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無人機地理勘測方案設(shè)計一、無人機地理勘測方案設(shè)計概述
無人機地理勘測是一種高效、靈活的測繪技術(shù),通過無人機搭載高清相機、多光譜傳感器等設(shè)備,獲取地表影像數(shù)據(jù),并進行處理分析,廣泛應(yīng)用于土地規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、工程建設(shè)等領(lǐng)域。本方案設(shè)計旨在提供一套科學(xué)、規(guī)范的無人機地理勘測流程,確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實用性。
二、方案設(shè)計要點
(一)前期準(zhǔn)備
1.**需求分析**
-明確勘測目的:例如土地現(xiàn)狀調(diào)查、地形測繪、植被覆蓋分析等。
-確定勘測范圍:標(biāo)注具體區(qū)域邊界,可使用GPS坐標(biāo)或地圖截圖。
-制定安全規(guī)范:包括飛行高度、避障措施、天氣要求等。
2.**設(shè)備選型**
-無人機平臺:選擇載重能力、續(xù)航時間滿足需求的型號,如大疆M300系列。
-傳感器配置:根據(jù)任務(wù)需求選擇相機類型,如RGB相機、多光譜相機(光譜范圍400-1000nm)。
-輔助設(shè)備:地面控制站、RTK模塊、無人機充電器等。
(二)數(shù)據(jù)采集流程
1.**航線規(guī)劃**
-使用專業(yè)軟件(如QGroundControl)設(shè)計飛行路徑,確保覆蓋所有區(qū)域。
-設(shè)置飛行高度(建議80-150米)、重疊率(航向50%,旁向60%)。
-計算飛行時間與所需電量,預(yù)留20%備用電量。
2.**飛行操作**
-檢查設(shè)備狀態(tài):電池電量、相機對焦、GPS信號強度。
-飛行前進行試飛,測試環(huán)境適應(yīng)性。
-實時監(jiān)控飛行狀態(tài),避免障礙物干擾。
3.**數(shù)據(jù)采集**
-按照航線順序拍攝影像,確保無云層遮擋。
-采集同步GPS時間戳,用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。
-記錄飛行參數(shù)(如風(fēng)速、溫度),影響數(shù)據(jù)精度。
(三)數(shù)據(jù)處理與分析
1.**影像預(yù)處理**
-使用專業(yè)軟件(如Pix4Dmapper)導(dǎo)入原始影像。
-校正鏡頭畸變,生成正射影像圖(DOM)。
-提取高程數(shù)據(jù),生成數(shù)字高程模型(DEM)。
2.**三維建模**
-基于DEM和DOM數(shù)據(jù),構(gòu)建三維地形模型。
-生成正射影像三維模型(Orthomosaic3D),用于可視化分析。
3.**成果輸出**
-導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)格式的成果文件(如GeoTIFF、LAS)。
-編制成果報告,包含數(shù)據(jù)精度評估、分析結(jié)論等。
三、注意事項
(一)安全操作
-避開人口密集區(qū)、電磁干擾源等危險區(qū)域。
-持續(xù)關(guān)注電池電量,低電量時立即返航。
(二)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制
-檢查影像云量率,低于10%為最佳采集條件。
-使用地面控制點(GCP)提升定位精度,布設(shè)數(shù)量不低于4個。
(三)環(huán)境適應(yīng)調(diào)整
-高海拔地區(qū)需補償飛行參數(shù),降低速度至5m/s。
-雨雪天氣暫停作業(yè),待天氣穩(wěn)定后補測。
一、無人機地理勘測方案設(shè)計概述
無人機地理勘測是一種高效、靈活的測繪技術(shù),通過無人機搭載高清相機、多光譜傳感器等設(shè)備,獲取地表影像數(shù)據(jù),并進行處理分析,廣泛應(yīng)用于土地規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、工程建設(shè)等領(lǐng)域。本方案設(shè)計旨在提供一套科學(xué)、規(guī)范的無人機地理勘測流程,確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實用性。
二、方案設(shè)計要點
(一)前期準(zhǔn)備
1.**需求分析**
-**明確勘測目的**:詳細(xì)定義勘測任務(wù)的具體目標(biāo)。例如:
(1)土地現(xiàn)狀調(diào)查:用于了解地表覆蓋類型(如植被、水體、建筑、裸地等)及其分布情況,可為土地規(guī)劃、資源管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。需確定調(diào)查的詳細(xì)程度,如是否需要識別特定類型的植被或小型人工設(shè)施。
(2)地形測繪:獲取高精度的數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像圖(DOM),用于地形分析、工程選址、坡度坡向計算等。需明確所需的地面分辨率(如5cm、10cm)和高程精度(如±5cm)。
(3)線路規(guī)劃輔助:為道路、管線等線性工程提供前期地形數(shù)據(jù),輔助設(shè)計路徑和評估工程量。需重點關(guān)注線路沿線的地形特征、障礙物分布等。
(4)環(huán)境監(jiān)測:監(jiān)測植被生長狀況、水體變化、災(zāi)害(如滑坡、洪水)影響范圍等。若涉及植被監(jiān)測,需選擇合適波段的多光譜或高光譜傳感器。
-**確定勘測范圍**:精確界定需要勘測的區(qū)域。
(1)地理坐標(biāo)法:使用經(jīng)緯度坐標(biāo)(如WGS84坐標(biāo)系)標(biāo)注區(qū)域的最小和最大邊界點,或提供區(qū)域內(nèi)的控制點坐標(biāo)。
