一种无人机测量土石方的设备及方法
【专利摘要】本发明涉及一种无人机测量土石方的方法，包括如下步骤：S1飞行任务规划和设备选取；S2执行飞行任务获取数据；S3根据影像数据和地理坐标信息建立三维模型；S4结合工程图纸和生成的三维模型来计算测量区域的土方量；S5一定时间间隔重复测量计算工程量。本发明通过在无人机设置的飞行控制系统、卫星定位系统、飞行数据存储系统及机载相机可减少外业工作量，缩短测量周期；避免人为的干预测量过程而影响最终的测量结果，以一定时间间隔重复测量获取的多组三维模型相互比较和测量可以计算出土石方的工程量，有利于把控工程进度。
【专利说明】
一种无人机测量土石方的设备及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种无人机测量土石方的设备及方法。
【背景技术】
[0002]在土石方施工中，如场地平整工程，水利河渠开挖，边坡开挖，基坑开挖等，经常需要进行土石方量计算，并以此来掌握土石方的施工进度，控制资金的使用，确保整个工程的顺利进行，因此，土石方测量与计算是一项很重要的工作，计算结果的准确性关系到双方的利益，在现实中的一些工程项目中，因土石方测量计算的精确性和最优性而产生的纠纷也是比较常见的，如何精确的确定土石方就成了人们日益关注的问题。
[0003]现有的比较常见的土石方确定计算方法有:方格网法、等高线法、断面法、块面法、DTM法、区域土地量平衡法和平均高程法。传统的土石方测量方法主要是采用平均高程法，这种方法需要用到GPS RTK测量仪，仪器价格贵，外业工作量大，测量周期长。
[0004]得益于无人机技术的进步，借助高精度GPS和高清相机，本发明提出一种借助无人机来实现高精度土石方测量的系统。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种无人机测量土石方的方法。
[0006]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种无人机测量土石方的方法，包括如下步骤:
SI飞行任务规划和设备选取，根据待测量区域面积和地形条件选取合适的无人机和相机，设计和规划无人机飞行的起飞降落位置，无人机飞行高度和航线，设置无人机搭载相机的触发条件；
S2执行飞行任务获取数据，在选定区域控制无人机起飞并执行航线飞行任务，无人机飞行过程中控制相机快门执行拍照操作，拍摄照片确保沿着航向方向不低于66%的重叠度，航线旁向不低于50%的重叠度，无人机在执行拍照的同时记录当前无人机的姿态和地理坐标信息，航线任务和拍照任务执行完毕后控制无人机在指定地点降落；
S3根据影像数据和地理坐标信息建立三维模型，在无人机获取到待测量区域影像资料和地理坐标信息后将获取的影像导入到计算机，导入每张图片对应的地理坐标信息，并对照片和相应地理坐标数据进行配对，删除掉出错的影像数据，通过自动控制点的集合约束区域平差法提取特征点，构件测量区域地表三维点云模型，通过三角加密来建立地表三维丰旲型;
S4结合工程图纸和生成的三维模型来计算测量区域的土方量，根据生产的三维模型结合设计图纸可以计算出工程中需要开挖和清运的土方量；
S5—定时间间隔重复测量计算工程量，在获得一组三维模型之后间隔一段时间再次测量该区域得到另外一组三维模型，两组模型比较则可计算出土石方量的差值即可得出这段时间内土方的工程量。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种无人机测量土石方的方法，包括如下步骤:
飞行控制系统，用于维持无人机稳定飞行、处理接收到的指令并控制无人机完成相关操作、记录飞行数据；
卫星定位系统，用于接收卫星信号向所述飞行控制系统提供无人机所在位置和方位信息;
飞行数据存储系统，用于存储无人机飞行过程中产生的飞行数据；
无人机机载相机，其为无人机机载设备，挂载在无人机机体上，在飞行过程中用于执行对测量区域的拍照任务并存储拍摄照片。
[0008]在本发明所述的一种无人机测量土石方的设备中，还包括:
相机快门控制系统，其与飞行控制系统连接，当飞行控制系统发送拍照指令时，相机快门控制系统触发无人机机载相机拍照动作，无人机机载相机完成一次拍照；
