智慧城市建設(shè)中無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用分析

王鵬飛 劉陽

摘要：智慧城市建設(shè)具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，對(duì)城市測量數(shù)據(jù)的精度有嚴(yán)格要求，傳統(tǒng)測量技術(shù)效率低，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足，難以滿足智慧城市建筑的需求。而無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)是一種新型的測量技術(shù)，將其應(yīng)用到智慧城市建設(shè)中，可提供更加全面、真實(shí)、有效的城市信息數(shù)據(jù)，再利用BIM軟件或者其他軟件系統(tǒng)，就能建立起三維立體化的智慧城市建設(shè)模型，為建設(shè)智慧城市提供必要的數(shù)據(jù)支持和參考，對(duì)促進(jìn)城市發(fā)展，合理規(guī)劃布局等方面都有非常重要的作用，值得大范圍推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智慧城市無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)飛行平臺(tái)空三測量

中圖分類號(hào)：P231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1672-3791（2022）04（a）-0000-00

Application Analysis of UAV Tilt Photogrammetry Technology in Smart City Construction

WANG PengfeiLIU Yang

（Hebei JiuhuaExploration and Mapping Co.， Ltd.， Baoding， Hebei Province， 071000 China）

Abstract：The construction of smart city is very complex， and the precision of urban measurement data is strictly required， the traditional measurement technology is inefficient， the accuracy of measurement data is insufficient， and it is difficult to meet the demand of smart city building. And the UAV tilt photogrammetry technology is a new type of measurement technology， which can provide more comprehensive， real and effective city information data when applied to the smart city construction， and then use BIM software or other software system， it will be able to set up a three-dimensional intelligent city construction model， provide necessary data support and reference for building a smart city， and play a very important role in promoting urban development， rational planning and layout， etc. ， it is worth popularizing and applying in a large scale.

Key Words：Smart city; Unmanned Aerial Vehicle; Tilt table photogrammetry; Flight platform; Aerial three-dimensional survey

在信息化時(shí)代，城市建設(shè)正在如火如荼地進(jìn)行，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)、5G技術(shù)的不斷發(fā)展，為建設(shè)智慧城市提供了新的技術(shù)支持。但建設(shè)智慧城市，不僅僅需要新技術(shù)的支持，更加需要真實(shí)、精確的城市測量數(shù)據(jù)和信息。城市高樓林立，道路更加錯(cuò)綜復(fù)雜，傳統(tǒng)測量技術(shù)具有很強(qiáng)的局限性，通視性能比較差，難以全面獲得城市信息。而采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)則可以有效解決這一問題，既能提升城市測量的效率，也可以降低城市發(fā)展對(duì)測量的影響，而且測量數(shù)據(jù)精度比較高，可為智慧城市建設(shè)提供必要的參考和指導(dǎo)?；诖?，開展智慧城市建設(shè)中無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用分析就顯得尤為必要。

1無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)分析

（1）可實(shí)現(xiàn)單張攝影測量。利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)配合相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，可對(duì)城市地物的高度、長度、面積、角度、坡度等進(jìn)行詳細(xì)測量，并形成單張影像，為智慧城市建設(shè)提供更多的數(shù)據(jù)支持。

（2）可真實(shí)反映城市結(jié)構(gòu)布局，以及所有事物的真實(shí)情況。和傳統(tǒng)正射影像相比，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)能夠從多個(gè)角度觀察城市事物，從而更加真實(shí)地反映出事物的實(shí)際情況，提升智慧城市建設(shè)的科學(xué)性合理性。

（3）可采集城市地物的側(cè)面信息。在智慧城市建設(shè)中，應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模成圖，批量提取城市的紋理信息，提升智慧城市建設(shè)的速度，降低成本。

2無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成分析

2.1無人機(jī)飛行平臺(tái)

城市地形起伏變化明顯，高樓林立，植被樹木叢生，無人機(jī)飛行難度大?？紤]到城市測區(qū)對(duì)無人機(jī)起降、飛行高度的需求，在具體測量中可采取具有小場起降能力，且飛行過程比較穩(wěn)定的旋翼無人機(jī)，配置穩(wěn)定的飛行系統(tǒng)，以同步記錄無人機(jī)飛行拍攝的具體位置和姿態(tài)。此種無人機(jī)飛行平臺(tái)具有可靠性高、操作簡單、起飛和著陸穩(wěn)定性等特點(diǎn)。