(2)圖像法:提供目標(biāo)區(qū)域在現(xiàn)有地圖(如GoogleEarth影像)上的截圖,并圈出勘測范圍。
(3)矢量數(shù)據(jù)法:如果已有區(qū)域邊界線的矢量文件(如Shapefile格式),可直接導(dǎo)入規(guī)劃軟件使用。
-**制定安全規(guī)范**:確保飛行安全,保護設(shè)備和人員。
(1)飛行高度限制:根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)定和任務(wù)需求設(shè)定,一般建議在50米至200米之間,復(fù)雜區(qū)域可適當(dāng)降低。
(2)避障措施:規(guī)劃航線時避開高樓、電線塔、風(fēng)力發(fā)電機等高大障礙物;低空飛行時需特別注意地面障礙物,如電線、鐵絲網(wǎng)、樹木等。
(3)天氣要求:選擇晴朗無云、風(fēng)速小于5m/s的天氣條件進行作業(yè);避免在雨、雪、霧、沙塵等惡劣天氣下飛行。
(4)飛行區(qū)域申報:根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)定,若在管制空域或特殊區(qū)域飛行,可能需要提前申報。
2.**設(shè)備選型**
-**無人機平臺**:
(1)**性能指標(biāo)**:根據(jù)任務(wù)需求選擇合適的無人機。關(guān)鍵指標(biāo)包括:
-**有效載荷**:需能搭載所需傳感器及輔助設(shè)備,如相機、RTK模塊等。例如,大疆M300RTK載重可達10kg,適合搭載專業(yè)測繪相機或多光譜相機。
-**續(xù)航時間**:根據(jù)勘測范圍和飛行計劃選擇,一般要求至少1小時以上,復(fù)雜區(qū)域或大范圍測繪建議選擇續(xù)航2-3小時的型號。
-**抗風(fēng)能力**:風(fēng)力等級要求至少達到4級,以保證飛行穩(wěn)定性。
-**飛行控制系統(tǒng)**:具備RTK(Real-TimeKinematic)或PPK(Post-ProcessedKinematic)功能,以獲取厘米級定位精度。
(2)**品牌與型號**:市場上主流品牌如大疆(DJI)、Parrot、Skydio等,根據(jù)預(yù)算和性能需求選擇。例如,DJIPhantom系列適合小范圍精細(xì)測繪,DJIMatrice系列(如M300/M300RTK)適合專業(yè)測繪和工業(yè)應(yīng)用。
-**傳感器配置**:
(1)**相機類型**:
-**RGB相機**:用于獲取高分辨率正射影像,適用于地形測繪、土地覆蓋分類等。關(guān)鍵參數(shù)包括:
-**分辨率**:如20000萬像素,保證細(xì)節(jié)清晰。
-**傳感器尺寸**:全畫幅或APSC畫幅,提升低光環(huán)境下的成像質(zhì)量。
-**動態(tài)范圍**:寬動態(tài)范圍(HDR)有助于在明暗對比強烈的場景下保留更多細(xì)節(jié)。
-**多光譜相機**:用于獲取不同波段(如紅、綠、藍、紅邊、近紅外)的影像,用于植被健康監(jiān)測、作物長勢分析、水體參數(shù)反演等。典型波段組合:RGB+NIR+RedEdge。
-**高光譜相機**:用于獲取更精細(xì)的波段信息,可進行更專業(yè)的物質(zhì)成分分析,但成本較高,操作復(fù)雜。
(2)**相機安裝**:
-**云臺穩(wěn)定性**:確保相機在飛行過程中穩(wěn)定云臺,減少抖動,提高影像質(zhì)量。
-**鏡頭保護**:安裝防護罩,防止灰塵、雨滴等損傷鏡頭。
-**角度調(diào)整**:根據(jù)需要調(diào)整相機傾斜角度,如垂直向下(0度)或傾斜一定角度(如45度)進行傾斜攝影。
-**輔助設(shè)備**:
(1)**地面控制站(GCS)**:用于實時監(jiān)控飛行狀態(tài)、調(diào)整航線、記錄數(shù)據(jù)。要求操作簡便,顯示信息清晰。
(2)**RTK/PPK模塊**:用于實時或后處理獲取高精度定位數(shù)據(jù)(厘米級)。RTK需實時數(shù)據(jù)鏈傳輸,PPK可在飛行后進行數(shù)據(jù)差分處理。
(3)**無人機充電器**:配備足夠容量的充電器,確保滿足多次飛行需求。
(4)**備用電池**:至少準(zhǔn)備2塊及以上滿格備用電池,以應(yīng)對長時間作業(yè)。
(5)**存儲設(shè)備**:高速SD卡(如V90U3A2),容量根據(jù)單張照片大小和飛行時長選擇(如256GB-512GB)。
(6)**工具箱**:包含螺絲刀、扳手、扎帶、手套等常用工具,用于設(shè)備安裝和調(diào)試。
(二)數(shù)據(jù)采集流程
1.**航線規(guī)劃**
-**使用專業(yè)軟件**:推薦使用如大疆的QGroundControl、Pix4Dmapper、AgisoftMetashape等軟件進行航線規(guī)劃。
-**導(dǎo)入勘測范圍**:將前期確定的區(qū)域邊界或興趣點(POI)導(dǎo)入軟件。
-**設(shè)置飛行參數(shù)**:
-**飛行高度**:根據(jù)相機焦距、所需地面分辨率(GSD)計算。公式大致為:GSD≈(相機傳感器像素尺寸×飛行高度)/焦距。例如,使用5000萬像素相機,傳感器尺寸約12mm,若需10cmGSD,飛行高度約為400米(假設(shè)焦距為24mm)。
-**航向重疊率**:建議50%-80%,專業(yè)測繪推薦60%-80%,高重疊率可以提高后處理精度,但增加數(shù)據(jù)量。
-**旁向重疊率**:建議20%-60%,推薦30%-50%,保證區(qū)域連接處無縫隙。
-**飛行速度**:一般設(shè)置5-8m/s,復(fù)雜區(qū)域可降低速度。
-**相機角度**:根據(jù)任務(wù)需求設(shè)置,垂直拍攝(0度)獲取標(biāo)準(zhǔn)DOM,傾斜拍攝(如30-45度)獲取傾斜攝影模型。
-**檢查航線**:預(yù)覽航線路徑,確保覆蓋所有區(qū)域,無遺漏或重復(fù);檢查預(yù)計飛行時長和所需電量。
