实用新型在航摄完成后，无需进行任何地面像控点测量工作，即能够完成空中三角测量，航测内业产品加工可直接进行。本实用新型免像控点空中三角测量精度达到了国家大比例尺(1：5001:10001:2000)测图精度的几何要求。本实用新型的作业流程中去除了外业地面像控点测量工序，实现了作业模式从航摄到内业计算的直接衔接，减少了外业像控点测量的时间和成本开支，同时在危险困难地区实现高精度测图并有效规避了安全风险。

实施例二：

根据图1所示的一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，与实施例一不同之处在于：所述机载gnss差分模块2至少包括机载多模高频gnss接收机、gnss接收天线、历元数据存储器、rtk通讯链路电台和电子耦合连接附属件；所述的机载多模高频gnss接收机与gnss接收天线电信号连接，历元数据存储器与机载多模高频gnss接收机连接，rtk通讯链路电台与机载多模高频gnss接收机电信号连接，电子耦合连接附属件一端连接机载多模高频gnss接收机，另一端连接自驾仪模块。

本实施例中的机载多模高频gnss接收机采用现有技术的轻型无人机装配的空间坐标采集设备，能够同时实现gps、glonass、伽利略及北斗导航4种模式全球定位系统数据接收与处理，提升遮挡区域单一导航模式的定位不精准的问题。

机载多模高频gnss接收机历元采集频率不低于20hz，历元数据存储器读写速度不低于100mb/s，rtk通讯链路电台无遮挡时通讯半径不低于5km，电子耦合连接附属件从自驾仪脉冲信号发出到机载多模高频gnss接收机记录的标记时间差不大于1ms。

在实际使用时，当多旋翼无人机飞行平台航速不大于20米/秒时，gnss机载差分模块可利用静态ppk或动态rtk两种模式精准获取曝光点的空间坐标。

实施例三：

根据图2所示的一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，与实施例一不同之处在于：所述控制模块包括地面基准站gnss接收机5和静态基站电台总成6；所述地面基准站gnss接收机5与通信模块电信号连接，所述静态基站电台总成6与地面基准站gnss接收机5电信号连接。

优选的是所述静态基站电台总成6包括静态数据存储器、动态rtk基准站数据发射电台及电台天线；所述静态数据存储器与地面基准站gnss接收机相连；所述动态rtk基准站数据发射电台一端与地面基准站gnss接收机相连，动态rtk基准站数据发射电台另一端与电台天线相连。

优选的是还包括机架7；所述机架7连接在地面上，所述的地面基准站gnss接收机5和静态基站电台总成6连接在机架7上。

在实际使用时，所述的地面基准站gnss接收机历元采样频率不低于1hz，并能输出连续、卫星不失锁的完整静态数据；静态数据存储器与地面基准站gnss接收机相连，用于存储基准站gnss静态数据，同时向动态rtk基准站数据发射电台提供基准站实时坐标。动态rtk基准站数据发射电台一端与地面基准站gnss接收机相连，另一端与电台天线相连，其工作原理是动态rtk基准站数据发射电台将地面基准站gnss接收机实时基站坐标数据通过电台天线发射给机载多模高频gnss接收机。

设置三脚架7的技术方案，能够将地面基准站固定在摄区地面坐标系下的已知点上，同时给rtk模式提供实时动态坐标和给ppk模式提供基站静态坐标数据，为准确测得数据提供了保障。在具体应用时，三脚架7也可以采用其他形式的架体，只要起到稳定支撑的功能即可。

本实施例设备组装简单，能够同时提供基站静态坐标数据和实时动态坐标数据，为后续曝光点外方位线元素的精准求定提供两种处理方式，满足不同的应用场景，且数据实现了双保险存储。

实施例四：

根据图1所示的一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的装置，与实施例一不同之处在于：所述航摄相机4为多镜头或单镜头。

在实际使用时，完成三维建模任务采用多镜头航摄技术方案，一次性获取不同角度大重叠影像，完成测图任务采用单镜头下视航摄急技术方案。以上2种航摄技术方案均能够实现多旋翼无人机免像控点测量，根据不同任务采用不同的方案，能够有效节约成本。

实施例五：

根据图3所示的一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，包括如下步骤：

步骤一：相机参数精准测定

基于室外三维检校场对航摄相机4的内方位元素进行精准检校，获取精准相机参数、镜头畸变参数和相机gnss天线安装偏心距；

步骤二：三维航线设计

根据步骤一测定的相机参数、参照摄区范围和公开的dem数据，进行三维航线设计，通过跟随地形起伏的仿地飞行，获取航向重叠度、旁向重叠度及地面分辨率合格的航摄数据；

步骤三：架设基站

在多旋翼无人机免像控点三维建模与测图装置起飞前，架设由基准站gnss接收机5和静态基站电台总成6组成的基站，用于多旋翼无人机免像控点三维建模与测图装置的空中定位和曝光点差分计算；

步骤四：自动飞行与拍摄

由步骤三架设的基站进行遥控或按步骤二设计的飞行路线由自驾仪控制多旋翼无人机免像控点三维建模与测图装置自动飞行，且飞行时搭载下视单镜头相机或倾斜多镜头相机进行自动航摄，多旋翼平飞速度小于等于20米/秒；

步骤五：落地检查和数据整理

飞行完毕后落地，经步骤四获取的实时动态差分rtk数据或后差分ppk数据和航摄影像，根据电子耦合关系对应整理，航摄结束；

步骤六：曝光点外方位线元素精准求定

根据步骤五整理好的数据，应用场景分2种作业模式：①rtk模式：当有rtk差分信号时，结合测区地方转换关系计算曝光点外方位线元素地方坐标系下坐标值；②ppk模式：当无rtk差分信号时，将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算，运用ppk后处理技术，求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值；

