探究無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

張 建

（廣州歐科信息技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510700）

進(jìn)入二十一世紀(jì)，計算機(jī)、通信、自動化等領(lǐng)域的大量技術(shù)都在飛速發(fā)展，深刻地改變了我們的生活，也為工業(yè)生產(chǎn)、測量提供了新思路，讓以前棘手的問題的解決成為可能。而其中，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)就在測量領(lǐng)域占據(jù)越來越重大的地位。在無人機(jī)上配備了多個傳感器，可以在同一個飛行平臺上同時捕捉圖像。于是可以真實地獲取地圖信息，并廣泛用于多個環(huán)境下的設(shè)施建設(shè)、勘察，在各個領(lǐng)域充分發(fā)揮其優(yōu)勢。這項技術(shù)正在被愈來愈多的行業(yè)專家認(rèn)可，但是想要更進(jìn)一步地發(fā)展，就必須要補(bǔ)足現(xiàn)今國家對于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的空缺，本文會對建立這一標(biāo)準(zhǔn)給出思路，為廣大從業(yè)人員提供參考。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量原理

無人機(jī)攝影技術(shù)的由于之處在于通過在同一平臺上搭載多個影像采集傳感器，并同時從不同角度（如側(cè)視圖和俯視圖）來捕獲圖像，也更加直觀好理解，突破了傳統(tǒng)航空攝影的角度信息限制。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)由傾斜的四個方向加上豎直方向的觀測來提供真實的世界圖像，相比之下傳統(tǒng)的航空攝影只能從高空中以垂直的角度捕捉地面物體。于是，我們能夠知道無人機(jī)傾斜技術(shù)可以從多個角度獲取高解析度圖像信息，并可自動生成三維數(shù)字模型，廣泛應(yīng)用于城市管理，數(shù)字城市建設(shè)同時方便在緊急事故發(fā)生時展開救援。利用了微型無人機(jī)可以靈活飛行，快速飛行的特點，實現(xiàn)低成本、高效率獲取地面更準(zhǔn)確更完整信息。與傳統(tǒng)的垂直航空圖像相比，觀測者執(zhí)行繪圖任務(wù)時不再需要佩戴立體眼鏡。

1.1 傾斜攝像機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)

按照已有的相關(guān)規(guī)范，傳統(tǒng)的垂直航空攝影要求傾斜角度不大于五度，最大不超過十二度。按照這樣的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合航空信息處理軟件的進(jìn)步，我們可以認(rèn)為15度以上的傾斜角度都屬于傾斜攝影。與此同時，傾斜相機(jī)的數(shù)量也因為需求不同而不同，5個鏡頭、3個鏡頭、雙鏡頭和單鏡頭的攝影系統(tǒng)都有，根據(jù)不同的環(huán)境和需求可以自行選擇。而攝像機(jī)的性能直接決定了無人機(jī)傾斜攝影測量結(jié)果圖像的精確、清晰程度，因此對于其像素要有要求，本文的建議是不低于3500萬像素，一次曝光應(yīng)該要超過一億像素。同時，相機(jī)續(xù)航能力應(yīng)該要達(dá)到九十分鐘，提高穩(wěn)定性，要保證圖像的重疊度，為適應(yīng)多種環(huán)境，提高效率，也要求傾斜相機(jī)具備全天候作業(yè)能力。

1.2 傾斜攝影測量技術(shù)分析

無人機(jī)傾斜攝影測量通過專業(yè)的算法將傳感器獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何校正、平差、多視影像匹配等一系列手段進(jìn)行處理，就能從多個方向?qū)ㄖ拈L寬高三維尺寸進(jìn)行了解和展示，不但能夠識別物體所處位置和幾何形狀甚至還能獲取物體的紋理細(xì)節(jié)。可以將分析階段分為三個過程，分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)應(yīng)用[1-3]。

小型無人機(jī)飛行平臺會裝備數(shù)臺傳感器，從而以多個角度對地面物體進(jìn)行拍攝，根據(jù)地形圖攝影規(guī)范設(shè)計規(guī)劃航線時飛行線路通常要平行在旁向邊界外和航線邊界外，為了確保目標(biāo)區(qū)域被完整的測量要求飛行方向和旁向的重合度大于百分之七十五。同時，在無人機(jī)飛行作業(yè)時要同步查看圖像，在刪除不適合的圖片的同時，要針對原本計劃中沒有測量拍攝的地區(qū)進(jìn)補(bǔ)飛。處理影像一般使用Smart3DCapture、Pixel Factory等軟件將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行3D建模，擁有高效率和高精度的優(yōu)點。在該程序上加載圖像，提供一定數(shù)量的控制點，程序使用區(qū)域網(wǎng)絡(luò)整體調(diào)整“同點匹配”，將所有點添加到控制點坐標(biāo)獲加密特征點，云數(shù)據(jù)構(gòu)成不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，然后將TIN構(gòu)成白色模型，軟件根據(jù)影像計算相應(yīng)的紋理信息并將紋理映射形成一個三維模型。

1.3 無人機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)