-**優(yōu)化航線**:避開障礙物,利用軟件的智能避障功能(如果無人機支持);調(diào)整航點密度,在細(xì)節(jié)重要的區(qū)域增加航點。
-**導(dǎo)出飛行計劃**:將規(guī)劃好的航線文件(如KML或RTL格式)導(dǎo)出到無人機飛控系統(tǒng)中。
2.**飛行操作**
-**設(shè)備檢查**:
(1)**無人機檢查**:檢查機身結(jié)構(gòu)是否完好,電機、槳葉是否牢固,有無損傷;確認(rèn)GPS信號強度(星數(shù)越多越好)。
(2)**相機檢查**:確認(rèn)相機已正確安裝在云臺上,鏡頭清潔無污漬,焦距對準(zhǔn),ND濾鏡(如有需要)安裝正確。
(3)**電池檢查**:檢查所有電池電量,確保至少一塊電池滿電;將電池安裝到位,確認(rèn)連接穩(wěn)固。
(4)**傳感器檢查**:確保傳感器安裝牢固,無遮擋。
-**地面站連接**:啟動地面站軟件,連接無人機,確認(rèn)連接狀態(tài)正常。
-**環(huán)境勘察**:起飛前再次實地勘察飛行區(qū)域,確認(rèn)無新增障礙物、無突發(fā)天氣變化。
-**試飛**:在安全空曠區(qū)域進行短時間試飛,檢查無人機穩(wěn)定性、GPS定位、相機對焦、影像質(zhì)量等。
-**起飛操作**:
(1)在開闊、平坦、無風(fēng)或微風(fēng)中地點起飛。
(2)按照地面站提示,平穩(wěn)操作無人機垂直升空至規(guī)劃飛行高度。
(3)確認(rèn)GPS信號穩(wěn)定,飛行狀態(tài)正常后,啟動自動飛行程序。
-**飛行監(jiān)控**:
(1)**實時監(jiān)控**:在地面站實時查看無人機位置、飛行狀態(tài)、影像傳輸情況。
(2)**信號檢查**:確認(rèn)圖傳信號穩(wěn)定,影像清晰無延遲。
(3)**電量管理**:密切關(guān)注電池電量,預(yù)留至少20%電量用于返航。根據(jù)電量情況,可提前規(guī)劃返航點。
(4)**應(yīng)急處理**:如遇信號丟失、失控、電量過低等緊急情況,立即執(zhí)行手動返航或緊急降落程序。
3.**數(shù)據(jù)采集**
-**按規(guī)劃航線飛行**:啟動自動飛行程序,無人機將按照預(yù)設(shè)航線自主飛行并拍攝影像。
-**同步記錄數(shù)據(jù)**:
(1)**影像數(shù)據(jù)**:確保每張RGB和多光譜影像都帶有精確的GPS時間戳和IMU(慣性測量單元)數(shù)據(jù)。
(2)**元數(shù)據(jù)記錄**:記錄飛行時間、飛行高度、相機參數(shù)、GPS坐標(biāo)、傳感器信息等。
-**飛行結(jié)束檢查**:
(1)確認(rèn)所有規(guī)劃航線已完成,影像采集完畢。
(2)檢查無人機和設(shè)備狀態(tài),安全降落。
(3)在安全地點取下存儲卡,備份原始影像數(shù)據(jù)。
(4)無人機返航,安全降落至起飛點或指定地點。
(三)數(shù)據(jù)處理與分析
1.**影像預(yù)處理**
-**數(shù)據(jù)導(dǎo)入**:將存儲卡中的原始影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)處理軟件(如Pix4Dmapper,AgisoftMetashape)。
-**相機校準(zhǔn)**:
(1)**鏡頭畸變校正**:使用軟件自帶的校準(zhǔn)功能或外部校準(zhǔn)工具(如靶標(biāo)板)進行鏡頭畸變校正,生成無畸變的輻射校正影像。
(2)**相機參數(shù)設(shè)置**:輸入相機內(nèi)參(焦距、主點坐標(biāo)、畸變系數(shù))。
-**輻射校正**:根據(jù)飛行時的光照條件、大氣參數(shù)(可手動輸入或軟件估算),對影像進行輻射校正,消除光照差異,使影像數(shù)據(jù)更真實反映地面狀況。
-**GCP布設(shè)與測量**:
(1)**選擇GCP點位**:在勘測區(qū)域內(nèi)均勻分布GCP,數(shù)量建議不少于4個,避開建筑物頂、道路中央等易變形區(qū)域。
(2)**精確測量GCP坐標(biāo)**:使用RTK設(shè)備或高精度全站儀測量GCP的精確地理坐標(biāo)和高程。
(3)**GCP標(biāo)記**:在GCP點位放置明顯標(biāo)記(如顏色鮮艷的X形或方形標(biāo)記),確保飛行時能清晰識別。
(4)**GCP導(dǎo)入**:將測量好的GCP坐標(biāo)導(dǎo)入處理軟件,用于后續(xù)數(shù)據(jù)精化處理。
-**影像篩選**:檢查導(dǎo)入影像質(zhì)量,剔除云影、模糊、過曝或欠曝嚴(yán)重的影像,確保用于后續(xù)處理的影像質(zhì)量達標(biāo)。
2.**三維建模**
-**自動化處理**:在處理軟件中設(shè)置項目參數(shù)(如坐標(biāo)系、輸出分辨率、GCP精度等),啟動自動化處理流程。
(1)**特征點提取**:軟件自動從影像中提取同名點。
(2)**光束法平差(BundleAdjustment)**:結(jié)合GCP數(shù)據(jù),優(yōu)化相機參數(shù)和地面點三維坐標(biāo),提高整體定位精度。
(3)**密集點云生成**:基于同名點,生成高密度的地面點云。
(4)**三角網(wǎng)格生成**:將點云數(shù)據(jù)構(gòu)造成三角網(wǎng)格,形成數(shù)字表面模型(DSM)。
(5)**正射影像生成**:在DSM基礎(chǔ)上,生成數(shù)字正射影像圖(DOM)。
-**傾斜攝影處理**(如采用傾斜相機或多臺相機傾斜拍攝):
(1)**空三構(gòu)建**:自動匹配水平影像和傾斜影像的同名點,構(gòu)建空間關(guān)系。
(2)**密集點云生成**:生成包含地面和建筑物頂部的完整三維點云。
(3)**三角網(wǎng)格生成**:構(gòu)建包含地表、植被、建筑等細(xì)節(jié)的三維模型。
