基于无人机航摄影像技术的工业堆状体测量系统设计

江炽

摘要：近年来，无人机技术的高速发展使其具备有操作灵活、性能优越等特点，飞行距离得到大幅提升，同时还能搭载高清相机模块，这都为无人机航摄影像技术在工业领域的普及和应用奠定了基础。本文主要设计一套基于多旋翼无人机的工业堆状原料测量系统，并体积计算的数學模型进行可行性分析为工业领域的应用提供参考和借鉴。

关键词：无人机;堆状测量;航空摄影;三维建模

中图分类号：P231 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）11-0148-02

0 引言

随着无人机航摄测量技术高速发展和日益完善，其在工业领域已经得到较大范围的普及和应用。工业堆状原料的体积测量一直以来都是火力发电、钢铁等企业的重要任务，利用无人机航摄影像技术对工业堆状原料进行盘存也成为一个减少成本、提高效率的有效途径。

1 无人机在工业领域的应用

无人机是无人驾驶飞机的简称，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和多种负载任务，可以被看作是“空中机器人”。

从1908年世界上第一架无人机问世，至今已有一百多年的历史。无人机具有设计灵活、体积小、重量轻;续航时间长，空间利用率高，载荷能力强;安全系数高，自主控制能力强;无人员伤亡，可在高风险空域飞行等优点，在军民领域均得到了广泛的发展。

无人机按应用领域可分军用、民用专业级和民用消费级三类。其中民用专业级无人机是以民事用途为目的而研发生产的无人机，由于无人机成本相对较低、无人员伤亡风险、生存能力强、机动性能好、使用方便等的优势，使得无人机在高压输电线路巡视、油田管路检查、高速公路管理、森林防火巡查、地质测量、毒气勘察、缉毒和应急救援、救护安防（公安、武警、消防、海事等政府部门应用）、航空拍照、等民用领域应用前景极为广阔[1]。

2 工业堆状原料盘存测量技术

（1）堆状体测量的技术难点。在火力发电和钢铁等企业，大多有着面积大、厂区多、人员多、设备多、工作环节多等特点，这些特点使得其管理难度也非常大。比如料场管理，就包括煤场、原料场（杂矿、精粉、混匀料、球团等）等，并分布在炼铁厂、焦化厂、原料厂等多个厂区，地理位置不够集中，相距较远。工业堆状原料的体积测量，在火电、钢铁冶金等行业是一项非常重要的工作，行业内也一直在不断尝试新技术新方式来解决该问题。

（2）常用的传统堆状体测量技术。常用的堆状体测量技术包括：卷尺丈量法、皮带称量法、自动测绘系统测量、激光扫煤仪测量等方法[2]。卷尺丈量法即传统的人工测量方法。该方法主要是把堆状体推成规则便于测量的形状，通过卷尺进行，误差大，效率低;皮带称量法，通过在皮带上安装称重传感器来进行测量，通常只是在进、出货过程中采用，且周期长，需要较大场地，也是目前最为常见的测量方法;自动测绘系统，通过数据采集仪、脉冲超声测距传感器和计算机是该系统主要的三个组成部分组成，主要是对堆状体存储量的计算、数据的处理和堆状体堆积形状的测绘，成本高且具有不确定因素干扰;激光扫煤仪，利用了超声波或激光通过不通介质的时候具有不同反射这一特性，通过对堆状体每一小段断面的扫描，得出扫描该断面的成果，最后，将所有测量数据传到微机中进行分析、平滑等方式，再通过积分的方式算出该堆状物的体积。

3 基于多旋翼无人机的堆状体测量系统

本文主要研究设计基于多旋翼无人机的堆状体测量系统，通过航线规划，对无人机所采集的厂区航摄影像进行处理，从而形成厂区正射影像图和三维模型图，按照相应算法，对堆状体的体积进行估算。如图1所示。

整个系统由六旋翼无人机飞行器、三轴自稳云台、测绘相机载荷、高精度GPS定位单元、专用图像传输单元、地面工作站、地面显示单元、数据处理软件等组成。

（1）空中部分。主要由飞行器和相机模块组成。

飞行器采用六旋翼无人机，在无人机飞行器动力系统的设计中，考量其总体尺寸、自重以及载荷重量，搭配经过桨效测试的最适合的电机和螺旋桨，保证将无人机整体的动力效能发挥到最大。无人机上同时配备自主研发的飞控系统，快速准确地控制无人机飞行姿态。

相机模块采用专业测绘高清微单相机，省去了采集图片矫正、校准等过程，能够用于厂区白天时段的巡视巡检，通过高空视角将厂区内实景画面实时传输至地面工作站，供管理人员及时获取各处的情况，并可以拍摄厂整体影像，经过业内拼接软件和三维建模软件后，能够实现测量区域全貌的实景整体拼接以及实景三维建模。