相机姿态增稳系统，用于保证无人机机载相机姿态稳定性并减少振动提高拍摄照片的质量。
[0009]在本发明所述的一种无人机测量土石方的设备中，还包括控制信号接收系统和控制信号发射系统，由操作手通过控制信号发射系统向控制信号接收系统发射发送无人机控制信号，控制信号接收系统将接收到的控制信号传送给飞行控制系统，飞行控制系统控制无人机实现操作手需要无人机执行的动作。
[0010]在本发明所述的一种无人机测量土石方的设备中，还包括机载端数据传输系统、地面端数据传输系统和地面站控制系统，飞行控制系统通过机载端数据传输系统发送无人机当前飞行状态，地面端数据传输系统接收到机载端数据传输系统发送出的飞行数据后通过地面站控制系统显示出来，无人机操作手可以用地面站控制系统通过地面端数据传输系统向机载端数据传输系统发送飞行控制指令，机载端数据传输系统接收到飞行控制指令后将指令传送到飞行控制系统，由飞行控制系统控制无人机完成相关指令操作。
[0011]在本发明所述的一种无人机测量土石方的设备中，还包括机载发射端图像传输系统、地面接收端图像传输系统和图像显示系统，机载发射端图像传输系统将无人机机载相机镜头所拍摄的画面传送到地面接收端图像传输系统，图像显示系统将地面接收端图像传输系统接收到的图像显示出来。
[0012]在本发明所述的一种无人机测量土石方的设备中，还包括计算机系统，用于无人机获得数据的后期处理，将飞行数据存储系统中的飞行数据和无人机机载相机中的数据导入到计算机系统进行后期处理，获得所需要的结果。
[0013]在本发明所述的一种无人机测量土石方的设备中，还包括:
能源系统，用于为无人机正常工作提供必要的能源；
动力系统，用于为无人机飞行提供必要的动力。
[0014]在本发明所述的一种无人机测量土石方的设备中，所述动力系统包括旋翼、马达和马达驱动器。
[0015]实施本发明的一种无人机测量土石方的设备，具有以下有益效果:本发明通过在无人机设置的飞行控制系统、卫星定位系统、飞行数据存储系统及挂在无人机上的机载相机和相机快门控制系统等系统可以大大的减少外业工作量，缩短测量周期，降低测量成本；同时采用本发明中的土石方测量系统可以避免人为的干预测量过程而影响最终的测量结果，使得测量结果更客观公正，以一定时间间隔重复测量获取的多组三维模型相互比较和测量可以计算出这段时间内土石方的工程量，减少纠纷，有利于把控工程进度。
[0016]
【附图说明】
[0017]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
图1是本发明的无人机测量土石方的设备的结构示意图。
[0018]
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020]图1示出了本发明的无人机测量土石方的设备的结构示意图，所述无人机测量土石方的设备包括飞行控制系统，用于维持无人机稳定飞行、处理接收到的指令并控制无人机完成相关操作、记录飞行数据；
卫星定位系统，用于接收卫星信号向所述飞行控制系统提供无人机所在位置和方位信息;
飞行数据存储系统，用于存储无人机飞行过程中产生的飞行数据；
无人机机载相机，其为无人机机载设备，挂载在无人机机体上，在飞行过程中用于执行对测量区域的拍照任务并存储拍摄照片；
相机快门控制系统，其与飞行控制系统连接，当飞行控制系统发送拍照指令时，相机快门控制系统触发无人机机载相机拍照动作，无人机机载相机完成一次拍照。
[0021]具体地，还包括相机姿态增稳系统，用于保证无人机机载相机姿态稳定性并减少振动提高拍摄照片的质量。
[0022]具体地，还包括控制信号接收系统和控制信号发射系统，由操作手通过控制信号发射系统向控制信号接收系统发射发送无人机控制信号，控制信号接收系统将接收到的控制信号传送给飞行控制系统，飞行控制系统控制无人机实现操作手需要无人机执行的动作。
