建筑领域低空信息采集技术基础性研究

论文摘要

信息采集是建筑领域中一项重要的科研内容,建筑测绘、区域现状调查、环境数据采样等都属于信息采集范畴,所以建筑领域中,建筑史、建筑设计、城市规划、景观环境、建筑物理等专业都有对应的常见信息采集任务。在本论文中,“低空信息采集平台(技术)”是指利用无人航空器作为信息收集设备的载具,由地面人员控制,在空间中进行快速移动以覆盖广域范围并大量收集、存储、传回目标信息的作业平台和相关技术。因为无人航空器体积小、机动灵活,适于近地面、高精度作业,为了和传统的载人遥感、宇航遥感等技术相区别,所以称作“低空平台”。以无人航空器应用技术、建筑领域近距离信息采集技术为基础的建筑领域低空综合信息采集平台和传统的载人飞行作业平台相比具有廉价、安全、使用便捷、高效的优点;和建筑领域长期采用的人工作业相比人员劳动强度更低、速度更快,尤其是大大提高了信息采集的空间自由度,不仅不受到地面人员、交通条件的限制,也没有大型载人平台高度的限制,可以从零至数千米的不同距离、高度、角度上对建筑目标进行各种类型的信息采集作业,完成原来无法想象的高难度作业项目。本文总结天津大学建筑学院此课题近几年的研发经历、试验结果,对平台建设过程进行总结,分析其中产生的主要问题,介绍融合的新技术、得到的主要成果,以期抛砖引玉,将这一新兴的跨学科研究方向继续推进深入。本文分为基础技术准备、试验作业总结、各类型成果分析、高级应用分析以及普及应用展望这几个章节,首先简介飞行器作业原理,从设备选型、购置、人员技术培训几个方面分析如何建立基本作业平台,对关键部件的性能参数配合重点描述;其后通过大量实例列举和对实验结果的详细分析,总结通用的作业方法、技术要点,并针对建筑领域的常见作业条件和任务要求分析对作业平台进行改进和升级、添加辅助作业设备。在完成所有的技术准备后,本文分类介绍平台能够采集的信息和内业信息处理的流程、软硬件系统,以及在每一个应用领域的用途。最后,本文将无人空中信息采集平台与传统载人遥感系统、卫星遥感系统以及新兴的地面测绘仪器进行对比分析,对于该平台在建筑领域以及遗产保护、文物考古、农林环境等相关领域的应用前景、发展方向进行了分析、展望。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 绪论
• 1.1 研究背景与研究现状
• 1.2 题目的选择及研究的意义
• 1.3 研究的方法和技术手段
• 1.4 研究的创新性
• 1.5 研究的框架
• 第一章 低空信息采集平台的外业、内业设备系统构成
• 1.1 建筑领域用低空信息采集平台的总体构成
• 1.1.1 信息采集平台总体构成分析
• 1.1.1.1 外业系统与内业系统的关系
• 1.1.1.2 外业系统构成分析
• 1.1.1.3 内业系统功能介绍
• 1.2 外业系统建设
• 1.2.1 航空飞行器选型
• 1.2.1.1 飞行平台的设备选型、配置决定整个外业系统的性能
• 1.2.1.2 飞行器类型的介绍和选择
• 1.2.1.3 固定翼飞行器的主要组成部分及功用
• 1.2.1.4 直升机飞行平台的主要组成部分和功能
• 1.2.1.5 介于固定翼飞机和直升机之间的飞行器
• 1.2.1.6 飞艇作业平台的主要组成部分和功能特点
• 1.2.1.7 动力滑翔伞飞行平台
• 1.2.2 飞行动力系统的选择
• 1.2.2.1 电能推进无人飞行器动力系统
• 1.2.2.2 内燃机动力系统
• 1.2.2.3 内燃机推进力输出部件
• 1.2.2.4 外燃机动力系统
• 1.2.3 飞行控制系统
• 1.2.3.1 飞行姿态感知与飞行控制原理
• 1.2.3.2 无人机的飞行控制系统简介
• 1.2.3.3 无线电遥控设备介绍
• 1.2.3.4 自主导航、驾驶设备介绍
• 1.2.3.5 几种外业飞行控制方式
• 1.2.3.6 扩大视觉监控作业范围——“纵目”飞行戴具专利技术介绍
• 1.2.4 任务荷载设备的配置
• 1.2.4.1 信息采集器材的配置
• 1.2.4.2 任务荷载控制部分的构造特点
• 1.2.5 信息回传系统
• 1.2.5.1 电磁波的基础知识
• 1.2.5.2 天线的作用与原理
• 1.2.5.3 数据链路主要设备——数传电台
