基于多旋翼單鏡頭無(wú)人機(jī)的三維建模技術(shù)

吳波濤，張 煜，李凌霄，魏思奇,田 一

(1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 測(cè)繪分院，昆明 650021； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010； 3.湖北省襄陽(yáng)市第四中學(xué)，湖北 襄陽(yáng) 441000)

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基于多旋翼單鏡頭無(wú)人機(jī)的三維建模技術(shù)

吳波濤1，張 煜2，李凌霄2，魏思奇2,田 一3

(1.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 測(cè)繪分院，昆明 650021； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 空間信息技術(shù)應(yīng)用研究所，武漢 430010； 3.湖北省襄陽(yáng)市第四中學(xué)，湖北 襄陽(yáng) 441000)

根據(jù)傾斜攝影測(cè)量的需求和多旋翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)，從硬件選型、航攝流程優(yōu)化和軟件研發(fā)等角度，分析了傳統(tǒng)多鏡頭相機(jī)的傾斜影像拍攝原理，提出了單鏡頭傾斜影像采集方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性；同時(shí)，提出了多旋翼無(wú)人機(jī)使用單鏡頭相機(jī)進(jìn)行傾斜影像采集的關(guān)鍵外業(yè)流程，包括多種類地物的航線規(guī)劃方法、航片質(zhì)量控制；設(shè)計(jì)了一個(gè)面向傾斜影像采集需求的移動(dòng)端地面站App。測(cè)試結(jié)果表明，基于一定的操作準(zhǔn)則，多旋翼單鏡頭無(wú)人機(jī)可實(shí)現(xiàn)較好地完成地表三維建模工作。

多旋翼無(wú)人機(jī)；傾斜攝影；三維建模；移動(dòng)端軟件；航線規(guī)劃

1 研究背景

攝影測(cè)量從本質(zhì)上而言，是從二維的影像中重建三維模型，然后在重建的三維模型上提取所需的各種信息的科學(xué)與技術(shù)[1]。傾斜攝影已成為當(dāng)下攝影測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，國(guó)家測(cè)繪地理信息局也已經(jīng)把傾斜攝影作為一項(xiàng)新技術(shù)手段進(jìn)行推廣[2]。傾斜影像一般是通過(guò)機(jī)載的多鏡頭傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行航拍而得到的，通過(guò)對(duì)地物尤其是建筑的5個(gè)外表面方向進(jìn)行攝影，可獲取全方位的幾何與紋理信息。傳統(tǒng)的載人飛機(jī)的傾斜航攝流程較為復(fù)雜冗長(zhǎng)且飛行高度較高。曲林[3]對(duì)多種傾斜攝影方案進(jìn)行了比較，著重強(qiáng)調(diào)了無(wú)人機(jī)傾斜攝影相對(duì)于有人機(jī)的優(yōu)勢(shì)——空域限制小，成本低廉，作業(yè)不受云層影響，近地面細(xì)節(jié)豐富等。Xie等[4]從三維城市建模的需求出發(fā)，根據(jù)無(wú)人機(jī)低空航攝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)由4臺(tái)廣角相機(jī)組合而成的傾斜航攝儀，并對(duì)校園內(nèi)的建筑群進(jìn)行了航拍。傾斜攝影的基本原理是多視角三維重建，并沒(méi)有要求必須采用復(fù)雜昂貴的多鏡頭組合方式進(jìn)行作業(yè)，尋找低成本、靈活的操作方式對(duì)于小面積、復(fù)雜地形區(qū)域的地表建模具有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

本文研究將輕小型多旋翼無(wú)人機(jī)、高畫(huà)質(zhì)微單相機(jī)、多軸云臺(tái)以及新型傾斜攝影測(cè)量三維重建軟件等最新產(chǎn)品和技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，使多旋翼無(wú)人機(jī)的單鏡頭傾斜攝影應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。作為一種低成本、高分辨率的傾斜影像獲取手段，單鏡頭傾斜攝影方案可以很好地與傳統(tǒng)傾斜影像采集方案互補(bǔ)，具備較高的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)移動(dòng)端App產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程以及最新的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將iOS系統(tǒng)和DJI無(wú)人機(jī)SDK的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一款自動(dòng)化作業(yè)的地面站App，提升單鏡頭傾斜影像采集的效率，降低傾斜航攝外業(yè)的難度和人工、時(shí)間成本。