[0023]具体地，还包括机载端数据传输系统、地面端数据传输系统和地面站控制系统，其组合使用，飞行控制系统通过机载端数据传输系统发送无人机当前飞行状态，地面端数据传输系统接收到机载端数据传输系统发送出的飞行数据后通过地面站控制系统显示出来，无人机操作手可以用地面站控制系统通过地面端数据传输系统向机载端数据传输系统发送飞行控制指令，机载端数据传输系统接收到飞行控制指令后将指令传送到飞行控制系统，由飞行控制系统控制无人机完成相关指令操作。
[0024]具体地，还包括机载发射端图像传输系统、地面接收端图像传输系统和图像显示系统，其组合使用，机载发射端图像传输系统将无人机机载相机镜头所拍摄的画面传送到地面接收端图像传输系统，图像显示系统将地面接收端图像传输系统接收到的图像显示出来。
[0025]具体地，还包括计算机系统，用于无人机获得数据的后期处理，将飞行数据存储系统中的飞行数据和无人机机载相机中的数据导入到计算机系统进行后期处理，获得所需要的结果。
[0026]具体地，还包括:用于为无人机正常工作提供必要的能源的能源系统和用于为无人机飞行提供必要的动力的动力系统。所述动力系统包括旋翼、马达和马达驱动器。
[0027]在本实施例中，飞行控制系统、能源系统、动力系统、卫星定位系统、飞行数据存储系统、控制信号接收系统、机载端数据传输系统、无人机机载相机、相机快门控制系统、相机姿态增稳系统、机载发射端图像传输系统装在无人机体内，地面端数据传输系统、地面站控制系统、地面接收端图像传输系统、图像显示系统、控制信号发射系统为地面控制端，计算机系统用于后期数据处理;其中，机载端数据传输系统、地面端数据传输系统、地面站控制系统为一套无线控制设备，控制信号接收系统、控制信号发射系统为一套无线控制设备，在本系统中两套控制设备至少需要存在一套，相机快门控制系统和机载发射端图像传输系统、地面接收端图像传输系统、图像显示系统为可选设备。
[0028]在本实施例中，利用无人机航拍获得影像资料来构建地面三维模型来计算土石方量的系统实现过程包括以下步骤:
1、飞行任务规划和设备选取
根据待测量区域面积和地形条件选取合适的无人机和相机，设计和规划无人机飞行的起飞降落位置，无人机飞行高度和航线，设置无人机搭载相机的触发条件，最后将飞行计划导入到2无人机飞行控制系统中。
[0029]2、执行飞行任务获取数据
在选定区域控制无人机起飞并执行航线飞行任务，无人机飞行过程中2飞行控制器通过10相机快门控制系统控制9无人机机载相机执行拍照操作，拍摄照片确保沿着航向方向不低于66%的重叠度，航线旁向不低于50%的重叠度，无人机在执行拍照的同时2飞行控制系统记录当前无人机的姿态和地理坐标信息并存储在6飞行数据存储系统，航线任务和拍照任务执行完毕后控制无人机在指定地点降落。
[0030]3、根据影像数据和地理坐标信息建立三维模型
在无人机获取到待测量区域影像资料和地理坐标信息后将数据分别从9无人机机载相机和6飞行数据存储系统导入到18计算机系统中，导入每张图片对应的地理坐标信息，并对照片和相应地理坐标数据进行配对，删除掉出错的影像数据，通过自动控制点的集合约束区域平差法提取特征点，构件测量区域地表三维点云模型，通过三角加密来建立地表三维模型。
[0031]4、结合工程图纸和生成的三维模型来计算测量区域的土方量。
[0032]根据生产的三维模型结合设计图纸可以计算出工程中需要开挖和清运的土方量。
[0033]5、一定时间间隔重复测量计算工程量
在获得一组三维模型之后间隔一段时间再次测量该区域得到另外一组三维模型，两组模型比较则可计算出土石方量的差值即可得出这段时间内土方的工程量。
[0034]本发明通过在无人机设置的飞行控制系统、卫星定位系统、飞行数据存储系统及挂在无人机上的机载相机和相机快门控制系统等系统可以大大的减少外业工作量，缩短测量周期，降低测量成本；同时采用本发明中的土石方测量系统可以避免人为的干预测量过程而影响最终的测量结果，使得测量结果更客观公正，以一定时间间隔重复测量获取的多组三维模型相互比较和测量可以计算出这段时间内土石方的工程量，有利于把控工程进度。
[0035]尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各构件所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。
【主权项】
