無人機傾斜攝影在測量工程中的應(yīng)用分析

□ 羅安仲 黃海波 何遠芳 劉 芳

1??引言

21世紀(jì)，科技發(fā)展日新月異，對社會各行各業(yè)都產(chǎn)生了極為重要的影響，傾斜攝影測量便是其中之一。它是通過飛行平臺將傳感器搭載起來，搭載的傳感器數(shù)量并不限于1臺，完成影像的同步采集，從而獲得更為真實的地物方面的信息。這一技術(shù)具有自己獨特的優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用，在經(jīng)濟建筑的諸多領(lǐng)域都可以見到其身影。隨著傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展，對航攝效率、分辨率等提出了更嚴(yán)苛的要求，促進了其進一步的革新和發(fā)展，無人機傾斜攝影測量便是在此背景下誕生的。這一最新型的測量技術(shù)，將攝影測量的應(yīng)用提升到了一個新的高度。

2??相關(guān)概念概述

2.1 無人機攝影技術(shù)

無人機攝像技術(shù)指的是在無人機上搭載影像采集傳感器，從多個角度進行拍攝，主要從垂直和傾斜方向入手，其中垂直4個傾斜5個，從而使呈現(xiàn)出的世界更為真實和直觀。無人機傾斜技術(shù)的高速發(fā)展，使其具備的垂直和傾斜攝影技能得到了更為廣泛的應(yīng)用。通過對這兩種技術(shù)的比較，可以發(fā)現(xiàn)無人機傾斜技術(shù)相關(guān)工作者不用再佩戴一些專業(yè)設(shè)備如立體觀測眼鏡進行工作，而是通過自身的技術(shù)優(yōu)勢從各種角度來獲得分辨率更高的影像信息，且能生成數(shù)字三維模型，這些優(yōu)勢使其廣泛地應(yīng)用到應(yīng)急救災(zāi)搶險、城市管理以及數(shù)字城市建設(shè)過程中[1]。

2.2 傾斜攝影技術(shù)

近年來，測繪技術(shù)迅猛發(fā)展，傾斜攝影便是其一，作為一種新型的測繪技術(shù)，其讓拍攝的角度更為多元，不再局限于一個方向，通過搭載的傳感器，增加影像采集的角度，從而將用戶引入一個更為新奇的世界，使肉眼看到的更加真實。該技術(shù)研究的是區(qū)域各攝站點5個方向的影像，這5個方向分別為：垂直、左視、右視、前視和后視，以此來生成三維實景方面的模型，并展現(xiàn)被拍攝區(qū)域地物的大小、形狀、側(cè)面等特征。傳統(tǒng)的攝影測量主要是生產(chǎn)正射方面的影像并繪制各種類型的比例尺地圖；傾斜攝影測量除了具備上述功能之外，還能生產(chǎn)三維實景模型，對地物的縱橫斷面、側(cè)面等進行測量，并模擬三維場景，通過對地物的360度無死角的拍攝，提高了攝影測量的應(yīng)用范圍[2]。

2.3 工作原理

在無人機的飛行平臺上安裝多臺數(shù)碼相機，從垂直和傾斜角度拍攝，并收集高分辨率的圖像。其中，5個鏡頭的傾斜拍攝較為常見，結(jié)合兩個數(shù)據(jù)類型（像控點數(shù)據(jù)、POS 數(shù)據(jù)），并通過對相關(guān)軟件的利用來對模型、技術(shù)等進行處理，這便是這一攝影技術(shù)蘊含的工作原理。

3??技術(shù)的特征概述

3.1 技術(shù)方面

無人機傾斜攝影技術(shù)對待測目標(biāo)的拍攝更為真實、直觀，主要是源于其搭載了多個攝影頭，可以從不同的角度拍攝，并能獲得待測目標(biāo)的頂部、側(cè)面的相關(guān)信息。此外，該技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比，在操作方面也有了明顯的進步，不僅操作更為簡便，且續(xù)航和載重方面都有了較大進步。與此同時，傾斜攝影無人機搭載的是遙感探測技術(shù)，極大地縮短了攝像時間，提高了測繪工作的效率、效果和效益[3]。

3.2 鏡頭方面

鏡頭是拍攝的基礎(chǔ)，為了拍出更為直觀和真實的照片可采用傾斜攝影無人機，通過搭載一組或多組的鏡頭來節(jié)約成本。一般來說，多組鏡頭與單組鏡頭相比，像素較低，一般為2000萬像素，而單組鏡頭則達到了3500萬的像素；與此同時，相機的曝光時間也會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，相比較而言，時間會縮短。為了讓多組鏡頭更好地工作，傾斜攝影無人機需要搭載更大容量的電池，一般而言，其工作的時間多于90min。