2 多視角三維模型重建技術(shù)

攝影測(cè)量或計(jì)算機(jī)視覺(jué)都是基于不同視角方向上的目標(biāo)投影影像實(shí)現(xiàn)了其三維幾何重建。由于近年SIFT及其衍生算法的發(fā)展，相機(jī)幾何關(guān)系的重建能力大幅提高，且隨著并行計(jì)算技術(shù)(如GPU、CPU多核心并行計(jì)算等技術(shù))的進(jìn)步和硬件性能的提升，使海量、無(wú)序、多分辨率影像的快速密集匹配成為了可能。新一代高度自動(dòng)化的三維重建軟件，如街景工廠、Smart3DCapture等，對(duì)航攝飛行質(zhì)量的技術(shù)要求大幅降低，三維重建速度也有數(shù)量級(jí)的提升；結(jié)合機(jī)載POS數(shù)據(jù)，可以在較少甚至無(wú)地面控制點(diǎn)(GCP)的情況下對(duì)測(cè)區(qū)地貌進(jìn)行高度自動(dòng)化的三維重建，最終輸出高分辨率的帶有真實(shí)紋理的三角網(wǎng)格模型。這使得將無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)用于三維重建成為了現(xiàn)實(shí)。

多視角三維重建技術(shù)的發(fā)展降低了數(shù)據(jù)采集硬件的要求，只要滿足一定的重疊度，以簡(jiǎn)單規(guī)則進(jìn)行拍攝，就能實(shí)現(xiàn)較好的三維模型重建。多旋翼無(wú)人機(jī)是一種操作簡(jiǎn)單、成本廉價(jià)的無(wú)人飛行器，配以較好的相機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)空中高度自由的多角度對(duì)地拍攝，因此，它是一種理想的三維建模工具。

3 作業(yè)流程與規(guī)劃

為了保證任務(wù)順利、規(guī)范地進(jìn)行，保證航片的質(zhì)量符合用戶單位需求，傾斜攝影的外業(yè)航拍任務(wù)需要遵循一系列的流程，即：

(1) 規(guī)劃航線前，首先需要對(duì)測(cè)區(qū)概況進(jìn)行調(diào)研。和用戶單位對(duì)接，在地圖上勾畫(huà)出測(cè)區(qū)范圍，明確測(cè)區(qū)內(nèi)的主要地物類型以及期望的地面采樣距離(GSD)。

(2) 了解測(cè)區(qū)概況后，需要根據(jù)用戶單位提出的需求，對(duì)航攝的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和確定。

(3) 確定航攝技術(shù)參數(shù)后，可以開(kāi)始擬定飛行計(jì)劃，對(duì)飛行器的飛行方式和拍攝方式做全面的設(shè)計(jì)，從而滿足內(nèi)業(yè)處理對(duì)傾斜攝影影像的要求。

(4) 飛行計(jì)劃擬定完畢后，便可實(shí)地踩點(diǎn)，對(duì)飛行計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，并按照計(jì)劃實(shí)施飛行。

3.1 航攝需求調(diào)研

在執(zhí)行一次航攝任務(wù)前，需要和用戶單位對(duì)接，對(duì)測(cè)區(qū)概況進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)研和分析；如明確全測(cè)區(qū)范圍、主要地物類型以及模型分辨率要求；如收集測(cè)區(qū)相關(guān)資料，如地形圖、衛(wèi)星遙感圖片(衛(wèi)片)、交通圖等，必要時(shí)進(jìn)行實(shí)地勘察。據(jù)此初步規(guī)劃航攝方式，準(zhǔn)備航攝設(shè)備。

3.2 航攝技術(shù)參數(shù)計(jì)算

3.2.1 航 高

控制航高的最終目的是控制攝影物距，從而保證合乎要求的GSD。根據(jù)航空攝影測(cè)量學(xué)的相關(guān)知識(shí)可得攝影物距D的計(jì)算式為

(1)

