空地一体化快速成图关键技术研究与实现

发布时间：2017-05-25 06:23

  本文关键词：空地一体化快速成图关键技术研究与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：国家各项经济建设离不开大中比例尺基础图件的支撑。随着新农村建设和新型城镇化进程的加快推进,各种地形图产品需求急速扩大带来的用图矛盾日益突出。目前,获取地形图产品主要来源于卫星遥感、传统航空摄影、新型低空遥感以及常规数字化测绘等技术手段。然而任何单一手段都有其应用的局限性,难以满足当前快速获取大中比例尺基础图件的实际需求。为此,本文提出了空地一体化快速成图的理论和方法,并对系统集成及软件开发中的关键技术展开研究。论文的主要工作内容及取得的成果如下：(1)空地一体化快速成图体系框架与业务流程的构建。从理论到技术两个层面,研究了空地一体化快速成图系统的体系结构和总体框架,梳理出系统集成所涉及到的关键技术和集成方向。在此基础上进行了系统集成的总体设计与分系统设计,为系统集成开发构建了明确的开发目标。本文还针对无人机航测成图与地面GPS/TS/FOG组合成图各自的技术流程特点,提出了支撑空地一体化快速成图的新型业务流程。(2)轻小型机载POS辅助空三技术研究。根据轻型无人机平台的特点,开展了DGPS以及DGPS/IMU辅助空三技术在无人机航测成图中的试验研究,提出了基于超轻型POS的一体化相机集成设计方案,为国内无人机用于1：500大比例尺成图提供技术支撑。结果表明：单纯的DGPS辅助空三解算虽有较大的精度提高,但目前还不能直接替代全野外布点的方案,"A7R+AP15"为现阶段最优组合方案,可以有效解决单纯DGPS辅助空三方案的不足,显著提高成图精度和成图效率。(3)研究了无人机影像高效压缩与快速显示技术方法。基于小波变换的图像数据压缩技术,研究了快速小波变换方法、嵌入式零树小波(即EZW)算法以及自适应算术编码算法,提出了基于影像分块压缩和动态导入的快速显示策略,开发了桌面版TIFF影像图压缩软件。测试表明：该软件能够满足不同压缩率下的大容量影像的压缩处理,在显示效率上以6×6分块数据为最高。3GB影像压缩后在嵌入式平台上显示速度达秒级,压缩容量提高了9倍。(4)地面GPS/TS/组合定位算法研究及精度分析。针对地面定位复杂环境以及GPS信号盲区严重影响测图的问题,在系统分析GPS单站差分下的RTK定位、网络差分下的RTK定位以及非差PPP定位三种模式的基础上,提出了基于GPRS网络的GPS/TS组合定位构想,从理论上探讨了GPS辅助全站仪自由设站组合定位算法与坐标变换算法的可行性与实用性,从精度分析的角度论证了交会定点的最有利图形,实例计算结果得出与理论分析一致的结论。(5)光纤陀螺辅助全站仪自主定向算法研究及试验分析。为拓展全站仪定向功能,研究了基于全站仪高精度转位信息的FOG四位置寻北算法以及真方位角与坐标方位角的转换算法,推导了TS辅助下的FOG寻北误差抑制以及安装误差自动补偿数学模型。数值仿真与实验测试表明：对于精度为0.02°/h的光纤陀螺仪,单个位置寻北时间超过60s后,定向精度提高已经不太明显：四位置寻北整体精度优于±30”,为陀螺仪用于日常地形地籍测绘工作开辟了新的方向。
【关键词】：无人机 GPS/全站仪 光纤陀螺/全站仪 机载POS 网络通讯 空地一体化 快速成图
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 研究背景及意义10-12
• 1.1.1 空地一体化成图的必要性10-11
• 1.1.2 空地一体化成图及意义11-12
• 1.2 研究现状及存在问题12-22
• 1.2.1 无人机航测成图技术12-14
• 1.2.2 地面数字化测绘技术14-20
• 1.2.3 空地一体化成图技术20-22
• 1.3 论文研究内容及结构22-24
• 1.3.1 课题来源22
• 1.3.2 研究内容22-24
