无人机RTK测绘技术在农业生产中的应用_张黔川.pdf

622023 年 5 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺无人机 RTK 测绘技术在农业生产中的应用张黔川（贵州省山地农业机械研究所，贵州 贵阳 550001）摘要：无人机的应用可以帮助农业生产人员监测大面积的农作物，生成清晰的影像数据，分析农作物的生长状态和病虫害情况，保障农作物的健康成长，提高产量和质量。基于此，笔者概述了地形的三维模型重建技术，分析了无人机RTK测绘的硬件系统和软件系统的构建，探讨了无人机RTK测绘技术在农业生产中的具体应用情况。研究结果表明，无人机RTK测绘技术的监测精度符合要求，能够监测复杂的地形，提高对农作物监测的准确性和安全性。关键词：无人机；RTK测绘技术；三维模型；农业生产中图分类号：V279 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.019在农业生产中应用无人机 RTK（Real-time kinematic，实时动态载波相位差分）测绘技术，可以对农作物进行高效、迅速的监测，并且监测的范围较大，处理效率较高，不仅可以获取较为丰富的地形地貌信息，还能够合理规划航线，提高监测作业的安全性。因此，在农业生产中应用无人机RTK测绘技术，可以实现智能化、自动化监测，提高监测的准确性。1 地形的三维模型重建技术1.1 影像获取技术工作人员在进行地形的三维模型重建时，为了提高模型的精度，一是需要保证影像的地面分辨率达到要求，影像的地面分辨率指的是地面采样的距离，在具体的工作中，工作人员需要确保在相机固定的条件下，保证影像的分辨率不会受到除地面高度以外的因素的影响。二是工作人员要确保影像的重叠度符合要求。影像的重叠度是指两张大小相同的影像重叠区域的面积占单张影像面积的比例，当重叠度达到一定程度的时候，才能进行三维模型的重建。三是影像的锐度对模型重建也有一定的影响，锐度是指影像界线的清晰程度，锐度越高则影像特征的提取效果越好。四是无人机搭载的多视角影像一般有 5 个镜头，分别从前后左右以及垂直方向进行拍摄，工作人员需要对影像进行处理和校正，提取出影像的特征，然后得到地形的全面资料。五是工作人员要注意影像是否存在畸变的情况，一般广角拍摄的影像会存在畸变，工作人员需要校正畸变，从而保证影像的科学性1。1.2 影像三维重建的算法在进行影像的三维重建时，主要是利用摄像机获取的地形地貌数据信息，先分析和处理数据信息，再通过视觉推导出实际的三维信息数据，建立三维模型。三维模型重建流程图如图1所示。无人机拍摄得到的是不同视角的影像，工作人员可以通过标定相机获得畸变参数，利用数学方法将畸变消除，从而获得准确而清晰的影像。工作人员需要对影像进行分析，找出同一个目标生成的不同影像，将它们放在一起，建立三角关系。但是这种三角关系无法确定其中两个观测点是否匹配，也无法确定两个观测点的相对位置，因此需要一定的算法进行计算。工作人员可以先采取特征点提取的算法处理影像，获取影像上的所有特征点，再进行特征点的匹配、归类，得到重建区域完整的三维特征，接着生成点云数据，利用计算机的外参数将投影矩阵恢复过来，从而确定影像的相对位置，避免出现错误的匹配点，形成更加准确的三角关系。工作人员需要利用立体匹配的算法，建立更加完整的点云数据，提高三维模型的准确性，将三维点云数据进行网格化和插值处理，形成较为简单的三维模型，再将重建区域的场景纹理映射到模型中。图1三维模型重建的流程图作者简介：张黔川（1974），男，贵州毕节人，本科，工程师，研究方向为农业机械。2023 年 5 月下63Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺1.3 三维模型校正的算法在进行三维模型的校正时，工作人员需要对穹顶畸变、坐标点偏移等进行校正。穹顶畸变会导致模型的精度变低，坐标点偏移则会使影像出现真实坐标和模型坐标存在偏差的情况，造成建模不准确。此时，工作人员需要利用校正算法，校正三维模型，具体的做法就是：1）提取参考面的坐标，拟合参考面，生成解析式。