4???技術(shù)優(yōu)勢分析

4.1 多角度采集信息

垂直攝影指的是從垂直角度進行拍攝，角度呈現(xiàn)較為單一，獲得信息的能力也較為低下。無人機傾斜攝影技術(shù)則有效改變了這一狀況，通過在多個角度安裝攝像頭，可以對待測目標(biāo)進行更多維度的觀察，也能有效獲取目標(biāo)的側(cè)面信息，突破了傳統(tǒng)垂直攝影的局限性。從多個角度得到的信息為后續(xù)的測繪工作打好了基礎(chǔ)，有效提高了三維測繪水平和效率。

4.2 對待測目標(biāo)進行還原

在測量工程中，對待測目標(biāo)進行還原也是工作中的重要一環(huán)，可以讓后續(xù)工作進展更為順利。垂直攝影方式由于拍攝角度的問題，往往無法對待測目標(biāo)的側(cè)面信息進行拍攝，這就會讓還原工作面臨著種種困難。無人機傾斜攝影技術(shù)恰恰解決了這一問題，通過對待測目標(biāo)側(cè)面和頂面信息的采集，從角度、高度等進行全面的呈現(xiàn)，提高了還原工作效率。

4.3 讓成像更為真實和清晰

傾斜攝影搭載的攝影頭無論是成像能力還是影像自身的分辨率都比垂直攝影要高，此外，其還能清晰地呈現(xiàn)出待測目標(biāo)的紋理，這對于分析目標(biāo)的特征、工作周圍的環(huán)境都具有積極影響。

5??具體應(yīng)用

5.1 在航線設(shè)計方面的應(yīng)用

無人機傾斜攝影與垂直攝影相比，具有多角度采集影像數(shù)據(jù)的特征，因此，其可以展開對無人機的鏡頭和待測目標(biāo)距離、飛行高度等方面數(shù)據(jù)的計算，有利于提高計算的準(zhǔn)確性，讓航線設(shè)計工作有了新的指導(dǎo)方向，提高了航線設(shè)計的工作效率。

5.2 在地面觀測方面的應(yīng)用

在測量工程中，地面觀測是其重要的工作環(huán)節(jié)之一。進行地面觀測時，不僅需要對地面的平面特征進行觀測，還需要對地面的狀態(tài)、存在的目標(biāo)等進行觀測。傳統(tǒng)的垂直攝影在觀測時，往往只能從頂部入手，而無法觀測到其他的信息，如與地面高度方面的信息。傾斜攝影技術(shù)的多角度拍攝特征，可以獲知地面高度的變化。這些信息對于測繪人員來說具有重要的作用，通過為其提供高度信息，可以使測繪人員對地面不同高度的目標(biāo)分析更為準(zhǔn)確，也有利于提高其測繪分析的效率。

5.3 在GPS 布設(shè)方面的應(yīng)用

在測量工程中，GPS布設(shè)也是其中關(guān)鍵的一環(huán)，有利于實現(xiàn)無人機攝像數(shù)據(jù)的同步，是提高工作效率和效果的重要途徑。想要實現(xiàn)這一目標(biāo)，就需要對GPS布設(shè)的精度有著嚴(yán)格要求。在完成GPS布設(shè)后，接下來要做的工作便是接收信號，可以說信號接收是在完成GPS布設(shè)的基礎(chǔ)上進行的，目的在于更順暢地接收測繪方面的數(shù)據(jù)。無人機在接收信號前，首先應(yīng)保障其具有充足的供電，對于傳統(tǒng)的垂直攝影方式而言，由于得到信息密度較低，需要擴大面積來完成對待測目標(biāo)的攝影，無疑會延長攝影時間，因而需要無人機擁有更充足的供電。傾斜攝影是以多種攝影模組的形式存在的，可以用更少的拍攝次數(shù)來進行多角度的拍攝，大大縮短了攝影工作時間，能夠有效降低無人機在供電方面的壓力，擴大其攝影工作的范圍，讓GPS布設(shè)的工作效率提高到一個新的等級。