• 1.2.6 外业地面站建设
• 1.2.7 外业辅助设备
• 1.3 内业系统建设
• 1.3.1 信息后期处理系统
• 1.3.2 设备预处理系统
• 1.3.3 系统维护与部件加工制作设备
• 1.4 专门操作人员的选拔
• 1.5 资金投入估算与拟定配置计划
• 1.5.1 硬件购置资金分配比例估算
• 1.5.2 整体建设流程
• 本章小结
• 第二章 空中作业平台的调整与维护
• 2.1 关键设备的装配和设置
• 2.1.1 各部件性能的匹配
• 2.1.2 机体的装配和调整
• 2.1.2.1 机械控制部分装配技术要点
• 2.1.2.2 焦点、重心位置的调整
• 2.1.2.3 翼面的装配
• 2.1.3 发动机的安装
• 2.1.3.1 甲醇发动机的特殊安装要求
• 2.1.3.2 汽油发动机的特殊安装要求
• 2.1.3.3 喷气发动机的特殊安装要求
• 2.1.4 起落架的装配
• 2.1.5 飞行数据的设置
• 2.2 飞行平台的调整
• 2.2.1 发动机的调整
• 2.2.1.1 发动机工作的知识
• 2.2.1.2 使用发动机
• 2.2.1.3 发动机的磨合和调整
• 2.2.1.4 特殊的燃油——甲醇燃料
• 2.2.1.5 关于喷气发动机的调整
• 2.2.2 试飞——飞行控制的调整
• 2.2.3 任务荷载的调整
• 2.3 外业平台设备的存放和维护
• 2.3.1 典型的检查工作——地面检查
• 2.3.2 消耗品的保存
• 2.3.2.1 燃料的保存
• 2.3.2.2 橡胶类材料的老化检查与更换
• 本章小结
• 第三章 无人航空器信息采集平台基本操作技术培训
• 3.1 模拟器训练
• 3.2 飞行原理介绍
• 3.2.1 飞行基本原理
• 3.2.1.1 飞机的升力和阻力
• 3.2.1.2 影响升力和阻力的因素
• 3.2.2 基本飞行控制的实现（固定翼机型）
• 3.2.2.1 飞行姿态控制
• 3.2.2.2 飞机的平衡、安定性和操作性
• 3.2.2.3 基本的飞行动作——平飞、上升和下降
• 3.2.2.4 基本的飞行动作——起飞和着陆
• 3.2.3 直升机飞行特点
• 3.2.3.1 直升机的动力飞行
• 3.2.3.2 直升机的自旋飞行
• 3.2.4 动力伞的飞行特点
• 3.3 基本飞行训练
• 3.3.1 固定翼飞机飞行训练
• 3.3.1.1 基本航线飞行
• 3.3.1.2 进场着陆飞行
• 3.3.2 直升机飞行训练
• 3.3.2.1 直升机航线飞行
• 3.3.2.2 起飞与降落
• 3.3.2.3 自旋着陆练习
• 3.4 综合、重点飞行技术专题
• 3.4.1 失速的预防和补救措施
• 3.4.1.1 失速概念
• 3.4.1.2 失速改出
• 3.4.1.3 失速的预防
• 3.4.2 转弯事故的预防
• 3.4.2.1 转弯阶段的不稳定力学状态
• 3.4.2.2 转弯衍生的问题
• 3.4.2.3 转弯操作的方法
• 3.4.3 风对于飞行训练的影响
• 3.4.3.1 侧风对航线飞行的影响
• 3.4.3.2 侧风起飞、降落、滑跑要点
• 3.4.3.3 侧风状态下的进场着陆
• 3.4.3.4 风之功过
• 3.4.4 地面效应
• 3.4.5 复飞的决断
• 3.4.6 直升机的涡环状态
• 3.4.7 低空、超低空飞行的特点
• 3.5 人员素质的培养
• 3.5.1 自身素质的培养
• 3.5.2 保持最佳心理状态
• 3.5.3 养成作业准备习惯
• 3.5.4 处境意识的培养
• 本章小结
• 第四章 应对复杂作业环境的信息采集外业技术解决方案
• 4.1 固定翼飞机复杂地理环境作业技巧
• 4.1.1 复杂地面条件起飞
• 4.1.2 复杂地面条件降落
• 4.1.3 低质飞行环境、场地的适应
• 4.1.3.1 使用滑撬降落
• 4.1.3.2 利用水体起降
• 4.1.3.3 避免无线电干扰
• 4.2 场地条件局限的终极解决途径——设备辅助固定翼飞机起降
• 4.2.1 研制和使用辅助设备的原因分析
• 4.2.2 设备辅助固定翼机起飞方法
• 4.2.2.1 轨道发射
• 4.2.2.2 零长发射
• 4.2.2.3 小型无人机超轻型弹射架（本节内容已申请国家专利）