2）建立坐标的转换关系，生成坐标的转换式，建立函数校正模型2。1.4 无人机航线规划的算法在进行无人机的航线规划时，工作人员需要先确定监测的区域，因为无人机RTK测绘技术的应用包含了一种不规则区域的航线规划算法，也就是需要加入高程信息，保证无人机可以在地形较为复杂的情况下进行自主作业，监测农作物。在实际作业之前，工作人员需要了解无人机作业的形式。无人机在监测的时候，一般会直线飞行，在到达一个航点的时候，就会立刻读取第二个航点的位置，并且立刻调整飞行方向，按照规划好的航线向第二个航点飞行。在飞行过程中，飞机主要进行的是加速作业和减速飞向航点的行为。而且植保无人机在喷洒农药时，主要是在作物的冠层上方1 m2 m的位置，如果高度超过就会降低药效，而高度过低就会损伤农作物。在进行航线规划的时候，工作人员需要先标注障碍物，避免无人机在飞行的时候受到损伤。接着工作人员要规划基础的无人机航线，然后对航线进行采样，生成航点。但是在具体工作中，无人机只需要几个航点，因此需要将不必要的航点削减掉，满足农业生产的需求，就可以上传航点作业。2 无人机RTK测绘硬件系统的构建2.1 硬件系统的整体构建无人机RTK测绘硬件系统是由多个子系统共同组成的，主要包含多旋翼无人机硬件系统、影像获取硬件系统以及RTK定位系统几部分。多旋翼无人机硬件系统主要功能在于为搭载影像获取系统奠定基础，可以为后续获得低空位置的多元化角度影像创造必要的条件。影像获取系统的主要功能在于可以在很短的时间期限内捕捉众多高质量的清晰地面影像，便于后期可以精准地生成地形三维模型，其是无人机RTK测绘硬件系统中最为关键的组成部分。在实际应用的过程中，常常需要在多旋翼无人机系统的下方位置通过机械固定的方法将影像获取系统牢牢连接。同时，在无人机飞控通信系统和相关数据线的作用下，为无人机的平稳运转提供必要的电力支持。而构建RTK定位系统的主要目的在于可以更加全面地收集到地面控制点回传的数据信息，为数据处理校正和三维模型的构建提供充分的可能性3。2.2 多旋翼无人机的硬件系统构建多旋翼无人机系统的最大职责在于承载可以获取高清影像的摄像机，并且同步高质量完成所下达的飞行指令，其中包含导航系统、数据链传输系统、动力系统以及飞控系统。承载相机的任务主要是由控制平台以及云台共同完成的，现阶段，取得十分优秀成绩的飞行平台为大疆M600Pro飞行平台，产生时间为2016年，该飞行平台具有高专业化程度的飞控系统，内部还配有惯性测量单元以及全球卫星导航系统，可以在极短的时间内完成软件解析工作。此外，该飞行平台在模块安装的过程中，还针对性地开展了避震设计，以此保证收集到的信息数据更加精确化，总体的飞行表现也更加可靠，还可以精准完成无人机RTK测绘系统所下发的操控指令，在实际应用过程中具有便捷化的优势，可操作性强4-5。2.3 影像获取的硬件系统构建影像获取系统的主要职责在于精准捕捉地面空间位置上的高分辨率影像，本文以RGB相机为例来探讨影像获取系统的具体构建流程，使得相机能够和云台以及搭载平台形成紧密的联系，用户只需在手机App上进行操作，就可以对相机的参数进行调整，同时通过操作飞控系统完成单目相机的自动拍摄工作。RGB相机的专业稳定性能十分优越，最高可以支持完成1 600万像素的静态照片拍摄任务，其机身位置还可以安装规格为M4/3的镜头，保证定焦更加平稳，控制精度在0.02，即使处于动态的飞行过程中，仍能够保证所拍摄回传的画面稳定。2.4 RTK定位系统的构建RTK定位系统则是为了实现在原有基础上提高参考点坐标和地面控制点所捕捉信息的精确性，与常见的GPS定位系统对比来看，它的优势在于定位精准度有了大幅提升，精度以厘米为单位，实现高度误差可控。这是因为RTK定位系统在构建的过程中，利用了载波相位差分技术，因此接收机所收到的载波相位信息更加精准化，在接收机上就可以直接完成解642023 年 5 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺算坐标的求差任务，对定位信号偏差有着一个准确的判断。