式中：nl為長(zhǎng)邊像元數(shù)量，是相機(jī)感光元件參數(shù)；FOV為鏡頭視場(chǎng)角(水平方向視角)，是鏡頭參數(shù)。

而相對(duì)航高可通過(guò)攝影物距進(jìn)行計(jì)算。不同種類的航線，其相對(duì)航高計(jì)算方式也不同。如圖1所示，假設(shè)起飛地均在地平面上。

圖1 不同航線類型下的攝影物距和相對(duì)航高的關(guān)系Fig.1 Relationship between object distance and relative flight height in the presence of different types of fight

對(duì)于定高航線，相對(duì)航高與攝影物距相等，即

(2)

對(duì)于圓形環(huán)繞航線，相對(duì)航高H環(huán)繞和環(huán)繞半徑R環(huán)繞則和俯視角有關(guān)，即：

(3)

(4)

式中θpitch為鏡頭俯視角，來(lái)自相機(jī)云臺(tái)讀數(shù)。

對(duì)于變高航線，例如對(duì)于具有坡度的地物進(jìn)行航拍時(shí)，主光軸近似垂直于坡面，其相對(duì)航高H變高為

(5)

式中:L為飛行器距起飛地的水平距離，來(lái)自無(wú)人機(jī)飛控讀數(shù)；α為坡度角。若主光軸和坡面近似垂直，則有α=π/2-θpitch。

在實(shí)際航攝中，測(cè)區(qū)地貌并不會(huì)如此理想。地表起伏會(huì)較大地影響影像的GSD。因此在控制航高和攝影物距時(shí)，采取寧可近不可遠(yuǎn)的原則，盡可能保證GSD的波動(dòng)處于合理范圍。對(duì)于大范圍的測(cè)區(qū)，為了達(dá)到作業(yè)效率和效果的平衡，可以將地面采樣距離GSD分為2個(gè)級(jí)別：對(duì)可視化效果要求較高的關(guān)鍵地物，采用較高的GSD進(jìn)行高分辨率影像采集；對(duì)于關(guān)鍵地物周圍的環(huán)境背景，則可以采用較低的GSD進(jìn)行一般分辨率的影像采集。對(duì)于這2種GSD，根據(jù)上述公式計(jì)算出不同的航高進(jìn)行航攝即可,最終在內(nèi)業(yè)處理中將不同分辨率的三維重建模型進(jìn)行融合。

3.2.2 攝影基線長(zhǎng)度Bx和航線間隔長(zhǎng)度By

Bx和By表達(dá)式分別為：

(6)

(7)

式中：nx為航向像元數(shù)量，即相機(jī)感光元件與航向平行方向的像元數(shù)量；ny為旁向像元數(shù)量，即相機(jī)感光元件與航向垂直方向的像元數(shù)量。

一般而言，飛行器使用短邊平行航向進(jìn)行航拍，即航向和感光元件的短邊平行。例如對(duì)于精靈3的1 200萬(wàn)像素的相機(jī)，相片分辨率為3 000×4 000，式(6)中的航向像元數(shù)量取3 000，式(7)中的旁向像元數(shù)量取4 000進(jìn)行計(jì)算。

3.2.3 最大巡航速度vmax和最長(zhǎng)曝光時(shí)間tmax

最大巡航速度用于限制無(wú)人機(jī)的飛行速度，防止影像動(dòng)態(tài)模糊，其計(jì)算式為

(8)

式中：t為曝光時(shí)間，來(lái)自無(wú)人機(jī)相機(jī)的測(cè)光數(shù)值；δmax為容許像移值，即曝光時(shí)間內(nèi)，鏡頭成像在焦平面上容許位移的最大值與像元尺寸的比值(無(wú)單位)，描述了航片的動(dòng)態(tài)模糊程度。

在起飛前計(jì)算時(shí)，可以使用經(jīng)驗(yàn)曝光時(shí)間值。例如，光圈f2.8、感光度ISO200時(shí)，陰天曝光時(shí)間1/200 s，多云1/1 000 s，晴天1/1 500 s。若相機(jī)性能足夠優(yōu)秀，則可以取更高的感光度值，以達(dá)到更快的快門速度，從而降低甚至取消飛行器的速度限制。在這種情況下，則可以通過(guò)飛行器能夠達(dá)到的最快飛行速度，去反算最長(zhǎng)曝光時(shí)間(即安全快門速度),即

