基于無人機(jī)技術(shù)構(gòu)建三維實(shí)景智慧園區(qū)的應(yīng)用研究

馬德明，付 帥，任寧寧，付 蓉，王廷剛

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730207）

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 無人機(jī)技術(shù)及其在地理信息數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

無人機(jī)技術(shù)是指通過遙控或自主控制的方式操縱無人飛行器進(jìn)行目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。隨著科技的發(fā)展和不斷完善，無人機(jī)已經(jīng)成為一種高效準(zhǔn)確的地理信息數(shù)據(jù)采集工具。無人機(jī)可以配備多種傳感器，如攝像頭、激光雷達(dá)等，可在較短時(shí)間內(nèi)獲取較為豐富的地理信息數(shù)據(jù)。例如，在城市規(guī)劃中，無人機(jī)可快速準(zhǔn)確地獲取現(xiàn)場三維坐標(biāo)信息，以及建筑物、道路、綠化、水系等地理信息，對城市規(guī)劃有著非常重要的指導(dǎo)意義。在地理信息采集中，無人機(jī)可以完成很多傳統(tǒng)方法難以完成的任務(wù)，例如，對危險(xiǎn)地形區(qū)域的調(diào)查、對大片森林的監(jiān)測等。相較于傳統(tǒng)的地面測量，無人機(jī)具有高效、節(jié)省人力和物力、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，不僅能夠減少人力資源和時(shí)間成本，還能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。然而，無人機(jī)也存在一些局限性，如受限于電量和載荷的限制，其持續(xù)飛行時(shí)間和承載能力亟待提升[1]。

1.2 三維激光掃描技術(shù)及其在三維建模中的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)是一種利用激光、光學(xué)技術(shù)，將物體表面的三維幾何信息數(shù)字化的技術(shù)。通過三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度地獲取物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其應(yīng)用范圍非常廣泛，包括工業(yè)設(shè)計(jì)、工程制作、文化遺產(chǎn)保護(hù)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。其中，在三維建模方面，三維激光掃描技術(shù)也具有廣泛的應(yīng)用。在三維建模中，傳統(tǒng)的建模方法需要手動測量并記錄物體的各種參數(shù)和數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行建模。而采用三維掃描技術(shù)可以直接獲得物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，快速、精確地完成三維建模過程。此外，三維激光掃描技術(shù)還能夠捕捉物體的表面細(xì)節(jié)，可以更加真實(shí)地展示物體的形態(tài)和外貌，使得建模結(jié)果更加逼真。

1.3 智慧園區(qū)概念、特點(diǎn)和發(fā)展趨勢

智慧園區(qū)是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，將園區(qū)內(nèi)的各種信息、設(shè)備、系統(tǒng)等有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)管理和服務(wù)智能化的一種新型城市空間。智慧園區(qū)具有多元化、智能化、可持續(xù)性和開放性等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸、城市安全、公共服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域。在未來，智慧園區(qū)的發(fā)展趨勢主要有數(shù)據(jù)價(jià)值化、產(chǎn)城融合、數(shù)據(jù)安全和開放合作等方向。智慧園區(qū)將通過數(shù)字技術(shù)等手段，提升城市的生產(chǎn)力和管理效率，推動城市可持續(xù)發(fā)展，成為未來城市發(fā)展的重要形態(tài)。

2 基于無人機(jī)技術(shù)的三維實(shí)景智慧園區(qū)構(gòu)建流程

2.1 數(shù)據(jù)采集及處理階段

2.1.1 無人機(jī)飛行路徑和參數(shù)優(yōu)化

無人機(jī)飛行路徑和參數(shù)優(yōu)化是無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中的重要研究方向之一。在實(shí)際應(yīng)用中，針對不同的任務(wù)需求和環(huán)境情況，可以設(shè)置不同的飛行路徑和參數(shù)，并通過優(yōu)化來提高飛行效率和任務(wù)執(zhí)行能力。對于飛行路徑的設(shè)置，一般分為固定路徑和動態(tài)路徑兩種模式。固定路徑模式適用于需要按照預(yù)設(shè)的路徑進(jìn)行巡檢或調(diào)查的任務(wù)，如工業(yè)園區(qū)或城市街道的巡檢等。在這種模式下，可以通過預(yù)設(shè)的飛行路徑來實(shí)現(xiàn)自主飛行，同時(shí)可以利用遙控器等方式進(jìn)行手動控制。而動態(tài)路徑模式則適用于需要根據(jù)實(shí)時(shí)變化的環(huán)境情況進(jìn)行調(diào)整的任務(wù)，如搜索救援、災(zāi)害評估等。在這種模式下，無人機(jī)可以根據(jù)任務(wù)需要實(shí)時(shí)調(diào)整飛行路徑，以提高任務(wù)執(zhí)行效率和準(zhǔn)確性。本研究由于是針對高層建筑的巡檢，我們可以采用固定路徑模式，設(shè)置一個(gè)環(huán)繞全建筑的長方形飛行路徑。在具體實(shí)踐中，這個(gè)路徑可以由預(yù)設(shè)的GPS坐標(biāo)點(diǎn)、標(biāo)志物等進(jìn)行標(biāo)記。在參數(shù)設(shè)置與優(yōu)化方面，首先，我們需要確定無人機(jī)巡檢時(shí)的最佳速度。在此條件下，需要考慮到任務(wù)時(shí)間和空氣阻力兩個(gè)因素。假設(shè)我們將無人機(jī)的速度設(shè)置為6米/秒，這能夠在30分鐘內(nèi)完成全面的巡視任務(wù)；如果將速度提高到8米/秒，則只需要20分鐘就可以完成任務(wù)。但是，速度過快會導(dǎo)致空氣阻力增大、飛行穩(wěn)定性降低等問題，因此需要適當(dāng)平衡速度和其他因素。其次，我們需要確定無人機(jī)巡檢時(shí)的最佳高度。在此條件下，需要考慮圖像分辨率和安全性兩個(gè)因素。假設(shè)我們將無人機(jī)的高度設(shè)置為50米，這在保證圖像清晰度的同時(shí)也足夠避免撞擊高層建筑物。同時(shí)，也需要考慮天氣和風(fēng)力等環(huán)境因素，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整[2]。

