基于低空无人机测量获取DEM的土方测算方法及应用开题报告

研究的背景： 无人机是近现代的科技发展的产物，标志着人类社会的发展以及生产劳动水平进步。

从1917年至今已有近100年的历史，无人机被称为“空中机器人”，其发展对微电子，导航，控制，通信的技术的发展起了极大的推动作用。无人机是一种利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的不载人飞行器。从应用领域，可分为军用和民用两类。军用无人机对于灵敏度、飞行高度、速度、智能化等有着更高要求；而民用无人机一般对速度、升限和航程等要求较低，但需形成成熟的产业链，提供尽可能低廉的零部件和支持服务。无人机除了推动各国的军事实力的发展外，民用无人机也有着规模巨大的市场。无人机的发展趋势也呈现智能化、隐身化、集成化、民用化。民用无人机在影视拍摄，植被保护，电力巡航，测绘遥感等领域的运用将会是接下来发展的重中之重。我国的无人机发展水平是仅次于美国和以色列的第二梯队水平，而且就美国等国家而言，对无人机的监管政策逐步放松的历史，以及国内民用无人机的政策的规范和低空空域改革的深化，我国民用无人机的发展将呈爆发式。随着无人机技术及应用的日臻成熟，许多国家开始重视无人机民用应用。如美国国家航空航天局将原本用于战争的大型高空无人机改造，用来对飓风和热带风暴监视。20世纪80年代初，中国西北工业大学采用D-4 固定翼无人机进行地图测绘和地质勘探。近年，以大疆为首的民用无人机企业迅速占领海内外市场，为中国无人机行业发展打下了基础。

无人机是一项迅速崛起的产业，在人类的社会中扮演着越来越多的角色，除去军事用途，在人们的生产生活中，将扮演越来越多的角色。未来，它将在配送快递、跟踪拍摄、海洋溢油监测、道路交通监控及污染物时空分布研究等领域发起到极其关键的作用。

对于测绘这样的新兴专业而言，无人机的出现发展也是一剂助力，利用多旋翼无人机航拍土方工程，得到数据够构建模型然后在计算机上测图对工程进行分析，是目前大多数有条件的测绘单位选择的测绘方式。

研究的目的:

在近现代的测绘领域，利用多旋翼无人机的低空摄影测量获取DEM的土方测算，也渐渐代替了以往的常规测量方式，其原因在于精度更高，效率更高。传统的数据采集方法采用人工测点，受地形限制，费时耗力，风险高且难以获取全面精确的数据，而利用无人机航测系统进行测绘则会有效地避免了上述问题。在城市化进程不断速度不断变快的基础上,人们越来越关注和重视城镇地籍测量工作。在实际的城镇地籍测量工作中,使用无人机低空摄影技术,可以有效的改善普通航空摄影的不合理之处,同时也能改善卫星遥感摄影的不合理之处。

相对于载人飞机和固定翼无人机航空摄影测量而言，多旋翼无人机是一种机动灵活的飞机,具有可靠性高、安全性高、效率高、起降地点要求低、操作简单、分辨率高的特点。在天气晴朗、风力较小的情况下，可获得精度更高的航摄数据，是小范围航空摄影的发展重要趋势。

研究意义：

目前,高分辨率空间数据获取的渠道仍然局限于遥感卫星图像、大飞机航拍等,造成数据采集重复、数据处理复杂、分辨率低、时效性强、灵活性强,远远不能满足实际需要。无人机是一种具有动力、控制、可携带多种设备、执行多种任务、可重复使用的无人驾驶飞机平台。无人机遥感传感器技术、远程控制技术、通信技术、POS定位技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术,具有自动化的特点,智能化和专业化,以快速获取土地、资源、环境和空间遥感信息的其他事件,先进的新兴航空遥感技术和解决方案的实时建模与分析。多年以来，追求更高分辨率的成果，更高效率完成作业是我国测绘专业的最终目的，把地球，国家，城市，乡镇，农村从现实世界中更形象得逼真得搬到计算机中，是测绘人的职责，而为了完成这样的目标，无人机的出现无疑起到了很大的推动作用，它的作业精度，作业效率，作业成本，相比于传统的的测绘手段，都让我们刮目相看，所以无人机对于测绘专业的影响力将会日益扩大，这不是偶然而是必然。

国内外研究现状:

20世纪初，英国于1917年研制成功了世界上第一架无人机。早期的无人机主要承担作战支援任务，近30年来随着微电子、通信、材料及推近系统等技术的迅猛发展，无人机也得到了长足的发展，目前，世界是30余个国家和地区已研制出了50多种无人机，无人机型号超过300多种，有55个国家装备了无人机，其中发展最快、水平最高的是美国和以色列。

其中以多旋翼无人机而言，瑞士洛桑联邦科技学院研发出的OS4（EPFL）电动小型四旋翼飞行器，研发该系列飞行器目的在于实现多旋翼无人机室内外完全自主得飞行，其研究重点在于飞行控制算法的开发。目前该机构已经开发出一种算法可以成功实现OS4无人机的悬停，起飞和降落。而这个机构下一步的目标是1.改善执行机构的带宽，加快其响应速度。2.增强试卷传感器的探测能力并采用滤波算法将惯性导航传感器和视觉导航传感器数据进行融合。