(9)

式中v′max為飛行器能夠達(dá)到的最大飛行速度，是飛行器硬件性能參數(shù)。

對(duì)相機(jī)的曝光時(shí)間閾值進(jìn)行設(shè)置，使其小于最長(zhǎng)曝光時(shí)間，避免像移值超限。

3.2.4 預(yù)估任務(wù)執(zhí)行時(shí)間Test

預(yù)估的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間是航攝任務(wù)規(guī)劃時(shí)的重要參考，用于判斷航攝任務(wù)的執(zhí)行成本和可行性。該參數(shù)可以通過(guò)航線長(zhǎng)度除以最大巡航速度來(lái)進(jìn)行計(jì)算,即

(10)

式中：L為航線長(zhǎng)度。對(duì)于復(fù)雜非規(guī)則航線，可以通過(guò)調(diào)用地圖軟件的距離量測(cè)API來(lái)進(jìn)行獲取；對(duì)于簡(jiǎn)易的平行航線，則可通過(guò)單條航線長(zhǎng)乘以航線數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

3.3 航攝方案規(guī)劃

了解測(cè)區(qū)概況，并確定航攝技術(shù)參數(shù)后，可以開(kāi)始擬定航攝方案，對(duì)飛行器的飛行方式和拍攝方式做全面的設(shè)計(jì)，并預(yù)估工作量，如飛行路程、時(shí)間、電量以及拍攝照片數(shù)量。

航攝方案是理想狀態(tài)(不受電量、存儲(chǔ)容量限制)下飛行器的動(dòng)作腳本。其中，飛行方式對(duì)航線的類型、形狀、航高等飛行參數(shù)進(jìn)行了確定；拍攝方式對(duì)攝站點(diǎn)的外方位元素進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

一般而言，理想的測(cè)區(qū)形狀為矩形，也就是傳統(tǒng)航空攝影中所使用的測(cè)區(qū)形狀。矩形測(cè)區(qū)的航線規(guī)劃較為簡(jiǎn)單，采用平行航線折返拍攝即可。但實(shí)際情況中，測(cè)區(qū)的形狀很可能是非規(guī)則的多邊形甚至是長(zhǎng)條帶形狀，這會(huì)增加航線規(guī)劃和執(zhí)行的難度。對(duì)于小范圍的不規(guī)則測(cè)區(qū)，我們可以使用一個(gè)外接矩形來(lái)將其囊括在內(nèi)，并以此矩形為測(cè)區(qū)范圍進(jìn)行航線規(guī)劃；當(dāng)航攝區(qū)域的面積較大、航線較長(zhǎng)或測(cè)區(qū)內(nèi)的地形變化過(guò)大時(shí)，應(yīng)將航攝區(qū)域(下稱“總測(cè)區(qū)”)劃分成若干個(gè)攝影分區(qū)(下稱“分測(cè)區(qū)”)，在每個(gè)分測(cè)區(qū)內(nèi)分別鋪設(shè)攝影航線，以針對(duì)各測(cè)區(qū)的特點(diǎn)對(duì)航線進(jìn)行量身定制，從而確保各分測(cè)區(qū)內(nèi)部的光照條件、GSD、重疊度等因素滿足航片質(zhì)量要求。這一過(guò)程都是在移動(dòng)端的無(wú)人機(jī)地面站地圖界面上圈選并構(gòu)思的。飛行器的硬件性能一定程度上限制了航線規(guī)劃的自由度。例如：飛行距離最長(zhǎng)不能超過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳輸范圍，單次航線的執(zhí)行時(shí)間不能超過(guò)電池電量能夠支持的范圍，等等。

常用的航線類型主要分為折線(路徑點(diǎn)任務(wù))和環(huán)形航線(熱點(diǎn)環(huán)繞任務(wù))2種。折線航線更為常用，同時(shí)適用于豎直和傾斜攝影，可以視作一系列路徑點(diǎn)依次連接而成的航線，無(wú)人機(jī)依次遍歷所有路徑點(diǎn)，并在每個(gè)路徑點(diǎn)處懸停一會(huì)兒進(jìn)行拍攝(或邊飛邊拍)，直到遍歷完畢；環(huán)形航線主要用于傾斜攝影，無(wú)人機(jī)以一定的高度和半徑環(huán)繞圓心飛行，邊飛邊拍，至少繞測(cè)區(qū)飛完一圈。可以根據(jù)需要提升航高，以較低的地面采樣距離拍攝測(cè)區(qū)全局，以充分避免航攝漏洞。

