專利名稱：基于無(wú)人機(jī)的航空近景攝影位移測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種航空近景攝影位移測(cè)量裝置，尤其涉及一種基于無(wú)人機(jī) (微型模型無(wú)人機(jī))的航空近景攝影位移測(cè)量裝置；具體地說(shuō)，涉及人通行困難 或者作業(yè)危險(xiǎn)地區(qū)等大位移工程的非接觸測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
位移測(cè)量是巖土工程安全性評(píng)價(jià)、施工控制與效果檢驗(yàn)的重要手段。在通行
困難或者作業(yè)危險(xiǎn)的地方，比如高陡邊坡、礦山塌陷區(qū)，泥石流發(fā)生區(qū)域等， 現(xiàn)有大多數(shù)位移測(cè)量技術(shù)耗時(shí)耗力，甚至無(wú)法實(shí)施。而衛(wèi)星遙感、航空攝影測(cè)量 等技術(shù)雖然不受場(chǎng)地條件限制，但測(cè)量精度較低，后者還受航空管制的影響。
無(wú)人機(jī)技術(shù)近年來(lái)迅速發(fā)展，并已經(jīng)運(yùn)用到民用生產(chǎn)領(lǐng)域。目前己有應(yīng)用于 土地資源調(diào)査、森林火災(zāi)調(diào)査的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，但是尚未有以無(wú)人機(jī)為平臺(tái)的位移 測(cè)量系統(tǒng)。
近景攝影測(cè)量早在20世紀(jì)80年代就應(yīng)用于巖土工程的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年 的發(fā)展，目前，對(duì)于小范圍的工程，測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到工程要求；但是，對(duì)于大 型的工程，特別是通行困難或者作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域的工程，其使用就受到了一定的限 制，而手持拍照往往會(huì)產(chǎn)生一些拍攝死角。
為了開(kāi)發(fā)不受場(chǎng)地條件制約，又有較高精度且不受航空管制的高效、低成本 位移測(cè)量技術(shù)，并利用無(wú)人機(jī)載體，提出了一種基于無(wú)人機(jī)的航空近景攝影位移 測(cè)量裝置的概念。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)和不足，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有工程的要求，提供一種基于無(wú)人機(jī)的航空近景攝影位移測(cè)量裝置。該裝置適用于大變形 工程的位移測(cè)量，特別適用于通行困難或者作業(yè)危險(xiǎn)的工程的位移測(cè)量，同時(shí)還 可以作為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)査、地質(zhì)調(diào)査的輔助手段。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的-如圖l，本實(shí)用新型包括無(wú)人機(jī)(1)、數(shù)碼相機(jī)(2)、地面控制站(3)、微 波發(fā)射器(4)、微波接收天線(5)、數(shù)據(jù)線(6)和計(jì)算軟件(7);在無(wú)人機(jī)(1)上裝置有數(shù)碼相機(jī)(2)和微波發(fā)射器(4)，通過(guò)無(wú)人機(jī)(1) 的飛控板(1.1)連接；數(shù)據(jù)線(6)連接地面控制站(3)上的電腦串口 (3.3) 和微波接收天線(5)，計(jì)算軟件(7)安裝在地面控制站(3)的筆記本電腦(3. 1) 上。本實(shí)用新型的工作原理是無(wú)人機(jī)(1)在地面控制站(3)的遙控下，按照預(yù)先設(shè)定的航線實(shí)現(xiàn)距離地 面50米左右的超低空飛行。在已有的地面地形的情況下，無(wú)人機(jī)(1)飛行高度 可以與地面進(jìn)行匹配，使得無(wú)人機(jī)(1)與地面的距離基本保持一致。監(jiān)視圖象 通過(guò)微波發(fā)射器(4)和微波接收天線(5)傳輸和接收實(shí)時(shí)顯示于地面控制站(3) 的顯示屏(3.2)上?？墒謩?dòng)或者自動(dòng)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行拍照。利用部分已知點(diǎn)坐 標(biāo)，對(duì)拍攝的照片按照近景攝影測(cè)量的理論進(jìn)行處理計(jì)算，得到目標(biāo)區(qū)域未知點(diǎn) 的三維坐標(biāo)。將不同時(shí)期的照片所得的三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，就可以得到該點(diǎn)的位 移，通過(guò)差分的方法進(jìn)而得到目標(biāo)區(qū)域的表面位移。