(4)**紋理映射**:將正射影像貼裝到三維模型表面,生成真實感強的傾斜攝影模型。
-**模型優(yōu)化**:
(1)**去噪處理**:去除點云和模型中的冗余點和噪聲點。
(2)**紋理優(yōu)化**:調(diào)整紋理貼圖,確保細(xì)節(jié)清晰、縫合線不明顯。
(3)**模型裁剪**:根據(jù)實際需求裁剪模型,去除無關(guān)區(qū)域。
3.**成果輸出**
-**數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出**:
(1)**DOM**:導(dǎo)出GeoTIFF格式的正射影像圖,包含坐標(biāo)系統(tǒng)信息。
(2)**DEM/DOM**:導(dǎo)出GeoTIFF格式的數(shù)字高程模型或數(shù)字正射影像圖。
(3)**點云**:導(dǎo)出LAS或LAZ格式的地面點云數(shù)據(jù)。
(4)**三維模型**:導(dǎo)出OBJ或FBX等格式的三維模型文件,或?qū)С隹捎糜赪eb瀏覽的GLTF/GLB格式。
(5)**GCP成果**:導(dǎo)出GCP的測量坐標(biāo)和處理后的坐標(biāo),以及點位精度信息。
-**成果報告編制**:
(1)**項目概述**:簡要介紹項目背景、目標(biāo)和范圍。
(2)**技術(shù)方法**:描述采用的無人機平臺、傳感器、航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、處理流程等。
(3)**數(shù)據(jù)處理成果**:展示DOM、DEM、點云、三維模型等成果數(shù)據(jù),可附典型區(qū)域的效果圖。
(4)**精度評估**:提供成果數(shù)據(jù)的精度評定結(jié)果,如DOM的平面精度、DEM的高程精度、三維模型的誤差范圍等??赏ㄟ^檢查點測量、與已知數(shù)據(jù)對比等方式進行評估。
(5)**分析結(jié)論**:根據(jù)成果數(shù)據(jù),對勘測區(qū)域的現(xiàn)狀、特征進行分析和總結(jié),如土地利用類型比例、地形特征、植被覆蓋狀況等。
(6)**附件**:附上所有原始數(shù)據(jù)、處理中間文件、最終成果數(shù)據(jù)、精度報告等。
三、注意事項
(一)安全操作
1.**空域合規(guī)**:飛行前查詢當(dāng)?shù)乜沼蚬芾硪?guī)定,避免在禁飛區(qū)、限飛區(qū)或需要申報的空域飛行。
-**申報流程**:對于商業(yè)或大型無人機活動,可能需要提前向相關(guān)管理部門(如航空管理部門)申報飛行計劃,獲得許可。
-**飛行限制**:了解并遵守關(guān)于高度、速度、半徑等的具體限制。
2.**障礙物規(guī)避**:
-**起飛前勘察**:詳細(xì)勘察飛行區(qū)域及周邊環(huán)境,識別并記錄高大建筑物、風(fēng)力發(fā)電機、電線塔、樹林等固定障礙物,以及臨時搭建物、電線、鐵絲網(wǎng)等移動或低空障礙物。
-**航線設(shè)計**:規(guī)劃航線時與障礙物保持安全距離,預(yù)留足夠繞飛空間。復(fù)雜環(huán)境中可設(shè)置多個緊急降落點。
-**飛行中監(jiān)控**:飛行過程中時刻關(guān)注空域情況,利用無人機或地面站攝像頭觀察下方環(huán)境,及時避開突發(fā)障礙物。
3.**天氣應(yīng)對**:
-**天氣監(jiān)測**:飛行前和飛行中密切關(guān)注天氣預(yù)報和實時天氣變化,如風(fēng)力增大、能見度降低、出現(xiàn)雷暴等,應(yīng)立即停止飛行。
-**適宜條件**:選擇能見度高、風(fēng)力小的晴朗天氣進行作業(yè),確保影像質(zhì)量和飛行安全。最佳天氣條件為無云、微風(fēng)(風(fēng)速<5m/s)、能見度良好。
4.**電池管理**:
-**電量監(jiān)控**:實時監(jiān)控?zé)o人機電池電量,設(shè)置低電量自動返航功能,并確保電量充足。
-**充電規(guī)范**:按照要求對電池進行充電和存儲,避免過充、過放,使用原裝或認(rèn)證的充電器。
-**備用電量**:攜帶足夠的備用電池,確保能完成所有計劃飛行任務(wù)。
5.**設(shè)備維護**:
-**日常檢查**:每次飛行前后對無人機、相機、云臺等進行檢查,確保各部件功能正常。
-**清潔保養(yǎng)**:定期清潔無人機機身、鏡頭、傳感器,保持設(shè)備良好狀態(tài)。
-**專業(yè)維修**:發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或損傷時,及時送至專業(yè)維修點進行檢查和維修。
(二)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制
1.**影像質(zhì)量把控**:
-**光照條件**:選擇光照均勻、無逆光或過曝的區(qū)域進行拍攝。避免在陰影、強光直射下拍攝,導(dǎo)致影像細(xì)節(jié)丟失。
-**云量控制**:對于高分辨率測繪,要求云量率低于10%,確保無云影干擾;對于環(huán)境監(jiān)測,可根據(jù)需要調(diào)整云量要求。
-**相機參數(shù)**:根據(jù)拍攝目標(biāo)設(shè)置合適的相機參數(shù),如光圈(影響景深和進光量)、快門速度(影響動態(tài)模糊和景深)、ISO(影響感光度,盡量避免高ISO以減少噪點)。
2.**定位精度提升**:
-**GCP布設(shè)質(zhì)量**:確保GCP分布均勻、數(shù)量充足,坐標(biāo)測量精確,標(biāo)記清晰易識別。
-**GCP數(shù)量**:一般建議至少4個GCP,對于大范圍或復(fù)雜地形,建議增加GCP數(shù)量,并分布在不同區(qū)域。
-**GCP測量精度**:使用高精度RTK設(shè)備或全站儀進行GCP測量,確保其坐標(biāo)精度達到厘米級,是提升最終成果精度的關(guān)鍵。
-**RTK/PPK應(yīng)用**:優(yōu)先使用RTK進行實時高精度定位,或使用PPK進行后處理差分,以獲取厘米級定位精度的成果。