傾斜影像采集需要滿足全表面、高重疊2個(gè)基本需求。由于測(cè)區(qū)地物的類型復(fù)雜，適宜的航拍方式也不同。根據(jù)筆者航拍的經(jīng)驗(yàn)，絕大部分測(cè)區(qū)類型均可以抽象為3種簡(jiǎn)單的地物類型的混合——平坦地物、獨(dú)立地物和條帶狀地物，即面狀、點(diǎn)狀和線狀地物，并根據(jù)各自特點(diǎn)分別進(jìn)行航線規(guī)劃，再將各部分航線組合成為最終航攝方案即可。

3.4 航線優(yōu)化

在實(shí)際執(zhí)行航線前，需要對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察，以選定合適的起降場(chǎng)地，并根據(jù)實(shí)地情況合理優(yōu)化航攝方案，以保證航攝過(guò)程的安全和高效。

(1) 安全方面。需要在飛行過(guò)程中通過(guò)地面站軟件實(shí)時(shí)掌握電量信息，保證充分的冗余電量，避免無(wú)人機(jī)因電量不足無(wú)法返航，造成墜落甚至無(wú)法回收的后果；飛行距離越遠(yuǎn)，此返航閾值應(yīng)設(shè)置得越高。一般而言，對(duì)于有電量顯示的飛行電池，將返航電量的閾值設(shè)置在30%左右較為穩(wěn)妥；對(duì)于無(wú)電量顯示，而僅有電壓顯示的飛行電池，則需要根據(jù)具體電池型號(hào)來(lái)決定返航電壓，避免電池過(guò)度放電，影響壽命。另外，選取起降場(chǎng)地和規(guī)劃航線時(shí)需要避開(kāi)各種障礙物，例如電線、樹(shù)木等；同時(shí)也應(yīng)盡量避免風(fēng)速較大的地點(diǎn)，如山梁、隘口等地。由于規(guī)劃航線使用的地圖并不會(huì)將上述障礙物標(biāo)識(shí)出來(lái)，因此往往只能通過(guò)實(shí)地勘察的方式去發(fā)現(xiàn)和避免。必要時(shí)，可以在正式執(zhí)行任務(wù)前，先控制飛行器從空中進(jìn)行探路、踩點(diǎn)，并在地圖中標(biāo)記出障礙的位置，從而在任務(wù)正式執(zhí)行的過(guò)程中用作參考，盡可能地保證飛行安全。

(2) 效率方面。由于多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行時(shí)間較短，因此航線設(shè)計(jì)過(guò)程中需要在保證安全的前提下，最大限度地利用單枚電池飛行時(shí)間。例如，在起飛去航和返航降落過(guò)程中均進(jìn)行航攝，不浪費(fèi)每一個(gè)空中視角。在拍攝過(guò)程中，也可以利用數(shù)字航空攝影不受底片數(shù)量限制的優(yōu)勢(shì)，縮短攝影基線、增加航片重疊度，獲得更加冗余的航攝影像，一方面充分避免航攝漏洞的出現(xiàn)，另一方面為內(nèi)業(yè)處理提供充足的資料。

對(duì)于傾斜攝影，由于空中蒙霧亮度的影響，靠近地平線一邊的傾斜影像的分辨率和清晰度都會(huì)降低，從而減少了相片的有效使用面積。為了避免此類問(wèn)題出現(xiàn)，一方面通過(guò)控制攝影角度，避免地平線進(jìn)入畫(huà)面；另一方面，通過(guò)靈活選擇飛行時(shí)間，避開(kāi)低能見(jiàn)度天氣。