本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、 無(wú)需專用起降跑道，不受航空管制約束，場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)，特別適用于地 形條件復(fù)雜區(qū)域工程的位移測(cè)量。2、 該系統(tǒng)省時(shí)、省力且拍照沒(méi)有死角。3、 位移測(cè)量效率高，監(jiān)測(cè)區(qū)域大。4、 型機(jī)小巧靈活，可實(shí)現(xiàn)地形匹配。5、 使用無(wú)人機(jī)比較安全，不會(huì)造成人員傷害?？傊?，由于本實(shí)用新型可以避免傳統(tǒng)位移測(cè)量技術(shù)的一些問(wèn)題，適用于大位 移大范圍工程的位移測(cè)量，特別是通行困難或作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域工程的位移測(cè)量。

圖l是本裝置組成示意圖2是地面控制站示意圖3是數(shù)碼相機(jī)與無(wú)人機(jī)的連接示意圖4是計(jì)算軟件組成及其流程圖。
其中
1— 無(wú)人機(jī)，l.l一飛控板， 1.2—GPS， 1.3—自穩(wěn)平衡儀；
2— 數(shù)碼相機(jī)，2. l—鏡頭；
3— 地面控制站，3. 1—筆記本電腦，3.2—顯示屏，3.3—電腦串口；
4一微波發(fā)射器；
5— 微波接收天線；
6— 數(shù)據(jù)線；
7— 計(jì)算軟件； A—水平面；
B—相機(jī)平面與水平面的夾角，0《B《60度。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施示例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明
一、本裝置結(jié)構(gòu)
1、 無(wú)人機(jī)(1)
如圖1，在無(wú)人機(jī)(1)上安裝有飛控板(1.1)、 GPS (1.2)和自穩(wěn)平衡儀 (1.3)等飛行輔助設(shè)備和微波發(fā)射器(4);航線通過(guò)地面站(3)導(dǎo)入無(wú)人機(jī)(1 )。 該無(wú)人機(jī)(1)為電動(dòng)，續(xù)航時(shí)間30分鐘以上。
2、 地面控制站(3)
如圖2，地面控制站(3)為可以折疊的箱形，下面設(shè)置有筆記本電腦(3. 1)， 上方為顯示屏(3.2)，并設(shè)置電腦串口 (3.3)。
3、 數(shù)碼相機(jī)(2)與無(wú)人機(jī)(1)的連接
如圖3，數(shù)碼相機(jī)(2)通過(guò)在無(wú)人機(jī)(1)的機(jī)頭或者機(jī)身開(kāi)孔固定的方式 與無(wú)人機(jī)(1)連接，數(shù)碼相機(jī)(2)的鏡頭(2.1)或豎直朝下，或與水平面有0 60度的夾角。數(shù)碼相機(jī)(2)通過(guò)飛控板(1.1)與微波發(fā)射器(4)連接， 監(jiān)視圖像經(jīng)微波發(fā)射器(4)發(fā)送到地面控制站(3)并顯示在顯示屏(3.2)上。所述的飛控板(1. 1)是一種無(wú)人機(jī)配套的電子集成芯片，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自動(dòng) 飛行以及數(shù)據(jù)采集和中轉(zhuǎn)等功能。4、微波發(fā)射器(4)和微波接收天線(5)微波發(fā)射器(4)工作頻率從1040 1400MHz，可以無(wú)線、同步傳輸一路圖 像信號(hào)和一路數(shù)據(jù)信號(hào)。傳輸距離可以達(dá)到10Km以上。 微波接收天線(5)為微波發(fā)射器(4)配套設(shè)備。微波發(fā)射器(4)和微波接收天線(5)有上市產(chǎn)品。二、本裝置使用方法① 調(diào)査目標(biāo)區(qū)域的地形地貌情況，并測(cè)量部分比較明顯的自然標(biāo)記的三維坐 標(biāo)(局部坐標(biāo)和大地坐標(biāo)均可)。② 根據(jù)該目標(biāo)區(qū)域的地形地貌特征，以及重點(diǎn)測(cè)量目標(biāo)，預(yù)先通過(guò)地面控制 站(2)在室內(nèi)設(shè)定航線，航線是通過(guò)設(shè)定航點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，航點(diǎn)信息為三維，包 括經(jīng)度、緯度以及高程。航線設(shè)定后通過(guò)電腦串口 (3.3)輸入無(wú)人機(jī)(1)。③ 現(xiàn)場(chǎng)操作，檢査電池電壓，開(kāi)機(jī)自檢，自檢正常后進(jìn)行初始化，完成后讀 入航線。打開(kāi)相機(jī)，調(diào)整好通訊頻道，檢査監(jiān)視圖象是否正常，若一切正常即可 起飛。飛機(jī)采用拋擲起飛的方式，開(kāi)始階段用遙控控制，待飛行平穩(wěn)后，GPS(l. 2) 導(dǎo)航按照航線飛行，自穩(wěn)平衡儀(1.3)保證飛機(jī)平穩(wěn)。