（2）地面部分。地面控制站由计算机和地面监视屏组成，主要分为发送和接收两个部分功能。

在发送功能方面，地面站具备航线规划（最大航点数250）、飞行控制、载荷控制等功能，可以实时对无人机的飞行姿态、飞行路线、相机采集等任务进行操控;

在接收功能方面，地面站具备飞行数据记录分析、飞行状态显示等各种功能，可以实时显示无人机飞行高度、飞行速度、经纬度坐标、电池电量等内容，并可以远程接收影像。

（3）软件部分。主要分为飞控软件和数据处理软件。

飞控软件具备一键起飞、航线规划、一键悬停、一键返航、一键降落、低电自动返航、控制信号丢失返航、飞行器状态显示等基本功能，同时为测量应用设置了自动拍照和断点继续等功能。

数据处理软件主要具备图像拼接、三维建模、体积计算三大块功能，将相机采集的影像导入拼接软件中，自动生成厂区并生成正射全景影像;通过正射影像及点云数据，进行点云匹配，形成厂区整体三维实景模型;根据模型的三维坐标数据，根据算法，输出料堆体积数据、料场图片标号并将相关数据放在指定存储位置，供其他系统进行提取调用。

4 实验与测量

实验测量以某钢厂的六条煤堆的厂区为实验对象，形成厂区整体视图，并对其中若干子堆体积进行测量。

4.1 规划航线进行拍摄

对于建筑、不规则物体的航空测量，建议采用多拼相机模块进行航摄，以保證侧面纹理的清晰。是本次实验为堆状煤堆，形状相对简单，对表面纹理要求不高，因而拟采用单相机模块进行拍摄[4]。传统的无人机低空摄影的影像航向重叠度为60%，旁向重叠为30%，通过对现场的勘探和四周距离的测量，并集合重叠度的相关要求，规划出往返的实际航线。当无人机接收到起飞的指令后，即开始根据飞行高度和飞行速度自动计算拍照频率，保证航向照片相邻的两张高度的重叠率，保证后续在对照片数据进行拼接以及生成三维数据的过程中，数据具备相当高度的准确性。此次作业共采集15个影像组的109张影像

4.2 三维重构

在原始数据采集完成后，通过业内处理软件的进行空中三角测量计算，构建料场整体的整体正射全景图和三维实景全景图，可定期更新，用于料场整体管控。进一步通过几何定位的原理解析出堆场各点的三维坐标，输出高密度的点云文件以及高程渲染图[5-6]。

4.3 计算体积和工程管理

通过三维建模的方式，对堆场进行三维图形绘制和体积计算，最后可针对指定区域进行可视化分割，并自动生成盘存报表。

4.4 测量结果

根据数据显示，图2区域点云数为347192，堆1点云数为42420，堆2（紫色区域）点云数为304772。最终计算的结果为堆1体积5160.494m3，堆2体积为29850.341m3。测量数据与厂方提供数据误差在工程允许范围内。

5 结语

综上所述，本次研究主要利用自主研发的无人机航摄平台、影像技术和后期数据处理技术，高效的测量工业堆状原料的体积，具有很好的推广价值。后期，还可以通过对航空测量的进一步改进和对处理算法的进一步优化，提高测量精度，降低测量成本。

参考文献

[1]刘磊.基于旋翼飞机的煤场体积测量系统设计[D].华北电力大学，2017.

[2]雷雨默.多旋翼无人机堆状体航空摄影测量[D].西安科技大学，2017.

[3]刘明学，崔进业.基于点云三维坐标数据计算复杂物体体积[J].测绘地理信息，2018，43（03）：96-98.

[4]吴波涛，张煜，李凌霄，魏思奇，田一.基于多旋翼单镜头无人机的三维建模技术[J].长江科学院院报，2016，33（11）：99-103+115.

[5]杨延涛.基于点云的数据处理技术及三维重建研究[D].河北工程大学，2017.

[6]李长安.基于三维激光扫描的煤堆建模系统设计与实现[J].硅谷，2012，5（15）：53-56.

Design of Industrial Heap Measurement System Based on UAV Aerial

Photography Technology

JIANG Chi

（Wuhan University of Technology，Wuhan  Hubei  430070）

Abstract：In recent years， the rapid development of the technical of unmanned aerial vehicle （UVA）makes it has the flexibility of operation and superior performance. Not only the flying distance has been improved by a large margin， but also the high-definition camera can be carried in it， which all lay the foundation of the application and popularization of the UAV aerial photography technology in the industrial circle. This article focuses on designing the industrial reactor material measuring system based on multicopter， making the feasibility analysis of mathematic model for volume calculation， and providing reference for the application in the industrial circle.

Key words：unmanned aerial vehicle （UVA）;reactor material measuring system;aerial photograph;three-dimensional modeling