2.1.2 影像數(shù)據(jù)處理及拼接

影像數(shù)據(jù)處理及拼接是無人機(jī)應(yīng)用中非常重要的一步。經(jīng)過攝像頭拍攝得到的多個(gè)影像片段需要進(jìn)行處理和拼接，以得到全景圖或三維模型等更有價(jià)值的結(jié)果。在影像處理中，首先需要對原始影像進(jìn)行預(yù)處理，包括鏡頭畸變校正、圖像去噪和顏色校正等。這可以提高影像質(zhì)量，減少后續(xù)處理所需時(shí)間。其次，將預(yù)處理后的影像進(jìn)行分割，按照場景、拍攝角度等因素進(jìn)行分組，方便后續(xù)處理。再次，對每組影像進(jìn)行特征提取，例如提取出每張影像的SIFT特征點(diǎn)等。第四，對特征進(jìn)行匹配，得到影像之間的對應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行對齊操作，使不同影像的角度、尺度、光照等因素保持一致。最后，對已對齊的影像進(jìn)行融合，得到一個(gè)完整的全景圖或三維模型。在拼接過程中，首先需要將多張影像在水平方向進(jìn)行拼接，得到一張覆蓋范圍更廣、角度更寬的全景圖。其次，還需要將不同角度或高度拍攝得到的影像進(jìn)行立體拼接，得到一個(gè)三維模型。需要說明的是，拼接過程中可能會出現(xiàn)一些問題，如圖像重疊度低、光照變化等，這需要通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化來解決。

2.1.3 三維建模及質(zhì)量檢驗(yàn)

本文中的三維建模需求是對某地區(qū)進(jìn)行高精度建模，包括地形數(shù)據(jù)和建筑物模型等信息，采用的數(shù)據(jù)包括無人機(jī)拍攝的影像數(shù)據(jù)和激光雷達(dá)測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。具體的建模方式包括對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變校正和顏色校正，利用激光雷達(dá)測量得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行密集匹配，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三角面片從而得到表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維建模結(jié)果，結(jié)合數(shù)字高程模型得到高精度的地形數(shù)據(jù)建模，通過在已有建筑物數(shù)據(jù)庫中查找相關(guān)信息，將建筑物模型嵌入到三維建模結(jié)果中，從而得到高精度的建筑物模型。針對這些建模結(jié)果，可以采用四元數(shù)測量、最小二乘法以及局部誤差檢測等方式進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，評估地形數(shù)據(jù)和建筑物模型的精度、正確性、穩(wěn)定性和擬合度，提高建模結(jié)果的精度和可靠性。

2.2 平臺開發(fā)及應(yīng)用階段

2.2.1 智慧校園App服務(wù)平臺設(shè)計(jì)

智慧園區(qū)App服務(wù)平臺通過無人機(jī)低空傾斜攝影測量技術(shù)、Context Capture軟件平臺、高清數(shù)碼五拼相機(jī)系統(tǒng)等技術(shù)，并結(jié)合5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線瀏覽三維實(shí)景智慧校園的功能。該平臺具體實(shí)現(xiàn)的功能包括：通過5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程查看實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻、繪制電子圍欄等安全防護(hù)措施、實(shí)時(shí)查詢公共設(shè)施使用情況、導(dǎo)航到目的地、在線查看校園地圖、查詢教學(xué)樓、宿舍樓等建筑物信息，以及實(shí)現(xiàn)聽取語音講解等多種功能。同時(shí)，該App平臺也提供在線反饋建議和問題解決服務(wù)，以提升用戶體驗(yàn)。

2.2.2 多元化屬性與語音講解功能實(shí)現(xiàn)