3.**飛行參數(shù)優(yōu)化**:
-**飛行高度**:高度直接影響地面分辨率和作業(yè)范圍,需根據(jù)相機參數(shù)和任務(wù)需求合理選擇。
-**飛行速度**:速度影響數(shù)據(jù)獲取時間和影像質(zhì)量。較低速度可以提高對地觀測時間,有利于細(xì)節(jié)捕捉,但需注意風(fēng)切變影響。
-**重疊率**:確保航向和旁向重疊率滿足要求,高重疊率有利于提高數(shù)據(jù)處理(如拼接、建模)的魯棒性和精度。
(三)環(huán)境適應(yīng)調(diào)整
1.**高海拔地區(qū)**:
-**氣壓補償**:無人機和RTK設(shè)備在高海拔地區(qū)會受到氣壓變化影響,需啟用設(shè)備內(nèi)置的氣壓補償功能。
-**飛行性能**:高海拔地區(qū)空氣密度低,影響無人機升力和續(xù)航時間,需適當(dāng)降低飛行速度或縮短單塊電池飛行時間。
-**RTK性能**:部分RTK系統(tǒng)在高海拔地區(qū)可能需要更長的初始化時間,或受電離層影響較大,需測試驗證其性能。
2.**復(fù)雜地形**:
-**航線設(shè)計**:在山區(qū)、丘陵等復(fù)雜地形,需設(shè)計更復(fù)雜的航線,增加繞飛和重復(fù)區(qū)域,確保覆蓋完整。
-**高度控制**:沿山脊飛行時,需保持相對平穩(wěn)的高度,避免劇烈起伏影響數(shù)據(jù)質(zhì)量。
-**障礙物處理**:提前識別山谷、懸崖等障礙物,規(guī)劃安全飛行路線,必要時使用人工干預(yù)模式飛行。
3.**特殊天氣**:
-**大風(fēng)天氣**:若風(fēng)速超過設(shè)備規(guī)定上限,應(yīng)停止飛行,避免設(shè)備失控或損壞。
-**低溫環(huán)境**:低溫會影響電池性能和設(shè)備電子元件,需提前預(yù)熱電池,選擇較溫暖的時段飛行,注意電池保溫。
-**沙塵天氣**:沙塵會磨損設(shè)備、影響相機成像,應(yīng)停止飛行或僅進行必要的設(shè)備檢查,必要時加裝防塵罩。
4.**植被覆蓋區(qū)**:
-**傾斜攝影**:在茂密森林或城市建筑區(qū),采用傾斜攝影可以獲取建筑物頂部和植被冠層信息,提高三維建模效果。
-**穿透性需求**:若需獲取植被下方地表信息,需考慮使用激光雷達(LiDAR)技術(shù),特別是多光譜LiDAR,以穿透植被獲取真實地表。
-**飛行策略**:在植被區(qū)域飛行時,需降低高度以獲取更精細(xì)的細(xì)節(jié),并注意樹木倒伏等潛在風(fēng)險。
一、無人機地理勘測方案設(shè)計概述
無人機地理勘測是一種高效、靈活的測繪技術(shù),通過無人機搭載高清相機、多光譜傳感器等設(shè)備,獲取地表影像數(shù)據(jù),并進行處理分析,廣泛應(yīng)用于土地規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、工程建設(shè)等領(lǐng)域。本方案設(shè)計旨在提供一套科學(xué)、規(guī)范的無人機地理勘測流程,確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實用性。
二、方案設(shè)計要點
(一)前期準(zhǔn)備
1.**需求分析**
-明確勘測目的:例如土地現(xiàn)狀調(diào)查、地形測繪、植被覆蓋分析等。
-確定勘測范圍:標(biāo)注具體區(qū)域邊界,可使用GPS坐標(biāo)或地圖截圖。
-制定安全規(guī)范:包括飛行高度、避障措施、天氣要求等。
2.**設(shè)備選型**
-無人機平臺:選擇載重能力、續(xù)航時間滿足需求的型號,如大疆M300系列。
-傳感器配置:根據(jù)任務(wù)需求選擇相機類型,如RGB相機、多光譜相機(光譜范圍400-1000nm)。
-輔助設(shè)備:地面控制站、RTK模塊、無人機充電器等。
(二)數(shù)據(jù)采集流程
1.**航線規(guī)劃**
-使用專業(yè)軟件(如QGroundControl)設(shè)計飛行路徑,確保覆蓋所有區(qū)域。
-設(shè)置飛行高度(建議80-150米)、重疊率(航向50%,旁向60%)。
-計算飛行時間與所需電量,預(yù)留20%備用電量。
2.**飛行操作**
-檢查設(shè)備狀態(tài):電池電量、相機對焦、GPS信號強度。
-飛行前進行試飛,測試環(huán)境適應(yīng)性。
-實時監(jiān)控飛行狀態(tài),避免障礙物干擾。
3.**數(shù)據(jù)采集**
-按照航線順序拍攝影像,確保無云層遮擋。
-采集同步GPS時間戳,用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理。
-記錄飛行參數(shù)(如風(fēng)速、溫度),影響數(shù)據(jù)精度。
(三)數(shù)據(jù)處理與分析
1.**影像預(yù)處理**
-使用專業(yè)軟件(如Pix4Dmapper)導(dǎo)入原始影像。
-校正鏡頭畸變,生成正射影像圖(DOM)。
-提取高程數(shù)據(jù),生成數(shù)字高程模型(DEM)。
2.**三維建模**
-基于DEM和DOM數(shù)據(jù),構(gòu)建三維地形模型。
-生成正射影像三維模型(Orthomosaic3D),用于可視化分析。
3.**成果輸出**
-導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)格式的成果文件(如GeoTIFF、LAS)。
-編制成果報告,包含數(shù)據(jù)精度評估、分析結(jié)論等。
三、注意事項
(一)安全操作
-避開人口密集區(qū)、電磁干擾源等危險區(qū)域。
-持續(xù)關(guān)注電池電量,低電量時立即返航。
(二)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制
-檢查影像云量率,低于10%為最佳采集條件。