1.一种无人机测量土石方的方法，其特征在于，包括如下步骤: Si飞行任务规划和设备选取，根据待测量区域面积和地形条件选取合适的无人机和相机，设计和规划无人机飞行的起飞降落位置，无人机飞行高度和航线，设置无人机搭载相机的触发条件； S2执行飞行任务获取数据，在选定区域控制无人机起飞并执行航线飞行任务，无人机飞行过程中控制相机快门执行拍照操作，拍摄照片确保沿着航向方向不低于66%的重叠度，航线旁向不低于50%的重叠度，无人机在执行拍照的同时记录当前无人机的姿态和地理坐标信息，航线任务和拍照任务执行完毕后控制无人机在指定地点降落； S3根据影像数据和地理坐标信息建立三维模型，在无人机获取到待测量区域影像资料和地理坐标信息后将获取的影像导入到计算机，导入每张图片对应的地理坐标信息，并对照片和相应地理坐标数据进行配对，删除掉出错的影像数据，通过自动控制点的集合约束区域平差法提取特征点，构件测量区域地表三维点云模型，通过三角加密来建立地表三维丰旲型; S4结合设计的场平高程和生成的三维模型来计算两次之差测量区域的土方量，根据生产的三维模型结合设计图纸可以计算出工程中需要开挖和清运的土方总量； S5工程施工开挖后一定时间间隔飞行测量，在获得该组三维模型之后间隔一段时间再次测量该区域得到另外一组三维模型，两组模型比较则可计算出土石方量的差值即可得出这段时间内土方的工程量。2.一种无人机测量土石方的设备，其特征在于，包括: 飞行控制系统，用于维持无人机稳定飞行、处理接收到的指令并控制无人机完成相关操作、记录飞行数据； 卫星定位系统，用于接收卫星信号向所述飞行控制系统提供无人机所在位置和方位信息; 飞行数据存储系统，用于存储无人机飞行过程中产生的飞行数据； 无人机机载相机，其为无人机机载设备，挂载在无人机机体上，在飞行过程中用于执行对测量区域的拍照任务并存储拍摄照片。3.如权利要求2所述的无人机测量土石方的设备，其特征在于，还包括: 相机快门控制系统，其与飞行控制系统连接，当飞行控制系统发送拍照指令时，相机快门控制系统触发无人机机载相机拍照动作，无人机机载相机完成一次拍照； 相机姿态增稳系统，用于保证无人机机载相机姿态稳定性并减少振动提高拍摄照片的质量。4.如权利要求3所述的无人机测量土石方的设备，其特征在于，还包括控制信号接收系统和控制信号发射系统，由操作手通过控制信号发射系统向控制信号接收系统发射发送无人机控制信号，控制信号接收系统将接收到的控制信号传送给飞行控制系统，飞行控制系统控制无人机实现操作手需要无人机执行的动作。5.如权利要求4所述的无人机测量土石方的设备，其特征在于，还包括机载端数据传输系统、地面端数据传输系统和地面站控制系统，飞行控制系统通过机载端数据传输系统发送无人机当前飞行状态，地面端数据传输系统接收到机载端数据传输系统发送出的飞行数据后通过地面站控制系统显示出来，无人机操作手可以用地面站控制系统通过地面端数据传输系统向机载端数据传输系统发送飞行控制指令，机载端数据传输系统接收到飞行控制指令后将指令传送到飞行控制系统，由飞行控制系统控制无人机完成相关指令操作。6.如权利要求5所述的无人机测量土石方的设备，其特征在于，还包括机载发射端图像传输系统、地面接收端图像传输系统和图像显示系统，机载发射端图像传输系统将无人机机载相机镜头所拍摄的画面传送到地面接收端图像传输系统，图像显示系统将地面接收端图像传输系统接收到的图像显示出来。7.如权利要求6所述的无人机测量土石方的设备，其特征在于，还包括计算机系统，用于无人机获得数据的后期处理，将飞行数据存储系统中的飞行数据和无人机机载相机中的数据导入到计算机系统进行后期处理，获得所需要的结果。8.如权利要求7所述的无人机测量土石方的设备，其特征在于，还包括: 能源系统，用于为无人机正常工作提供必要的能源； 动力系统，用于为无人机飞行提供必要的动力。9.如权利要求8所述的无人机测量土石方的设备，其特征在于，所述动力系统包括旋翼、马达和马达驱动器。
【文档编号】G01C11/02GK105867404SQ201610341487
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】张爱军
【申请人】张爱军