無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用研究

寧利立

（北京中色地科測(cè)繪有限公司）

1 引言

近些年，我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快，而城市也逐漸成為了真正意義上的經(jīng)濟(jì)社會(huì)主導(dǎo)力量。在此背景下，勞動(dòng)、資本、土地等傳統(tǒng)意義上的城市增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)要素也逐漸轉(zhuǎn)向了人才、知識(shí)、信息、技術(shù)等創(chuàng)新要素。換言之，城市發(fā)展更富創(chuàng)新活力，城市運(yùn)行更具智慧性。智慧城市的新理念和新實(shí)踐，已然成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和實(shí)業(yè)界所廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)話題。我國(guó)也掀起了智慧城市的建設(shè)浪潮，而與智慧城市建設(shè)密切相關(guān)的城市測(cè)量技術(shù)也引發(fā)了全社會(huì)的討論。本文將以無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量實(shí)景真三維建模技術(shù)為主要研究對(duì)象，簡(jiǎn)要分析其在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)介紹

傾斜攝影可通過(guò)同一平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、側(cè)視等不同角度進(jìn)行影像采集。無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)的飛行平臺(tái)是無(wú)人機(jī)，任務(wù)設(shè)備則為傾斜攝影相機(jī)。相較而言，傳統(tǒng)航空攝影僅能從垂直角度進(jìn)行拍攝。因此在航空影像獲取中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)航空攝影的不足。但無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)對(duì)飛行平臺(tái)與傾斜相機(jī)的性能有一定的要求。

2.1 飛行平臺(tái)的性能要求

目前，測(cè)量行業(yè)中應(yīng)用的無(wú)人機(jī)種類非常多，按照動(dòng)力系統(tǒng)可將其分為電池動(dòng)力和內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力兩種，按照飛行實(shí)現(xiàn)方式則可分為固定翼與旋翼。電池動(dòng)力無(wú)人機(jī)的成像質(zhì)量?jī)?yōu)于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力，而固定翼的作業(yè)效率和續(xù)航時(shí)間則明顯優(yōu)于旋翼，但旋翼的飛行穩(wěn)定性則優(yōu)于固定翼。針對(duì)不同用途的無(wú)人機(jī)，其性能標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。測(cè)繪型無(wú)人機(jī)對(duì)飛行標(biāo)準(zhǔn)有著更高的要求，可針對(duì)其載重、安全性、抗風(fēng)等級(jí)、巡航速度、續(xù)航時(shí)間以及實(shí)用升限等內(nèi)容做出限定。如無(wú)人機(jī)最低載重為2kg，實(shí)用升限能達(dá)到1000m以上，但海拔高度不應(yīng)低于3000m，抗風(fēng)性要求不應(yīng)低于4級(jí)風(fēng)速；電池動(dòng)力續(xù)航時(shí)間應(yīng)大于25min，內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力續(xù)航時(shí)間則應(yīng)大于1h；多旋翼巡航速度應(yīng)大于6m/s，而固定翼的巡航速度則應(yīng)大于10m/s。

2.2 傾斜相機(jī)的性能要求

傾斜攝影系統(tǒng)其主要包括雙鏡頭、三鏡頭、五鏡頭等多鏡頭相機(jī)以及可對(duì)相機(jī)拍攝角度進(jìn)行調(diào)整的單相機(jī)系統(tǒng)，而獲取不同角度影像的能力和單架次作業(yè)的廣度與深度是傾斜相機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。在利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航空測(cè)量時(shí)，相機(jī)像素不得低于3500萬(wàn)，由于傾斜攝影主要是對(duì)一次曝光獲取的影像像素進(jìn)行控制，因此不可對(duì)單一相機(jī)的像素加以限定。至于傾斜相機(jī)的性能要求，我們可從其作業(yè)時(shí)間、續(xù)航時(shí)間、曝光功能以及獲取影像能力、POS記錄功能等方面作出限定。盡管傾斜攝影一次曝光所采集的像素越高越好，但應(yīng)對(duì)設(shè)備成本加以充分考量。一般而言，單個(gè)鏡頭像素不應(yīng)低于2000萬(wàn)，一次曝光像素則不應(yīng)低于1億。相機(jī)作業(yè)時(shí)間需至少滿足90min，為滿足特殊測(cè)量作業(yè)的需求，有些相機(jī)最好具備全天候作業(yè)能力。此外，有定點(diǎn)曝光功能的相機(jī)才能滿足影像重疊度的要求。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用——以燕郊為例

3.1 燕郊智慧城市建設(shè)現(xiàn)狀

燕郊鎮(zhèn)是國(guó)家高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，在數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)、智慧管網(wǎng)建設(shè)方面一直處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，為燕郊智慧城市建設(shè)了詳實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)。下面筆者將基于燕郊智慧城市建設(shè)研究無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和其應(yīng)用可行性。