多元化屬性和語音講解功能是三維實(shí)景智慧校園服務(wù)平臺的重要組成部分。為了實(shí)現(xiàn)這些功能，該平臺采用了多種技術(shù)，包括語音識別、人工智能、自然語言處理等。在實(shí)現(xiàn)多元化屬性方面，該平臺利用無人機(jī)低空傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行影像數(shù)據(jù)采集，通過Context Capture軟件平臺實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)處理，并生成高精度、高清晰度、高分辨率的數(shù)字正射影像圖（DOM）和三維實(shí)景模型。通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)注和分類，平臺實(shí)現(xiàn)了對建筑物、道路、綠化等多種屬性的標(biāo)注和查詢功能。為了方便用戶使用，平臺還提供語音導(dǎo)航、搜索、評論等功能。在實(shí)現(xiàn)語音講解功能方面，平臺采用語音識別技術(shù)和自然語言處理技術(shù)。用戶可以通過平臺上的語音識別功能進(jìn)行語音提問和語音控制，平臺通過將用戶的語音轉(zhuǎn)換為文本形式，再采用自然語言處理技術(shù)進(jìn)行文本分析，最終完成相應(yīng)的操作或回答用戶的問題。

2.2.3 智慧園區(qū)應(yīng)用場景分析與實(shí)踐

智慧園區(qū)應(yīng)用場景非常廣泛，可以應(yīng)用于校園、工業(yè)園區(qū)、城市公共空間等多種場景。在校園應(yīng)用方面，智慧園區(qū)可以通過建立實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)、電子圍欄等安全防范措施，提高校園安全性；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)公共設(shè)施的在線查詢和使用情況監(jiān)測，提升設(shè)施利用率；并且利用三維實(shí)景技術(shù)，為師生提供更加可視化、直觀化的校園導(dǎo)航服務(wù)。在工業(yè)園區(qū)應(yīng)用方面，智慧園區(qū)可以應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測、生產(chǎn)自動化、能源管理等功能，提高工業(yè)園區(qū)效益和管理水平。同時(shí)，通過三維實(shí)景技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑物檢測、安全巡檢等功能，提高工業(yè)園區(qū)的可持續(xù)發(fā)展能力。綜上，智慧園區(qū)在各個(gè)應(yīng)用場景中都具有廣泛的應(yīng)用前景。通過運(yùn)用多種技術(shù)手段，如物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、三維實(shí)景等，可以實(shí)現(xiàn)對校園、工業(yè)園區(qū)的全方位監(jiān)測、管理和服務(wù)，提高效率、降低成本、提升用戶體驗(yàn)[3]。

3 板塊應(yīng)用案例分析

以某高校校園為例，其針對智慧園區(qū)建設(shè)，利用物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)板塊的應(yīng)用。首先，針對安全防范板塊，該校采用了智能安防系統(tǒng)，在校園內(nèi)部和周邊設(shè)置多個(gè)安防監(jiān)控點(diǎn)，使用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警，提高了校園安全保障水平。其次，針對教學(xué)與科研板塊，該校利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化的實(shí)驗(yàn)室管理，通過傳感器對實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、維修和管理，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室的自動化運(yùn)行。同時(shí)，該校還開發(fā)了線上教學(xué)平臺，實(shí)現(xiàn)了在線教學(xué)、在線作業(yè)等功能，提高了教學(xué)效率和體驗(yàn)。再次，針對生活服務(wù)板塊，該校采用了移動支付、智能門禁等技術(shù)，為師生提供了便捷的校園生活服務(wù)。同時(shí)，該校采用了三維實(shí)景技術(shù)，建立了校園數(shù)字化平臺，為師生提供準(zhǔn)確的地圖位置、景點(diǎn)瀏覽等服務(wù)。以上各個(gè)板塊應(yīng)用案例的實(shí)現(xiàn)，為該高校打造智慧園區(qū)提供了有效的管理和服務(wù)手段，優(yōu)化了校園環(huán)境，提升了教學(xué)質(zhì)量和師生體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

隨著科技的不斷進(jìn)步，智慧園區(qū)App服務(wù)平臺已經(jīng)成為推動校園現(xiàn)代化建設(shè)的重要工具。通過三維建模和質(zhì)量檢驗(yàn)等技術(shù)手段，智慧園區(qū)App服務(wù)平臺可以讓用戶在在線瀏覽三維實(shí)景智慧校園時(shí)獲得更高精度和可靠性的信息。同時(shí)，智慧園區(qū)App服務(wù)平臺還結(jié)合無人機(jī)低空傾斜攝影測量技術(shù)、激光雷達(dá)測量以及語音識別和自然語言處理技術(shù)等新興技術(shù)，為用戶提供更加便捷、快速的使用體驗(yàn)。

未來，智慧園區(qū)App服務(wù)平臺還將繼續(xù)發(fā)揮其在校園現(xiàn)代化建設(shè)中的重要作用，不斷完善平臺功能，提升服務(wù)水平。同時(shí)，隨著學(xué)生對于校園環(huán)境和信息的需求逐漸增加，智慧園區(qū)App服務(wù)平臺也將不斷探索新的技術(shù)手段和應(yīng)用場景，為廣大用戶提供更多元、豐富的校園服務(wù)?！?/p>