而斯坦福大学的STARMAC多旋翼无人机有两个研究项目分别是微型多旋翼飞行器和最小代价分布式协同搜寻控制技术。相对而言，这两个研究方向更贴近于无人机的最终发展方向：低成本和最小型。

德国的MD4系列多旋翼无人机的产品大多是工业级多旋翼无人机的代表，其最新产品MD4—300最大的起飞重量可以达到15kg，在载重3kg的情况下可以飞行45分钟，速度可以达到16m/s。

我国研制无人机已有40多年的历史，1966年12月6日首飞成功的第一款无人机名叫长空一号，是一架大型喷气式无线电遥感高亚音速飞机，可供导弹打靶或放空部队训练，之后先后研制出长空高空高速无人侦察机、T-6通用型无人机、Z-5系列无人侦察机、ASN系列无人机等。开发出的数十种靶机和侦察型无人机，已能批量生产和装备部队，广泛应用于军事领域和航空摄影、地球地理勘测、灾情监测、海岸缉私等民用领域。国内无人机的研究发展在总体设计、飞行控制、组合导航、中继数据链路系统、传感器技术、图像传输、信息对抗与反侦察、发射回收、生产制造和部队使用等诸多技术领域积累了一定的经验，具备一定的技术基础。

2017 年2 月，中国航空工业研制的多用途无人机——翼龙II 成功首飞，标志中国成为继美国之后具备新一代察打一体无人机研制能力的国家。本次成功首飞引起社会各界的关心，进一步推动了无人机研究和应用的迅速升温。

在民用领域，大疆的商业多旋翼无人机“悟”系列也是及其火热的，该系列无人机装备着超高像素的相机，并有着视觉导航功能，能够在室内无GPS的情况下悬停稳定。除此之外，大疆MG-1农业植保机能够做到防水防尘防腐蚀，单小时的作业量能够达到40-60亩，其作业效率是人工喷洒的40倍以上。

当前，我国在信息化领域的发展水平已经达到世界前列，在测绘这个大领域中，能够及时和有效的获取地理空间信息无疑是最重要的，通数字化测量在大面积测量过程中要投入巨大的人力物力,获取成果也很缓慢,在外业数据采集过程中很容易就收到气候环境影响而拖延工作周期,影响工作效率。使用无人机摄影测量代替传统数字测量无疑是测量学发展的趋势。无人机摄影测量毫无疑问是是最重要的技术手段。伴随无人机技术的发展,无人机机性能越来越高,已经投入到不同行业的实际应用中。无人机摄影测量作为一种新的自动化地形探测的方法,跟传统的测量方法相比,无人机摄影测量技术作业简易多变、操作灵活、效率极高,能够快速获得区域内的高分辨率影像图,从而获取地理信息的分布数据。因此伴随无人机摄影测量技术的发展使得其新专利、新发明、新应用有不时涌现。

研究内容：

得出测算结果的误差分析。在使用全站仪或者RTK测算得到结果，两者相比对得到对多旋翼无人机低空摄影测量的评价，并能为小范围土方工程测算提供一种正确高效的方案。

1.对要测算的土方工程进行勘察，包括查询地方文献，通过Google地图查看，实地勘察，对所测地区进行航带规划，影像重叠度设置等。②.对勘察的土方工程使用大疆四翼无人机进行低空摄影测量，对得到的相片进行相片清晰度查看，影像预处理，相机参数的输入等步骤，旨在使得得到的影像能够达到测算数据的标准，遇到问题及时记录，查询资料或者询问老师及时解决，未达到要求及时返工。

2.使用Pips.Cloud系列软件的空中三角测量软件对所得影像进行处理，将低空摄影测量影像变成测图所需要的PIF格式文件，然后用MAPPING.Cloud软件对其进行测图（使用该软件的操作步骤在3月的实习中已经学习过），测图得到的成果传到CAD或者南方CASS上使其得以体现，构建DEM模型并进行土石方量计算并对其结果进行误差分析。遇到操作问题或者疑惑需要及时记录，并及时解决。

3.使用全站仪或RTK对土方工程进行测量计算，得到数据并比对两种数据进行误差分析，总结出对小范围土方工程测算效率最高的正确的测量方案。

预期目标：

1.使用大疆四翼无人机在选定测区进行航拍得到航拍影像。

2.使用Pips.Cloud系列软件对原始图像进行数据处理而土方工程的正射影像和DEM模型。

3.进行三维空间量测和土石方量计算，对成果进行误差分析。

4.以全站仪或者RTK对土方工程再次进行测量并得到成果，对比两种成果，对多旋翼无人机低空摄影测量的数据成果进行分析，总结其优缺点

5.为小范围土方工程测算提供的一种正确的高效的测量方案。