3.2 技術(shù)路線與作業(yè)流程

3.2.1 技術(shù)路線

飛行平臺(tái)、飛控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面保障設(shè)備以及任務(wù)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)。飛行平臺(tái)的主要功能在于搭載任務(wù)設(shè)備與進(jìn)行航攝飛行；飛控系統(tǒng)的主要功能在于為無(wú)人機(jī)提供導(dǎo)航、定位和自主飛行控制；地面監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)的高度、空速、低速、方位以及航向、航跡和飛行姿態(tài)等飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)、顯示與回訪。任務(wù)設(shè)備即傾斜攝影相機(jī)，其主要任務(wù)在于獲取并存儲(chǔ)各類型航攝影像；地面監(jiān)控系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)及其他機(jī)載設(shè)備之間均通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制指令傳輸。此外，為保證無(wú)人機(jī)航攝作業(yè)的安全性與有效性，還需設(shè)置地面保障設(shè)備提供基本保障。

3.2.2 作業(yè)流程

首先對(duì)任務(wù)區(qū)域內(nèi)的行政區(qū)數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)等進(jìn)行收集與分析，選擇適合的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，確定相對(duì)航高與航攝路線，并應(yīng)選擇合適的天氣進(jìn)行航攝。在航攝實(shí)施階段，首先需按照預(yù)先設(shè)置好的航攝路線和時(shí)間前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地勘探，確定好起降點(diǎn)后再執(zhí)行飛行。飛行過(guò)程中一定要做好飛行控制工作，飛行結(jié)束后應(yīng)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與檢查，對(duì)不符合要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)飛或重復(fù)飛行。

3.3 三維建模流程

依據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)獲取的有效原始影像和POS數(shù)據(jù)，制作城市實(shí)景真三維模型流程如下：

1）對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢查，查看原始影像的亮度、飽和度與色相，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

2）利用校驗(yàn)場(chǎng)或CORS站校驗(yàn)POS系統(tǒng)，對(duì)POS數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，獲得每張航片的較精確的外方位元素；

3）利用POS數(shù)據(jù)、像控點(diǎn)數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)開(kāi)展空中三角測(cè)量，進(jìn)行控制點(diǎn)加密處理，獲得精確的外方位元素；

4）利用空中三角測(cè)量加密處理成果結(jié)合垂直影像、傾斜影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用影像密集匹配技術(shù)生產(chǎn)出DSM數(shù)據(jù)；

5）利用預(yù)處理和增強(qiáng)處理后的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行DSM數(shù)據(jù)紋理映射，將像素級(jí)別的分辨率紋理映射到實(shí)景DSM數(shù)據(jù)表面，利用軟件一鍵式生成初級(jí)全要素的城市實(shí)景真三維模型；

6）為保證城市三維模型更為精細(xì)化，對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)漏與修改；

7）檢查并驗(yàn)收模型成果，符合要求后方可提交。

目前用于進(jìn)行三維建模處理的軟件較多，本研究選取了ContextCapture這一全自動(dòng)三維建模處理軟件對(duì)燕郊智慧城市建設(shè)中的實(shí)景真三維模型進(jìn)行制作。這一軟件僅需簡(jiǎn)單的照片即可生產(chǎn)具有高分辨率的真實(shí)三維模型，數(shù)據(jù)處理速度快，無(wú)須人工干預(yù)，所制作的三維模型極具真實(shí)感。本項(xiàng)目中的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)共配備有一個(gè)垂直鏡頭、四個(gè)傾斜鏡頭，獲取任務(wù)區(qū)不同角度的原始影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用ContextCapture所具備的快速三維場(chǎng)景運(yùn)算功能，重構(gòu)了地面景物的實(shí)景模型，全要素的城市地上實(shí)景真三維模型建設(shè)目的得以實(shí)現(xiàn)（圖1）。

圖1 實(shí)景真三維模型效圖

4 結(jié)束語(yǔ)

較之傳統(tǒng)航攝測(cè)量方式，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量影像精度更高，所制作出的模型也更加精細(xì)化、真實(shí)化，因此其可很好地滿足智慧城市建設(shè)對(duì)實(shí)景真三維模型的需求。三維模型構(gòu)建完成后，我們可通過(guò)其與地下管線應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)合，借助GIS技術(shù)、可視化以及三維仿真技術(shù)建成具有查詢分析、地下管線三維空間展示、漫游等功能的系統(tǒng)，進(jìn)而可為智慧城市建設(shè)提供科學(xué)有力的數(shù)據(jù)。