3 无人机RTK测绘软件系统的构建3.1 软件系统的整体构建为了确保无人机RTK测绘功能可以在农业生产过程中充分发挥出来，还要对无人机RTK测绘软件系统做到整体构建，具体要涉及航线规划系统、地面控制系统以及三维模型处理系统。通过在地面控制软件进行对应操作来完成无人机的升降任务，并且还有助于统筹规划无人机的具体飞行路线，实时监测无人机的运转状况，为农业生产提供便利条件。3.2 航线规划系统的构建若要实现无人机RTK测绘技术在农业生产应用中取得良好的功能作用，就需要构建航线规划系统。在设计航线规划软件时，要对无人机RTK测绘作业流程有着充分的了解，初步掌握设定的飞行作业区域，同时航线规划软件还可以在平面中通过对四端角点位置的改变，来对应调整作业区域的辐射范围，更好地满足农业生产的测绘需求6。在软件菜单界面中，要包含飞行高度、相机倾斜角度以及重叠度等重要参数，通过改变上述参数，就可以调整无人机飞行航线，并且在软件的右下方位置自动生成全面化的农业测绘作业预案，最大程度地保证无人机飞行航线的安全性7-8。3.3 地面控制系统的构建通过利用无人机RTK测绘技术，构建地面控制系统，为农业生产服务。地面控制系统的主要职责在于能够对无人机的升降任务做到完全把控，合理布设无人机完成农业生产监控作业任务的飞行航线，将地面影像数据信息的获取功能最大化发挥出来。构建地面控制系统，要有针对性地设计相机控制软件，促使航拍无人机可以自主完成自检任务，可以长时间处于稳定良好的运行状态；同时，构建软件时要注意设定自动报警机制，当无人机相机处于错误参数时，可以发出报警提醒，并对飞行平台相机的拍摄参数进行调整9-11。3.4 三维模型处理系统的构建在地面控制软件的作用下，无人机可以按照事先设定的飞行航线完成测绘任务，在此过程中不可避免地会收集到众多不同角度但高度重合的地面影像，因此，构建三维模型处理系统是非常有必要的。三维模型处理系统要通过手动导入的方式来获得重建照片，需注意的是，不可同一时间导入过量的照片，否则计算机内存难以支持高负荷的重建工作。在系统中通过应用三维点云配准算法，可以将照片中的信息生成稀疏点云，之后再形成密集点云，然后对其进行网格化处理，从而可以得到一个详备的三维立体模型12-14。4 结论综上所述，本文研究了地形的三维重建技术，对无人机RTK测绘的硬件系统和软件系统进行了分析，确保无人机RTK测绘技术的监测精度符合要求，能够监测复杂的地形，提高对农作物监测的准确性和安全性。同时，相关单位应该重视无人机RTK测绘技术的发展，保障我国农业的健康发展。参考文献：1 李小明.现代测绘技术在农业土地管理的应用J.农家参谋，2022(17)：31-33.2 王东亮.现代测绘技术在农业土地管理中的应用J.农业工程技术，2022，42(21)：56-57.3 张立东.北斗测绘技术在农业生产中的应用J.现代农村科技，2022(4)：122.4 陈仁香.现代测绘技术在农业土地管理的应用分析J.农村经济与科技，2021，32(21)：46-47+64.5 陈发煜，王颖，陈炜.浅析无人机在高标准农田建设测绘中的应用J.中国农业综合开发，2023(2)：43-45.6 朱小辉.农业土地规划与管理中测绘新技术的有效应用分析J.智慧农业导刊，2022，2(6)：42-44.7 张遵文.植保无人机山地作业航线控制优化研究D.杭州：杭州电子科技大学，2021.8 秦树林.现代测绘技术在农业土地管理中的应用J.乡村科技，2020，11(36)：120-121.9 邵振程.应用于农业植保领域的无人机测绘技术研究D.杭州：杭州电子科技大学，2019.10 胡大为.试论无人机测绘数据处理关键技术及应用J.世界有色金属，2018(7)：23+25.11 杨伯钢，李兵，李雷.无人机技术在新疆和田大面积地形图测绘中的应用J.测绘通报，2012(8)：21-23.12 赵福超.无人机倾斜摄影测量技术在农村房地一体测绘中的应用J.工程建设与设计，2020(24)：252-254.13 张勇超.无人机航拍测绘技术在农村土地利用规划中的应用研究：以江西省石城县洋地村为例J.江苏农业科学，2016，44(9)：416-421.14 杜蒙蒙，刘颖超，姬江涛，等.基于无人机与激光测距技术的农田地形测绘J.农业工程学报，2020，36(22)：60-67.