步骤七：免像控点空中三角测量计算

根据第一步获取的精准相机参数和第六步精准求定的曝光点外方位线元素文件进行空中三角测量计算，空中三角测量设置曝光点外方位线元素准确观测权值，平差模型禁止平差修正相机参数，确保三个内方位元素不参与平差计算，根据光束法约束条件，平差曝光点外方位线元素最终值，完成免像控点空中三角测量计算，计算结果用于后期成果加工。

在实际使用时，本实用新型通过相机参数精准测定、三维航线设计、架设基站、自动飞行与拍摄、落地检查和数据整理、曝光点外方位线元素精准求定和免像控点空中三角测量计算七个步骤，解决了现有技术无法实现地面无像控点并使得三维建模与测图的空中三角测量定位精度达到国家大比例尺(1：5001:10001:2000)测图精度的几何要求。本实用新型的作业流程中去除了外业地面像控点测量工序，实现了作业模式从航摄到内业计算的直接衔接，减少了外业像控点测量的时间和成本开支，同时在危险困难地区实现高精度测图并有效规避了安全风险。

步骤一中测定的相机参数包括：像主点横坐标x0，纵坐标y0；相机主距f；镜头畸变参数(径向畸变系数k1，径向畸变系数k2，径向畸变系数k3，切向畸变系数p1，切向畸变系数p2，面阵变形系数b1，面阵变形系数b2)；gnss天线相对相机的安装偏心坐标值即横向偏心距δx、纵向偏心距δy和垂直偏心距δz。

实施例六：

根据图3所示的一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，与实施例五不同之处在于：所述的步骤一中相机参数精准测定时选择地形起伏具备代表性检校场，地面布设30米*30米格网像控，运用相机自检校区域网平差功能软件实现航摄相机空中自检校，精准测定相机内方位元素和畸变参数，相机参数初始值采用出厂标称值，像控点权值大于0.03米，检校飞行高度与实际作业高度相同。

在实际使用时，步骤一中相机参数精准测定时选择地形起伏具备代表性检校场，检校场边长均不小于300米*300米，地面像控点布设密度30米*30米格网像控，运用摄影测量领域的现有技术具有与inpho相同的相机自检校区域网平差功能的软件实现航摄相机空中标定，精准测定相机内方位元素和畸变参数，相机参数初始值采用出厂标称值，像控点权值大于0.03米，检校飞行高度与实际作业高度相同。采用用检校场的航摄影像及地面像控点，基于自检校区域网平差方式反算较为可靠的相机标定参数和相机与gnss天线的安装偏心差，排除相机内方位元素和部分外方位元素对最终结果的影响。

实施例七：

根据图3所示的一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，与实施例五不同之处在于：所述的步骤三架设的基站必须架设在地面坐标系下的已知点上，地面静态基站历元采样频率不低于1hz，成果形式为gnss静态测量观测文件，基站覆盖半径小于等于7km。

在实际使用时，采用本技术方案，能够在rtk实时通信中断时，仍可精准计算曝光点在地面坐标系下的精准坐标值。成果形式为测绘行业公知的gnss静态测量观测文件。

实施例八：

根据图3所示的一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，与实施例五不同之处在于：所述的步骤五中根据电子耦合关系对应整理的方法是采用ppk数据的时间戳内插精准曝光点空间位置，同时根据顺序和时间戳对应影像id号，从而获取每张影像曝光瞬间精准的空间位置坐标。

在实际使用时，采用本实用新型的技术方案，能够快速整理出影响id号与内插计算的曝光点坐标的一一对应关系，同时根据时间戳规避了电子耦合时间差引起的曝光延迟问题，提高了曝光点坐标解算的精度。

实施例九：

根据图3所示的一种多旋翼无人机免像控点三维建模与测图的方法，与实施例五不同之处在于：所述的步骤六中的应用场景采用ppk模式将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算时采用的是具有与waypoint相同的gnss差分后处理软件将地面基准站静态数据和空中机载数据联合计算，运用gnss-ppk后处理技术，求取曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值；ppk模式适用任何作业场合，当rtk模式可用时，则使用rtk模式结果。

在实际使用时，采用本实用新型的技术方案，ppk差分后处理确保了地面基准站与机载gnss接收机通讯失联后，仍然提供至少一套可靠的高精度解算结果。本实施例中的waypoint软件采用的是加拿大的waypoint软件；在实际使用时，将地面基准站静态数据和空中机载数据输入软件，即可得到曝光点外方位元素地方坐标系下坐标值。

综上所述本实用新型通过多旋翼飞行平台、电源模块、三轴摄影云台、航摄相机、机载gnss差分模块、通信模块、自驾仪模块和控制模块的有机设置，通过相机参数精准测定、三维航线设计、架设基站、自动飞行与拍摄、落地检查和数据整理、曝光点外方位线元素精准求定和免像控点空中三角测量计算七个步骤，解决了现有技术无法实现地面无像控点并使得三维建模与测图的空中三角测量定位精度达到国家大比例尺(1：5001:10001:2000)测图精度的几何要求。本实用新型的作业流程中去除了外业地面像控点测量工序，实现了作业模式从航摄到内业计算的直接衔接，减少了外业像控点测量的时间和成本开支，同时在危险困难地区实现高精度测图并有效规避了安全风险。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

以上所述，只是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。