航線可在飛行過(guò)程中根 據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整。航跡自動(dòng)保存，任務(wù)結(jié)束后，可以在地面控制站(2) 的筆記本電腦(3.1)中回放航跡。無(wú)人機(jī)(1)在場(chǎng)地條件較好的地區(qū)可滑降， 在場(chǎng)地條件惡劣、地形復(fù)雜的環(huán)境下可用傘降。④ 無(wú)人機(jī)(1)在預(yù)定航線上超低空飛行(最低可距地面50m)，可通過(guò)遙控 器手動(dòng)拍照，或者按照程序自動(dòng)拍攝照片，并將照片儲(chǔ)存在相機(jī)卡內(nèi)。拍照同時(shí) 可以記錄拍攝點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、高程、飛機(jī)俯仰角、飛機(jī)偏轉(zhuǎn)角等信息。⑤ 飛行中的經(jīng)度、緯度、高程、飛機(jī)俯仰角、飛機(jī)偏轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)信息通過(guò)微 波發(fā)射器(4)、微波接收天線(5)以及數(shù)據(jù)連線(6)，實(shí)時(shí)顯示于地面控制站(2)的顯示屏(3.2)和筆記本電腦(3.1)上，以便及時(shí)調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)。⑥ 相機(jī)監(jiān)視圖像通過(guò)微波發(fā)射器(4)、微波接收天線(5)以及數(shù)據(jù)連線(6)， 實(shí)時(shí)顯示于地面控制站(2)的顯示屏(3.2)和筆記本電腦(3.1)上。同時(shí)可 對(duì)監(jiān)視圖像錄像，以避免不連續(xù)拍照導(dǎo)致的信息丟失。
⑦ 對(duì)不同時(shí)期拍攝照片按照近景攝影測(cè)量理論，進(jìn)行處理計(jì)算比較，就可以 計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域的位移。
三、本裝置測(cè)量方法
如圖4，本測(cè)量方法以無(wú)人機(jī)(1)為載體實(shí)現(xiàn)超低空飛行，以數(shù)碼相機(jī)(2) 為信息采集器件，用計(jì)算軟件(7)按照近景攝影測(cè)量的方法對(duì)數(shù)碼相機(jī)(2)拍 攝的照片進(jìn)行處理計(jì)算從而獲取目標(biāo)區(qū)域表面位移。
計(jì)算軟件(7)包括照片前處理模塊(7.1)、點(diǎn)位坐標(biāo)量測(cè)模塊(7.2)、影像 匹配模塊(7.3)、控制條件輸入模塊(7.4)、照片參數(shù)解算模塊(7.5)、光束平差 法解物方坐標(biāo)模塊(7. 6)、位移分析模塊(7. 7)、誤差分析模塊(7. 8)。
① 照片前處理模塊(7.1)主要對(duì)照片進(jìn)行濾波去噪、影像糾正(以消除或減 少運(yùn)動(dòng)拍照所產(chǎn)生的拖尾現(xiàn)象)、圖象增強(qiáng)等處理。
② 點(diǎn)位坐標(biāo)量測(cè)模塊(7. 2)主要是測(cè)量并提取控制點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)在照片平面坐
標(biāo)系中的坐標(biāo)。
③ 影象匹配模塊(7. 3)對(duì)出現(xiàn)同名控制點(diǎn)的照片進(jìn)行分類管理。
④ 控制條件輸入模塊(7.4)主要是輸入控制點(diǎn)已知坐標(biāo)以及其他的控制條 件方程。
⑤ 照片參數(shù)解算模塊(7. 5)利用分類后的照片和控制條件，用直接線性變換 解法解算每張照片的內(nèi)方位元素和外方位元素，并計(jì)算未知點(diǎn)物方坐標(biāo)的初值。
光束平差法解物方坐標(biāo)模塊(7. 6)利用物方坐標(biāo)初值以及照片的內(nèi)、外方 位元素按照光線束平差法計(jì)算目標(biāo)區(qū)域未知點(diǎn)的三維坐標(biāo)。
⑦ 位移分析模塊(7. 7)主要是對(duì)計(jì)算出的三維坐標(biāo)進(jìn)行管理，并根據(jù)不同時(shí) 期照片所獲得三維坐標(biāo)的變化，確定未知點(diǎn)的^L移；同時(shí)用差分的方法獲得目標(biāo) 區(qū)域的表面位移并建模。
⑧ 誤差分析模塊(7.8)主要考慮照片質(zhì)量、坐標(biāo)量測(cè)、照片參數(shù)計(jì)算、光束 平差法等計(jì)算過(guò)程確定該次測(cè)量的精度。