5.4 在數(shù)據(jù)處理方面的應(yīng)用

無人機在攝影完成后，需要對攝影采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，從而為后續(xù)工作的順利開展奠定扎實的基礎(chǔ)。傾斜攝影技術(shù)與傳統(tǒng)攝影技術(shù)相比，能夠從多個角度來獲取等待測試目標(biāo)的信息，有效增加了數(shù)據(jù)處理的維度，獲得更多的參考信息，大大提高了數(shù)據(jù)處理工作的效率和效果。此外，由于傾斜攝影技術(shù)搭載了預(yù)處理系統(tǒng)，可在攝影完成后利用這一處理系統(tǒng)來對數(shù)據(jù)進行初步處理，一些無效的數(shù)據(jù)能被有效剔除，大大提高了POS數(shù)據(jù)處理效率，使其精度和速度都提升到了一個新的高度。

具體來說，無人機數(shù)據(jù)處理使用的軟件共包括兩類，分別為Smart3D4.4.9、EPS2016三維測圖軟件。這兩種軟件具有不同的工作原理，如Smart3D軟件構(gòu)建三維實景的模型和測區(qū)正射影像的數(shù)據(jù)來源于無人機影像；EPS2016三維測圖軟件則是根據(jù)測區(qū)正射影像、三維實景模型來進行三維的測圖。

相關(guān)工作者在處理無人機的影像前，首先要做的是對采集到的影像數(shù)據(jù)的處理工作，如篩選、剔除，將曝光度較高、成像模糊或重復(fù)的影像進行刪除處理，否則Smart3D軟件的處理工作將無法順利完成；其次，便是對像控點的處理，可將其刺在影像上，并對空中的三角測量加以處理。在進行這部分工作時，由于POS數(shù)據(jù)會自動寫進影像中，因此處理時無須再將POS數(shù)據(jù)導(dǎo)入，而是處理完像控點之后就可以進行空中三角測量的處理。此外，還可以從工程的實際需要出發(fā)，來對Smart3D軟件的參數(shù)進行設(shè)置，軟件便會自動構(gòu)建；最后，利用EPS2016軟件讓二三維聯(lián)動起來對地形圖進行繪制。這樣的測量方法能夠提高測量的精度，降低地理環(huán)境對其的影響，提高其數(shù)據(jù)處理效率。無人機數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 無人機數(shù)據(jù)處理流程

5. 5 在質(zhì)量控制方面的應(yīng)用

傾斜攝影技術(shù)的信息來源更加豐富，這對于提高質(zhì)量控制效率來說具有重要的作用，同時也是提高測繪精度的重要途徑。傾斜攝影的質(zhì)量控制主要包括：在數(shù)據(jù)獲取中的質(zhì)量控制、對數(shù)據(jù)本身的質(zhì)量控制。

5.5.1 數(shù)據(jù)獲取控制

無人機在攝影中獲得的數(shù)據(jù)較多，影響數(shù)據(jù)獲取的因素眾多，如攝影時間、角度、高度等。傾斜攝影技術(shù)由于能夠從不同的角度來拍攝，通過對其進行對比、分析，可以大大提高測量工程中的無人機成像質(zhì)量。與此同時，通過預(yù)先設(shè)計航線，保障了所拍攝的影像質(zhì)量，當(dāng)其不符合測量方面的要求時，可以通過補拍的方式，來降低測量工程工作中的誤差。

5.5.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

數(shù)據(jù)質(zhì)量對于測量工程來說至關(guān)重要，是決定其水平高度的重要因素。當(dāng)無人機在拍攝完成后，POS可對GPS 數(shù)據(jù)和拍攝的數(shù)據(jù)進行處理、分析，在此過程中，一些不連續(xù)的數(shù)據(jù)能夠得到有效的補充。傾斜攝影可以大大提高數(shù)據(jù)的處理質(zhì)量，可以使相關(guān)的數(shù)據(jù)信息更全面、更精確，因此，數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)垂直攝影技術(shù)相比，出現(xiàn)的不連續(xù)數(shù)據(jù)較少。與此同時，由于信息密度較大，也會大大提高數(shù)據(jù)補全工作效率[4]。

6??結(jié)語

無人機傾斜攝影技術(shù)作為一種新型技術(shù)，在現(xiàn)代測量中發(fā)揮著重要的作用。本文對其具體應(yīng)用進行了重點探究。無人機傾斜攝影技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用，具體體現(xiàn)在航線設(shè)計、地面觀測、GPS布設(shè)、數(shù)據(jù)處理以及質(zhì)量控制等方面。傾斜攝影無人機以搭載的多組鏡頭優(yōu)勢，可以對需要測定的目標(biāo)進行多角度的拍攝，在提升信息密度的同時，也能使呈現(xiàn)的影像更為立體和直觀。