先從無人機(jī)的性能來考慮，目前市場上的無人機(jī)種類很多、質(zhì)量參差不齊。需要考慮其動力系統(tǒng)、飛行方式等，動力系統(tǒng)有電池和內(nèi)燃機(jī)兩種，飛行的實現(xiàn)方法可以分為旋翼和固定翼兩種，其中旋翼可以分成單旋翼、多旋翼。當(dāng)使用內(nèi)燃機(jī)來為飛行器提供動力時，難免會產(chǎn)生飛行平臺的震動，對于成像質(zhì)量產(chǎn)生影響，所以電池動力系統(tǒng)的無人機(jī)更好，但要綜合考慮續(xù)航、測量工作效率等方面，內(nèi)燃機(jī)也有其他優(yōu)點。同樣的旋翼和固定翼，飛行速度、續(xù)航時間、穩(wěn)定性等方面都有各自優(yōu)點不一而足，所以要設(shè)計適合其應(yīng)用場景的性能優(yōu)化方案，因此依照的標(biāo)準(zhǔn)不可能完全統(tǒng)一。但是對于執(zhí)行無人機(jī)傾斜攝影測量的無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)仍然要做出一定的限制，本文給出一定的參考意見如下。

表1 無人機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)一覽表

2 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用

為智能城市的建設(shè)提供更快的速度，科學(xué)而實際數(shù)據(jù)，因此傾斜攝影在建造行業(yè)規(guī)劃和設(shè)計中的應(yīng)用主要用于規(guī)劃審批以及空間分析。城市需要自己的特色，市政部門進(jìn)行城市規(guī)劃有多種設(shè)計，而設(shè)計方案可以被無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)表現(xiàn)到3D模型中，直觀地展現(xiàn)在決策者面前，進(jìn)而比對各種設(shè)計方案的特色和優(yōu)缺點，協(xié)助不同設(shè)計方案和當(dāng)前城市規(guī)劃配合程度的決策，來選取最優(yōu)的國畫方案，并根據(jù)整體城市規(guī)劃方案進(jìn)行調(diào)整建筑群指標(biāo)。

無人傾斜攝影的另一項應(yīng)用是可以通過檢測建筑物施工現(xiàn)場的現(xiàn)場指示，應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測，以減少施工現(xiàn)場的灰塵，而無人機(jī)實際上是在靠近地面的空中拍攝實時圖像。通過挖掘3D數(shù)據(jù)模型，探測深層滲透結(jié)構(gòu)，查看地下管道等設(shè)施的狀態(tài)，可以實現(xiàn)地上和地下一體化檢測。3D模型可以在視覺上觀察室外溝渠附近的地形和地貌，同時計算底部和地面高程之間的差異。對于技術(shù)人員來說，直觀地了解整體環(huán)境的布局是有益的。這是為了方便施工管理和人員調(diào)配。以及方便觀察物料堆放位置，防止載物平臺負(fù)荷超重，監(jiān)測避免現(xiàn)場工作人員低效率施工，為員工創(chuàng)造健康安全的綠化施工區(qū)域。

建筑物密集的區(qū)域進(jìn)行無人機(jī)傾斜攝影測量是極為困難的，建筑物的遮擋問題是一直以來的難點。所以設(shè)計航路時必須要求設(shè)計者考慮建筑物的幾何結(jié)構(gòu)，不然會使得圖像的重疊程度不足，甚至建筑物交錯會時三維建模后的建筑物結(jié)構(gòu)連接到一起，同時遮擋關(guān)鍵的目標(biāo)建筑。所以要提高密集建筑物地區(qū)的飛行測量密度，最好要在百分之九十以上，建筑物高度過高時（比如達(dá)到飛行高度的四分之一），可以采用交叉飛行的方式，雖然降低效率，產(chǎn)生冗余的觀察，但是可以確保精確度，一般來說百分之九十的重疊率可以完全消除建筑物彼此遮擋問題。

同樣，提高重疊度的手段可以應(yīng)用到許多數(shù)據(jù)采集困難的地形，但是會增加航程降低效率，所以航路設(shè)計時要權(quán)衡數(shù)據(jù)質(zhì)量和測量作業(yè)效率。

3 結(jié)語

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)為建筑工程規(guī)劃，大比例尺地圖的測繪以及越來越多的領(lǐng)域提供地形勘察的有效處理手段，能夠為施工、設(shè)計、決策工作提供最宏觀，真實有效的科學(xué)數(shù)據(jù)，無論是準(zhǔn)確度還是效率成本都相對于傳統(tǒng)航空垂直攝影有了長足進(jìn)步，將原先的平面照片，變?yōu)槿S模型，更加直觀詳細(xì)，為工程帶來便利。同時由于其時效性強(qiáng)也能夠用于實時監(jiān)控的使用環(huán)境，比航空攝影更靈活，應(yīng)用廣泛，前景廣大。本文所討論的幾項參考標(biāo)準(zhǔn)還需要在具體的生產(chǎn)實踐中打磨，以填補(bǔ)我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的空缺，使我國的無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)國家建設(shè)。