本裝置測(cè)量方法包括下列步驟① 照片前處理模塊(7. 1)、點(diǎn)位坐標(biāo)量測(cè)模塊(7. 2)依次銜接得到數(shù)據(jù)信息像點(diǎn)坐標(biāo)(7.9);② 照片參數(shù)解算模塊(7. 5)的執(zhí)行除了需要像點(diǎn)坐標(biāo)(7. 9)數(shù)據(jù)信息外，還需 要影像匹配模塊(7. 3)和控制條件輸入模塊(7. 4)兩個(gè)獨(dú)立操作模塊的結(jié)果；③ 光束平差法解物方坐標(biāo)模塊(7. 6)與照片參數(shù)解算模塊(7. 5)銜接，其后續(xù) 步驟為位移分析模塊(7. 7)和誤差分析模塊(7. 8)。具體地說(shuō)照片前處理模塊(7. l)對(duì)照片進(jìn)行處理后，進(jìn)入點(diǎn)位坐標(biāo)量測(cè)模塊(7.2)，量 測(cè)控制點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)在照片平面坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，得到像點(diǎn)坐標(biāo)(7.9)數(shù)據(jù)信息； 影像匹配模塊(7.3)對(duì)照片按照同名控制點(diǎn)進(jìn)行匹配分類，控制條件輸入模塊 (7.4)把控制點(diǎn)物方坐標(biāo)以及其他控制條件輸入后，照片參數(shù)解算模塊(7.5)按 照直接線性變換解法計(jì)算照片的內(nèi)外方位元素，以及目標(biāo)點(diǎn)物方坐標(biāo)的初值，光 束平差法解物方坐標(biāo)模塊(7.6)利用照片的內(nèi)、外方位元素以及控制點(diǎn)坐標(biāo)、目標(biāo)點(diǎn)物方坐標(biāo)初值按照光線束平差法計(jì)算目i^點(diǎn)的物方坐標(biāo)，也就是目標(biāo)點(diǎn)的三 維坐標(biāo)；位移分析模塊(7. 7)根據(jù)不同時(shí)期照片所計(jì)算的同一目標(biāo)點(diǎn)的物方坐標(biāo) 的差值，確定該點(diǎn)的位移，并用差分的方法獲得目標(biāo)區(qū)域地面的位移；誤差分析 模塊(7.8)考慮照片質(zhì)量、坐標(biāo)量測(cè)、照片參數(shù)計(jì)算、光束平差法等計(jì)算過(guò)程確 定該次測(cè)量的精度。
權(quán)利要求1、一種基于無(wú)人機(jī)的航空近景攝影位移測(cè)量裝置，其特征在于包括無(wú)人機(jī)(1)、數(shù)碼相機(jī)(2)、地面控制站(3)、微波發(fā)射器(4)、微波接收天線(5)、數(shù)據(jù)線(6)和計(jì)算軟件(7)；在無(wú)人機(jī)(1)上裝置有數(shù)碼相機(jī)(2)和微波發(fā)射器(4)，通過(guò)微型模型無(wú)人機(jī)(1)的飛控板(1.1)連接；數(shù)據(jù)線(6)連接地面控制站(3)上的電腦串口(3.3)和微波接收天線(5)，計(jì)算軟件(7)安裝在地面控制站(3)的筆記本電腦(3.1)上。
2、 按權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)人機(jī)的航空近景攝影位移測(cè)量裝置，其 特征在于地面控制站(3)為可以折疊的箱形，下面設(shè)置有筆記本電腦(3.1)，上方 為顯示屏(3.2)，并設(shè)置電腦串口 (3.3)。
3、 按權(quán)利要求1所述的一種基于無(wú)人機(jī)的航空近景攝影位移測(cè)量裝置，其 特征在于數(shù)碼相機(jī)(2)通過(guò)在微型模型無(wú)人機(jī)(1)的機(jī)頭或者機(jī)身開(kāi)孔固定的方式 與無(wú)人機(jī)(1)連接，數(shù)碼相機(jī)(2)的鏡頭(2.1)或豎直朝下，或與水平面有 0 60度的夾角。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于無(wú)人機(jī)的航空近景攝影位移測(cè)量裝置，涉及一種航空近景攝影位移測(cè)量裝置。本實(shí)用新型包括無(wú)人機(jī)(1)、數(shù)碼相機(jī)(2)、地面控制站(3)、微波發(fā)射器(4)、微波接收天線(5)、數(shù)據(jù)線(6)和計(jì)算軟件(7)；在無(wú)人機(jī)(1)上裝置有數(shù)碼相機(jī)(2)和微波發(fā)射器(4)，通過(guò)微型模型無(wú)人機(jī)(1)的飛控板(1.1)連接；數(shù)據(jù)線(6)連接地面控制站(3)上的電腦串口(3.3)和微波接收天線(5)，計(jì)算軟件(7)安裝在地面控制站(3)的筆記本電腦(3.1)上。由于本實(shí)用新型可以避免傳統(tǒng)位移測(cè)量的一些問(wèn)題，適用于大位移大范圍工程的位移測(cè)量，特別是通行困難或作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域工程的位移測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/00GK201133815SQ20072008881
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者偉 任, 李小春, 杜學(xué)飛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所