-使用地面控制點(GCP)提升定位精度,布設(shè)數(shù)量不低于4個。
(三)環(huán)境適應(yīng)調(diào)整
-高海拔地區(qū)需補償飛行參數(shù),降低速度至5m/s。
-雨雪天氣暫停作業(yè),待天氣穩(wěn)定后補測。
一、無人機地理勘測方案設(shè)計概述
無人機地理勘測是一種高效、靈活的測繪技術(shù),通過無人機搭載高清相機、多光譜傳感器等設(shè)備,獲取地表影像數(shù)據(jù),并進行處理分析,廣泛應(yīng)用于土地規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、工程建設(shè)等領(lǐng)域。本方案設(shè)計旨在提供一套科學(xué)、規(guī)范的無人機地理勘測流程,確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和實用性。
二、方案設(shè)計要點
(一)前期準(zhǔn)備
1.**需求分析**
-**明確勘測目的**:詳細(xì)定義勘測任務(wù)的具體目標(biāo)。例如:
(1)土地現(xiàn)狀調(diào)查:用于了解地表覆蓋類型(如植被、水體、建筑、裸地等)及其分布情況,可為土地規(guī)劃、資源管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。需確定調(diào)查的詳細(xì)程度,如是否需要識別特定類型的植被或小型人工設(shè)施。
(2)地形測繪:獲取高精度的數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像圖(DOM),用于地形分析、工程選址、坡度坡向計算等。需明確所需的地面分辨率(如5cm、10cm)和高程精度(如±5cm)。
(3)線路規(guī)劃輔助:為道路、管線等線性工程提供前期地形數(shù)據(jù),輔助設(shè)計路徑和評估工程量。需重點關(guān)注線路沿線的地形特征、障礙物分布等。
(4)環(huán)境監(jiān)測:監(jiān)測植被生長狀況、水體變化、災(zāi)害(如滑坡、洪水)影響范圍等。若涉及植被監(jiān)測,需選擇合適波段的多光譜或高光譜傳感器。
-**確定勘測范圍**:精確界定需要勘測的區(qū)域。
(1)地理坐標(biāo)法:使用經(jīng)緯度坐標(biāo)(如WGS84坐標(biāo)系)標(biāo)注區(qū)域的最小和最大邊界點,或提供區(qū)域內(nèi)的控制點坐標(biāo)。
(2)圖像法:提供目標(biāo)區(qū)域在現(xiàn)有地圖(如GoogleEarth影像)上的截圖,并圈出勘測范圍。
(3)矢量數(shù)據(jù)法:如果已有區(qū)域邊界線的矢量文件(如Shapefile格式),可直接導(dǎo)入規(guī)劃軟件使用。
-**制定安全規(guī)范**:確保飛行安全,保護設(shè)備和人員。
(1)飛行高度限制:根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)定和任務(wù)需求設(shè)定,一般建議在50米至200米之間,復(fù)雜區(qū)域可適當(dāng)降低。
(2)避障措施:規(guī)劃航線時避開高樓、電線塔、風(fēng)力發(fā)電機等高大障礙物;低空飛行時需特別注意地面障礙物,如電線、鐵絲網(wǎng)、樹木等。
(3)天氣要求:選擇晴朗無云、風(fēng)速小于5m/s的天氣條件進行作業(yè);避免在雨、雪、霧、沙塵等惡劣天氣下飛行。
(4)飛行區(qū)域申報:根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)定,若在管制空域或特殊區(qū)域飛行,可能需要提前申報。
2.**設(shè)備選型**
-**無人機平臺**:
(1)**性能指標(biāo)**:根據(jù)任務(wù)需求選擇合適的無人機。關(guān)鍵指標(biāo)包括:
-**有效載荷**:需能搭載所需傳感器及輔助設(shè)備,如相機、RTK模塊等。例如,大疆M300RTK載重可達10kg,適合搭載專業(yè)測繪相機或多光譜相機。
-**續(xù)航時間**:根據(jù)勘測范圍和飛行計劃選擇,一般要求至少1小時以上,復(fù)雜區(qū)域或大范圍測繪建議選擇續(xù)航2-3小時的型號。
-**抗風(fēng)能力**:風(fēng)力等級要求至少達到4級,以保證飛行穩(wěn)定性。
-**飛行控制系統(tǒng)**:具備RTK(Real-TimeKinematic)或PPK(Post-ProcessedKinematic)功能,以獲取厘米級定位精度。
(2)**品牌與型號**:市場上主流品牌如大疆(DJI)、Parrot、Skydio等,根據(jù)預(yù)算和性能需求選擇。例如,DJIPhantom系列適合小范圍精細(xì)測繪,DJIMatrice系列(如M300/M300RTK)適合專業(yè)測繪和工業(yè)應(yīng)用。
-**傳感器配置**:
(1)**相機類型**:
-**RGB相機**:用于獲取高分辨率正射影像,適用于地形測繪、土地覆蓋分類等。關(guān)鍵參數(shù)包括:
-**分辨率**:如20000萬像素,保證細(xì)節(jié)清晰。
-**傳感器尺寸**:全畫幅或APSC畫幅,提升低光環(huán)境下的成像質(zhì)量。
-**動態(tài)范圍**:寬動態(tài)范圍(HDR)有助于在明暗對比強烈的場景下保留更多細(xì)節(jié)。
-**多光譜相機**:用于獲取不同波段(如紅、綠、藍、紅邊、近紅外)的影像,用于植被健康監(jiān)測、作物長勢分析、水體參數(shù)反演等。典型波段組合:RGB+NIR+RedEdge。
-**高光譜相機**:用于獲取更精細(xì)的波段信息,可進行更專業(yè)的物質(zhì)成分分析,但成本較高,操作復(fù)雜。
(2)**相機安裝**:
-**云臺穩(wěn)定性**:確保相機在飛行過程中穩(wěn)定云臺,減少抖動,提高影像質(zhì)量。