圖2 開(kāi)發(fā)環(huán)境配置Fig.2 Configuration of development environment

4 地面站App的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影外業(yè)流程要求飛手具備較高的飛行技能以及航空攝影測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)。實(shí)驗(yàn)表明，為了較好地完成航攝任務(wù)，飛手在航攝任務(wù)的全過(guò)程(策劃—執(zhí)行—回顧)中，注意力長(zhǎng)時(shí)間、高度集中，做出大量的邏輯判斷。長(zhǎng)時(shí)間大量信息的輸入和判斷會(huì)對(duì)飛手造成較大的工作壓力，也對(duì)其飛行技能提出嚴(yán)峻考驗(yàn)。

若是能將飛手的各種邏輯判斷和操作通過(guò)軟件的形式封裝起來(lái)，開(kāi)發(fā)出一款面向傾斜攝影用途的無(wú)人機(jī)地面站軟件，使無(wú)人機(jī)傾斜攝影的外業(yè)流程半自動(dòng)化甚至自動(dòng)化，這對(duì)于提升航攝質(zhì)量和效率會(huì)有較大的積極意義。同時(shí)，也降低了有關(guān)單位培養(yǎng)航攝作業(yè)員的成本。

本文利用互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的軟件產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程，對(duì)地面站軟件進(jìn)行需求分析和功能設(shè)計(jì)。并根據(jù)此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一款地面站App軟件原型，為未來(lái)相關(guān)工作打下了基礎(chǔ)。

4.1 軟件需求分析

在手動(dòng)進(jìn)行傾斜航攝的過(guò)程中，有多重因素會(huì)導(dǎo)致航攝質(zhì)量下降甚至無(wú)法滿足要求。總體而言，導(dǎo)致航攝質(zhì)量下降的負(fù)面因素可以總結(jié)為人為因素、軟硬件因素和環(huán)境因素3方面。

4.2 軟件功能設(shè)計(jì)

地圖界面以地理信息系統(tǒng)(GIS)的圖層理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，以圖層的方式顯示不同層次的地理信息。整個(gè)地圖界面能夠通過(guò)移動(dòng)設(shè)備的多點(diǎn)觸控屏幕進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作?？梢酝ㄟ^(guò)多種途徑找到測(cè)區(qū)具體位置：地理編碼(即直接搜索地名并將地圖中心移到相應(yīng)位置)、直接輸入各種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(WGS84坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系等)。軟件能夠提供測(cè)區(qū)的高清晰度地圖，作為選取測(cè)區(qū)范圍、確定航攝技術(shù)要求等流程的參考。地圖種類不僅限于衛(wèi)星柵格地圖，還可以是路網(wǎng)矢量地圖或者數(shù)字高程模型(DEM)等。并且，地圖數(shù)據(jù)需要足夠全面，無(wú)論是城區(qū)、郊區(qū)還是山區(qū)均應(yīng)具備高清晰度地圖，否則在超視距飛行時(shí)僅能以FPV畫(huà)面為參考，安全性和效率較低。

4.3 技術(shù)路線

在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，本文將采用模型-視圖-控制器(Model-View-Controller)軟件設(shè)計(jì)模式。通過(guò)消息機(jī)制進(jìn)行相互溝通，協(xié)同實(shí)現(xiàn)軟件的功能。其中，視圖對(duì)象和模型對(duì)象之間通常不會(huì)直接產(chǎn)生聯(lián)系，而是由控制器對(duì)象負(fù)責(zé)兩者間的消息發(fā)送和數(shù)據(jù)傳遞。這種設(shè)計(jì)模式要求MVC三部分職責(zé)分離、實(shí)現(xiàn)分離，這對(duì)于軟件生命周期以及后續(xù)的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性有著積極意義。App開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟硬件配置及各組件之間的關(guān)系如圖2所示。在App開(kāi)發(fā)、測(cè)試結(jié)束后，實(shí)際投入使用時(shí)，各組件間的關(guān)系將大為簡(jiǎn)化，如圖3所示。

圖3 地面站與無(wú)人機(jī)關(guān)系

4.4 軟件功能測(cè)試

在Xcode中將地面站App代碼進(jìn)行編譯并打包發(fā)布至iPad上進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，如圖4所示。界面主要分為3個(gè)部分：左上角為無(wú)人機(jī)回傳的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面，作為相機(jī)航拍角度的參考；左下角為調(diào)試信息輸出框，用于實(shí)時(shí)顯示App內(nèi)部的運(yùn)行狀態(tài)；右部為地圖界面，包含地圖顯示和操作、無(wú)人機(jī)圖標(biāo)顯示、路徑點(diǎn)添加、刪除和路徑點(diǎn)任務(wù)上傳、執(zhí)行等功能。經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試和調(diào)試，App的各項(xiàng)功能，如地圖顯示和操作、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的連接和數(shù)據(jù)傳輸、航線規(guī)劃和執(zhí)行等功能均已表現(xiàn)正常。本文的工作為今后地面站App的繼續(xù)開(kāi)發(fā)打下了良好基礎(chǔ)。