• 第二章 空地一体化快速成图系统架构研究24-41
• 2.1 系统体系结构24-29
• 2.1.1 理论体系结构25-26
• 2.1.2 技术体系结构26-29
• 2.2 系统架构与集成设计29-34
• 2.2.1 无人机低空遥感信息采集子系统31-32
• 2.2.2 无人机低空遥感影像处理子系统32
• 2.2.3 地面GPS/TS/PAD快速定位测图子系统32-33
• 2.2.4 地面FOG/TS/PDA快速定向测图子系统33-34
• 2.3 系统业务流程34-39
• 2.3.1 UAV航测成图业务流程34-37
• 2.3.2 地面GPS/TS/FOG测图业务流程37-38
• 2.3.3 系统集成后的总体流程38-39
• 2.4 本章小结39-41
• 第三章 空地一体化快速成图关键技术研究41-94
• 3.1 UAV机载影像传感器改进技术41-46
• 3.1.1 国内无人机普遍搭载使用的相机41
• 3.1.2 几种适合无人机搭载的新型相机41-43
• 3.1.3 几种相机用于无人机测量的比较43-45
• 3.1.4 无人机航摄相机改进及配置的关键45-46
• 3.2 UAV机载超轻型POS辅助空三技术46-59
• 3.2.1 概述46-47
• 3.2.2 基于UAV的GPS辅助空三技术47-53
• 3.2.3 基于UAV的POS辅助空三技术53-59
• 3.3 复杂环境下的GPS/TS组合定位技术59-85
• 3.3.1 单站差分模式下的GPS RTK快速定位60-62
• 3.3.2 网络差分模式下的GPS RTK快速定位62-71
• 3.3.3 GPS非差精密单点定位技术71-78
• 3.3.4 GPS/TS组合定位算法78-85
• 3.4 信号盲区下的FOG/TS组合定向技术85-92
• 3.4.1 光纤陀螺仪寻北原理86-88
• 3.4.2 FOG/TS组合定向算法88-90
• 3.4.3 数值仿真与实验测试90-92
• 3.5 本章小结92-94
• 第四章 空地一体化快速成图系统集成开发94-126
• 4.1 概述94-97
• 4.1.1 需求分析94-95
• 4.1.2 系统集成方案95-97
• 4.2 系统集成中的关键技术实现97-116
• 4.2.1 大容量无人机影像图高效压缩软件开发98-103
• 4.2.2 面向嵌入式GIS的无人机影像图快速显示103-107
• 4.2.3 GPS/TS组合定位系统设计与实现107-110
• 4.2.4 FOG/TS定向软件设计与开发110-116
• 4.3 系统集成中的硬件设备改造116-125
• 4.3.1 超棱镜设计与改造116-117
• 4.3.2 数字通讯模块设计与研制117-122
• 4.3.3 FOG接合器设计与安装122-125
• 4.4 本章小结125-126
• 第五章 实验验证126-139
• 5.1 实验应用总体概况126-127
• 5.1.1 子系统改进的实验测试126-127
• 5.1.2 集成系统的实际应用127
• 5.2 实验测试及精度检验127-130
• 5.2.1 测试概况128
• 5.2.2 测试方案128
• 5.2.3 测试结果128-130
• 5.3 实际应用及效果评价130-138
• 5.3.1 北京示范区应用130-134
• 5.3.2 上海示范区应用134-136
• 5.3.3 应用效果评价136-138
• 5.4 本章小结138-139
• 第六章 总结与展望139-142
• 6.1 论文主要研究工作139-140
• 6.2 主要创新点140
• 6.3 研究展望140-142
• 致谢142-143
• 参考文献143-149
• 攻读博士学位期间的科研工作和学术活动149-150

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