• 4.2.3 回收方式
• 4.2.3.1 拦阻网回收
• 4.2.3.2 空中打捞回收
• 4.2.3.3 伞降回收
• 4.2.3.4 机体着陆
• 4.3 直升机的起飞、降落场地问题
• 4.4 便携式包装及运送方法
• 4.5 气象基本知识学习
• 4.5.1 热上升气流分析
• 4.5.2 热力大气循环形成的气流
• 4.5.3 “看云识天气”天气情况分析的基本常识
• 4.6 近地面气流特点
• 4.6.1 城市作业环境中的气流特点
• 4.6.2 山区气流
• 4.6.3 山地云、雾、降水
• 4.6.4 山区飞行应采取的对策
• 4.6.4.1 山区的机动飞行
• 4.6.4.2 飞越山口
• 4.6.4.3 山区飞行起降
• 4.6.4.4 起降所需的功率和悬停飞行
• 4.7 夜间飞行特点
• 4.8 实验案例分析
• 4.8.1 固定翼类案例
• 4.8.1.1 案例一、机场训练过程中的失速尾旋
• 4.8.1.2 案例二、军堡航拍返航迫降事故分析
• 4.8.1.3 案例三、陕北吴堡山区考古遗址航拍分析
• 4.8.1.4 案例四、高空训练发动机熄火故障分析
• 4.8.1.5 案例五、陕北三眼泉遗址航拍分析
• 4.8.1.6 案例六、弹射起飞的失败与再尝试
• 4.8.2 直升机类案例
• 4.8.2.1 案例一、无线电接收机电源脱离导致失控坠毁事故
• 4.8.2.2 案例二、吴堡黄河边山地作业分析
• 4.8.2.3 案例三、天津某建筑航拍发动机熄火故障分析
• 4.8.2.4 案例四、应县木塔航拍，镜头的合理选择
• 4.8.2.5 案例五、天津蓟县某古塔塔基发掘现场航拍
• 本章小结
• 第五章 低空信息采集平台的作业成果类型介绍、后期处理技术分析
• 5.1 图像信息采集类作业
• 5.1.1 静态图像的获取和直接应用
• 5.1.1.1 无人信息采集平台获取图像的特点和用途
• 5.1.1.2 光与影的空中建构——建筑摄影的艺术与技术例析
• 5.1.1.3 空中影像的科研应用
• 5.1.2 360 度全景环境图像拍摄方法介绍
• 5.1.3 目标环境的环绕互动图像生成
• 5.1.4 环境实景照片与计算机渲染建筑模型的精确合成
• 5.1.5 实景动态录像与待建建筑合成展示
• 5.1.6 立体成像技术的应用
• 5.2 摄影测量技术应用
• 5.2.1 航空摄影测量
• 5.2.2 近景摄影测量
• 5.2.2.1 有关的几个技术问题
• 5.2.3 近景摄影测量与其它测绘技术在古建筑测绘领域应用比较
• 5.2.4 建筑测绘的“天仙配”——空中近距摄影测量在古建测绘中的应用
• 5.2.4.1 应用案例介绍
• 5.2.4.2 相关技术介绍
• 5.2.5 摄影测量在考古领域中的应用
• 5.3 建筑物理、环境数据采样应用
• 5.3.1 物理信息采集的特点
• 5.3.1.1 建筑技术领域常见任务对飞行平台的性能要求
• 5.3.1.2 针对任务特点的解决方法
• 5.3.2 室内级快速物理信息三维采集平台建设（本节内容已申请国家专利）
• 5.3.2.1 技术方案
• 5.3.2.2 有益效果
• 5.3.2.3 建筑室内空间中温度的三维采样实验
• 5.3.3 其它环境监测
• 本章小结
• 第六章 建筑领域无人低空信息采集技术的应用拓展
• 6.1 成果叠加时间因素后的潜在应用价值
• 6.2 全景图与动态视频元素的合成
• 6.3 摄影测量的几个技术发展点
• 6.3.1 目标的自动识别
• 6.3.2 正摄影像的制作
• 6.4 无人信息采集平台与其它手段的结合
• 6.4.1 其它空中信息采集技术的发展
• 6.4.2 虚拟现实技术
• 6.4.2.1 在城市规划中的应用
• 6.4.2.2 三维城市模型
• 6.4.2.3 虚拟现实技术与建筑动画的区别
• 6.5 空中信息采集平台在相关领域的应用
• 6.5.1 无人航空器遥感考古
• 6.5.2 在林业领域的应用方向
• 6.6 无人空中信息采集平台的发展趋势
• 6.6.1 空中作业平台的发展趋势
• 6.6.2 任务荷载的发展趋势
• 6.6.3 无人空中信息采集平台的总体发展趋势
• 本章小结
• 附录
• 主要参考文献
• 致谢
• 发表论文和参加科研情况说明