-**鏡頭保護**:安裝防護罩,防止灰塵、雨滴等損傷鏡頭。
-**角度調(diào)整**:根據(jù)需要調(diào)整相機傾斜角度,如垂直向下(0度)或傾斜一定角度(如45度)進行傾斜攝影。
-**輔助設(shè)備**:
(1)**地面控制站(GCS)**:用于實時監(jiān)控飛行狀態(tài)、調(diào)整航線、記錄數(shù)據(jù)。要求操作簡便,顯示信息清晰。
(2)**RTK/PPK模塊**:用于實時或后處理獲取高精度定位數(shù)據(jù)(厘米級)。RTK需實時數(shù)據(jù)鏈傳輸,PPK可在飛行后進行數(shù)據(jù)差分處理。
(3)**無人機充電器**:配備足夠容量的充電器,確保滿足多次飛行需求。
(4)**備用電池**:至少準(zhǔn)備2塊及以上滿格備用電池,以應(yīng)對長時間作業(yè)。
(5)**存儲設(shè)備**:高速SD卡(如V90U3A2),容量根據(jù)單張照片大小和飛行時長選擇(如256GB-512GB)。
(6)**工具箱**:包含螺絲刀、扳手、扎帶、手套等常用工具,用于設(shè)備安裝和調(diào)試。
(二)數(shù)據(jù)采集流程
1.**航線規(guī)劃**
-**使用專業(yè)軟件**:推薦使用如大疆的QGroundControl、Pix4Dmapper、AgisoftMetashape等軟件進行航線規(guī)劃。
-**導(dǎo)入勘測范圍**:將前期確定的區(qū)域邊界或興趣點(POI)導(dǎo)入軟件。
-**設(shè)置飛行參數(shù)**:
-**飛行高度**:根據(jù)相機焦距、所需地面分辨率(GSD)計算。公式大致為:GSD≈(相機傳感器像素尺寸×飛行高度)/焦距。例如,使用5000萬像素相機,傳感器尺寸約12mm,若需10cmGSD,飛行高度約為400米(假設(shè)焦距為24mm)。
-**航向重疊率**:建議50%-80%,專業(yè)測繪推薦60%-80%,高重疊率可以提高后處理精度,但增加數(shù)據(jù)量。
-**旁向重疊率**:建議20%-60%,推薦30%-50%,保證區(qū)域連接處無縫隙。
-**飛行速度**:一般設(shè)置5-8m/s,復(fù)雜區(qū)域可降低速度。
-**相機角度**:根據(jù)任務(wù)需求設(shè)置,垂直拍攝(0度)獲取標(biāo)準(zhǔn)DOM,傾斜拍攝(如30-45度)獲取傾斜攝影模型。
-**檢查航線**:預(yù)覽航線路徑,確保覆蓋所有區(qū)域,無遺漏或重復(fù);檢查預(yù)計飛行時長和所需電量。
-**優(yōu)化航線**:避開障礙物,利用軟件的智能避障功能(如果無人機支持);調(diào)整航點密度,在細(xì)節(jié)重要的區(qū)域增加航點。
-**導(dǎo)出飛行計劃**:將規(guī)劃好的航線文件(如KML或RTL格式)導(dǎo)出到無人機飛控系統(tǒng)中。
2.**飛行操作**
-**設(shè)備檢查**:
(1)**無人機檢查**:檢查機身結(jié)構(gòu)是否完好,電機、槳葉是否牢固,有無損傷;確認(rèn)GPS信號強度(星數(shù)越多越好)。
(2)**相機檢查**:確認(rèn)相機已正確安裝在云臺上,鏡頭清潔無污漬,焦距對準(zhǔn),ND濾鏡(如有需要)安裝正確。
(3)**電池檢查**:檢查所有電池電量,確保至少一塊電池滿電;將電池安裝到位,確認(rèn)連接穩(wěn)固。
(4)**傳感器檢查**:確保傳感器安裝牢固,無遮擋。
-**地面站連接**:啟動地面站軟件,連接無人機,確認(rèn)連接狀態(tài)正常。
-**環(huán)境勘察**:起飛前再次實地勘察飛行區(qū)域,確認(rèn)無新增障礙物、無突發(fā)天氣變化。
-**試飛**:在安全空曠區(qū)域進行短時間試飛,檢查無人機穩(wěn)定性、GPS定位、相機對焦、影像質(zhì)量等。
-**起飛操作**:
(1)在開闊、平坦、無風(fēng)或微風(fēng)中地點起飛。
(2)按照地面站提示,平穩(wěn)操作無人機垂直升空至規(guī)劃飛行高度。
(3)確認(rèn)GPS信號穩(wěn)定,飛行狀態(tài)正常后,啟動自動飛行程序。
-**飛行監(jiān)控**:
(1)**實時監(jiān)控**:在地面站實時查看無人機位置、飛行狀態(tài)、影像傳輸情況。
(2)**信號檢查**:確認(rèn)圖傳信號穩(wěn)定,影像清晰無延遲。
(3)**電量管理**:密切關(guān)注電池電量,預(yù)留至少20%電量用于返航。根據(jù)電量情況,可提前規(guī)劃返航點。
(4)**應(yīng)急處理**:如遇信號丟失、失控、電量過低等緊急情況,立即執(zhí)行手動返航或緊急降落程序。
3.**數(shù)據(jù)采集**
-**按規(guī)劃航線飛行**:啟動自動飛行程序,無人機將按照預(yù)設(shè)航線自主飛行并拍攝影像。
-**同步記錄數(shù)據(jù)**:
(1)**影像數(shù)據(jù)**:確保每張RGB和多光譜影像都帶有精確的GPS時間戳和IMU(慣性測量單元)數(shù)據(jù)。
(2)**元數(shù)據(jù)記錄**:記錄飛行時間、飛行高度、相機參數(shù)、GPS坐標(biāo)、傳感器信息等。
-**飛行結(jié)束檢查**:
(1)確認(rèn)所有規(guī)劃航線已完成,影像采集完畢。
(2)檢查無人機和設(shè)備狀態(tài),安全降落。
(3)在安全地點取下存儲卡,備份原始影像數(shù)據(jù)。
(4)無人機返航,安全降落至起飛點或指定地點。
(三)數(shù)據(jù)處理與分析
1.**影像預(yù)處理**
-**數(shù)據(jù)導(dǎo)入**:將存儲卡中的原始影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)處理軟件(如Pix4Dmapper,AgisoftMetashape)。
-**相機校準(zhǔn)**:
(1)**鏡頭畸變校正**:使用軟件自帶的校準(zhǔn)功能或外部校準(zhǔn)工具(如靶標(biāo)板)進行鏡頭畸變校正,生成無畸變的輻射校正影像。