圖4 地面站App運(yùn)行圖Fig.4 Running of ground station App

圖5 空三計(jì)算結(jié)果Fig.5 Results of aerotriangulation

圖6 三維模型重建Fig.6 Reconstruction of 3D models

5 測(cè)試結(jié)果

在對(duì)市面上主流的無(wú)人機(jī)航攝平臺(tái)進(jìn)行研究和比對(duì)之后，本文挑選了大疆的精靈3(Phantom 3)無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影實(shí)驗(yàn)。測(cè)區(qū)位于云南省玉溪市華寧縣縣城。測(cè)區(qū)性質(zhì)為城區(qū)，其形狀近似于2個(gè)拼接在一起的梯形，東西向長(zhǎng)1.7 km，南北向?qū)?.6 km，面積約1 km2。將采集到的航片導(dǎo)入Smart3DCapture軟件中進(jìn)行空間三角測(cè)量(空三)計(jì)算(圖5)以及三維重建(圖6)。

6 結(jié) 語(yǔ)

由于航拍重疊度較大，相鄰建筑物之間的狹縫大多都被較好地還原出來(lái)，較少出現(xiàn)建筑物粘連的情況。由于測(cè)區(qū)天氣良好，能見(jiàn)度高，地形地貌的觀感優(yōu)秀，建筑物形狀、紋理和色彩還原度高，能夠很好地滿足可視化應(yīng)用的需求。實(shí)驗(yàn)表明，單鏡頭多旋翼無(wú)人機(jī)完全可以用于面向三維重建用途的傾斜影像采集。

[1] 張劍清, 潘 勵(lì), 王樹(shù)根. 攝影測(cè)量學(xué)[M]. 武漢：武漢大學(xué)出版社, 2009.[2] 李安福, 曾政祥, 吳曉明. 淺析國(guó)內(nèi)傾斜攝影技術(shù)的發(fā)展[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2014, 37(9): 57-59.[3] 曲 林. 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的實(shí)景三維建模研究[J]. 測(cè)繪與空間地理信息, 2015, 38(3): 38-43.[4] XIE F,LIN Z, GUI D,etal. Study on Construction of 3D Building Based on UAV Images [J]. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2012,(B1)：469-473.

(編輯：黃 玲)

Key Technology of Oblique Images Acquisition UsingSingle-Lens Multicopter

WU Bo-tao1, ZHANG Yu2,LI Ling-xiao2,WEI Si-qi2,TIAN Yi3

(1.Yunnan Institute of Water & Hydropower Engineering Investigate , Design and Research， Kunming 650021,China; 2.Spatial Information Technology Application Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China； 3.No.4 High School of Xiangyang, Xiangyang 441000,China)

According to the need of photogrammetry and the characteristics of multi-rotor UAV(unmanned aerial vehicle),a scheme of oblique image acquisition using single-lens camera is proposed through analyzing the principle of conventional multi-lens camera in terms of hardware selection,process optimization and software research, and its feasibility is verified through experiment. Furthermore, the key processes of the multi-rotor UAV using single-lens camera are presented, including route planning method and aerial quality control standard. Besides,a mobile ground station App oriented to the demand of oblique image acquisition is designed.Test results show that under given operation standards,the multi-rotor UAV with single-lens camera could well implement 3D ground modeling.

multicopter; oblique photogrammetry; 3D modeling; mobile app; route planning

2016-08-11

云南省水利重大科技項(xiàng)目(CKSK2015852/KJ)

吳波濤(1970-)，男，云南呈貢人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感，(電話)13987116160(電子信箱)Wbt5190523@126.com。

10.11988/ckyyb.20160826

2016,33(11):99-103，115

P231

A

1001-5485(2016)11-0099-05