(2)**相機參數(shù)設(shè)置**:輸入相機內(nèi)參(焦距、主點坐標(biāo)、畸變系數(shù))。
-**輻射校正**:根據(jù)飛行時的光照條件、大氣參數(shù)(可手動輸入或軟件估算),對影像進行輻射校正,消除光照差異,使影像數(shù)據(jù)更真實反映地面狀況。
-**GCP布設(shè)與測量**:
(1)**選擇GCP點位**:在勘測區(qū)域內(nèi)均勻分布GCP,數(shù)量建議不少于4個,避開建筑物頂、道路中央等易變形區(qū)域。
(2)**精確測量GCP坐標(biāo)**:使用RTK設(shè)備或高精度全站儀測量GCP的精確地理坐標(biāo)和高程。
(3)**GCP標(biāo)記**:在GCP點位放置明顯標(biāo)記(如顏色鮮艷的X形或方形標(biāo)記),確保飛行時能清晰識別。
(4)**GCP導(dǎo)入**:將測量好的GCP坐標(biāo)導(dǎo)入處理軟件,用于后續(xù)數(shù)據(jù)精化處理。
-**影像篩選**:檢查導(dǎo)入影像質(zhì)量,剔除云影、模糊、過曝或欠曝嚴(yán)重的影像,確保用于后續(xù)處理的影像質(zhì)量達標(biāo)。
2.**三維建模**
-**自動化處理**:在處理軟件中設(shè)置項目參數(shù)(如坐標(biāo)系、輸出分辨率、GCP精度等),啟動自動化處理流程。
(1)**特征點提取**:軟件自動從影像中提取同名點。
(2)**光束法平差(BundleAdjustment)**:結(jié)合GCP數(shù)據(jù),優(yōu)化相機參數(shù)和地面點三維坐標(biāo),提高整體定位精度。
(3)**密集點云生成**:基于同名點,生成高密度的地面點云。
(4)**三角網(wǎng)格生成**:將點云數(shù)據(jù)構(gòu)造成三角網(wǎng)格,形成數(shù)字表面模型(DSM)。
(5)**正射影像生成**:在DSM基礎(chǔ)上,生成數(shù)字正射影像圖(DOM)。
-**傾斜攝影處理**(如采用傾斜相機或多臺相機傾斜拍攝):
(1)**空三構(gòu)建**:自動匹配水平影像和傾斜影像的同名點,構(gòu)建空間關(guān)系。
(2)**密集點云生成**:生成包含地面和建筑物頂部的完整三維點云。
(3)**三角網(wǎng)格生成**:構(gòu)建包含地表、植被、建筑等細(xì)節(jié)的三維模型。
(4)**紋理映射**:將正射影像貼裝到三維模型表面,生成真實感強的傾斜攝影模型。
-**模型優(yōu)化**:
(1)**去噪處理**:去除點云和模型中的冗余點和噪聲點。
(2)**紋理優(yōu)化**:調(diào)整紋理貼圖,確保細(xì)節(jié)清晰、縫合線不明顯。
(3)**模型裁剪**:根據(jù)實際需求裁剪模型,去除無關(guān)區(qū)域。
3.**成果輸出**
-**數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出**:
(1)**DOM**:導(dǎo)出GeoTIFF格式的正射影像圖,包含坐標(biāo)系統(tǒng)信息。
(2)**DEM/DOM**:導(dǎo)出GeoTIFF格式的數(shù)字高程模型或數(shù)字正射影像圖。
(3)**點云**:導(dǎo)出LAS或LAZ格式的地面點云數(shù)據(jù)。
(4)**三維模型**:導(dǎo)出OBJ或FBX等格式的三維模型文件,或?qū)С隹捎糜赪eb瀏覽的GLTF/GLB格式。
(5)**GCP成果**:導(dǎo)出GCP的測量坐標(biāo)和處理后的坐標(biāo),以及點位精度信息。
-**成果報告編制**:
(1)**項目概述**:簡要介紹項目背景、目標(biāo)和范圍。
(2)**技術(shù)方法**:描述采用的無人機平臺、傳感器、航線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、處理流程等。
(3)**數(shù)據(jù)處理成果**:展示DOM、DEM、點云、三維模型等成果數(shù)據(jù),可附典型區(qū)域的效果圖。
(4)**精度評估**:提供成果數(shù)據(jù)的精度評定結(jié)果,如DOM的平面精度、DEM的高程精度、三維模型的誤差范圍等。可通過檢查點測量、與已知數(shù)據(jù)對比等方式進行評估。
(5)**分析結(jié)論**:根據(jù)成果數(shù)據(jù),對勘測區(qū)域的現(xiàn)狀、特征進行分析和總結(jié),如土地利用類型比例、地形特征、植被覆蓋狀況等。
(6)**附件**:附上所有原始數(shù)據(jù)、處理中間文件、最終成果數(shù)據(jù)、精度報告等。
三、注意事項
(一)安全操作
1.**空域合規(guī)**:飛行前查詢當(dāng)?shù)乜沼蚬芾硪?guī)定,避免在禁飛區(qū)、限飛區(qū)或需要申報的空域飛行。
-**申報流程**:對于商業(yè)或大型無人機活動,可能需要提前向相關(guān)管理部門(如航空管理部門)申報飛行計劃,獲得許可。
-**飛行限制**:了解并遵守關(guān)于高度、速度、半徑等的具體限制。
2.**障礙物規(guī)避**:
-**起飛前勘察**:詳細(xì)勘察飛行區(qū)域及周邊環(huán)境,識別并記錄高大建筑物、風(fēng)力發(fā)電機、電線塔、樹林等固定障礙物,以及臨時搭建物、電線、鐵絲網(wǎng)等移動或低空障礙物。
-**航線設(shè)計**:規(guī)劃航線時與障礙物保持安全距離,預(yù)留足夠繞飛空間。復(fù)雜環(huán)境中可設(shè)置多個緊急降落點。
-**飛行中監(jiān)控**:飛行過程中時刻關(guān)注空域情況,利用無人機或地面站攝像頭觀察下方環(huán)境,及時避開突發(fā)障礙物。
3.**天氣應(yīng)對**:
-**天氣監(jiān)測**:飛行前和飛行中密
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