2.2傳感器

為建設(shè)智慧城市三維立體模型，傳感器需要能夠獲得目標(biāo)在地物各方向的實(shí)景影像信息，以保證獲得影像的完整性和可用性。在無人機(jī)傾斜攝影測量中獲取地物的角度通常在45°左右。因此，傳感器可選擇輕型航空器外掛攝影吊艙云臺(tái)，五相機(jī)一體化穩(wěn)定系統(tǒng)[1]。

2.3數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

無人機(jī)傾斜攝影測量中會(huì)獲得大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有的是有價(jià)值，有用的數(shù)據(jù)，而有的則無用的數(shù)據(jù)，需要利用Photomesh軟件進(jìn)行處理，此數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是在Smart3D的基礎(chǔ)上研發(fā)出來的，既能在單機(jī)上運(yùn)行，也可以采取集群方式對(duì)三維影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1案例分析

某城市的面積為1.24萬km2，為契合時(shí)代發(fā)展要求，建立起智慧城市，用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)來獲得城市現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，包括：5cm分辨率的航空影像數(shù)據(jù)、傾斜影像數(shù)據(jù)、城市建設(shè)三維模型等。需要用到的硬件設(shè)備包括：3套計(jì)算機(jī)工作站，2架OS-M8無人機(jī)，一用一備，2臺(tái)中海達(dá)V60 RTK，1輛工具車，4套Smart 3D軟件，2套航空遠(yuǎn)景軟件，2套Photomesh數(shù)據(jù)處理軟件，若干計(jì)算機(jī)和辦公軟件。

3.2設(shè)備選型和技術(shù)要求

在案例城市吃無人機(jī)傾斜攝影測量中，采取了中海達(dá)OS-M8八旋翼無人機(jī)，自重只有7.1kg，旋翼軸距為1280mm，旋翼的長度為18寸，續(xù)航時(shí)間在30～45min之間，最大載重量為5kg，控制半徑為10km，巡航速度在0～12m/s之間，升降速度在2～10m/s之間，飛行溫度在-10℃～40℃之間，最大抗風(fēng)等級(jí)為6級(jí)，自主飛行，雙星雙控，能夠滿足本次無人機(jī)傾斜攝影測量的需求。

相機(jī)選擇5鏡頭傾斜攝影測量相機(jī)，東西南北各布置一個(gè)鏡頭，最后一個(gè)垂直布置，傾斜角度為45°，自重為2.1kg，焦距為10.4mm，像素1億，可同步記錄曝光點(diǎn)POS數(shù)據(jù)信息、GPS數(shù)據(jù)信息，最大分辨率為2cm，攝影環(huán)境溫度在-10℃～40℃之間，滿足該次測量的要求。

在無人機(jī)傾斜攝影測量中以無人機(jī)作為遙感傳感器的飛行平臺(tái)，在機(jī)身上搭載傳感器，近地面對(duì)測區(qū)進(jìn)行航攝，按照無人機(jī)的飛行姿態(tài)，對(duì)拍攝的影像進(jìn)行解算和拼接，從而得到測區(qū)地物的各種信息，得到用于繪制1：500地形圖和數(shù)字傾斜影像圖的立體影像。航攝相對(duì)于航高的計(jì)算公式如下：

此公式中H表示無人機(jī)航攝的高度（m）;f表示相機(jī)鏡頭焦距（mm）;GSD表示地面分辨率（mm）;a表示像元尺寸（mm）。在整個(gè)無人機(jī)傾斜攝影測量過程中，像片的重疊度、傾斜角、旋偏角、航線的彎曲度等都必須滿足《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》中的要求，以保證無人機(jī)傾斜攝影測量的準(zhǔn)確性，為智慧城市建設(shè)提供必要的數(shù)據(jù)支持。

3.3布設(shè)航線

布設(shè)航線也是應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的關(guān)鍵工序，航線是否合理，直接關(guān)系到測量的準(zhǔn)確性和全面性。因此，在案例城市無人機(jī)傾斜攝影測量中，航線主要是按照測區(qū)走向直線方法進(jìn)行布設(shè)，以保證測區(qū)影像的有效性。但考慮到傾斜攝影相機(jī)的拍攝角度為45°，為保證邊緣物體立體成像效果，要保證航線覆蓋測區(qū)邊緣界線至少250m。案例城市測區(qū)范圍比較大，且形狀不規(guī)則，為避免航線太長，影響測量的準(zhǔn)確，可分為多個(gè)測區(qū)布設(shè)航線。

3.4航飛作業(yè)

考慮到當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和地形變化條件，在本次無人機(jī)傾斜攝影測量中集中在上午8點(diǎn)到下午5點(diǎn)，以降低相片中的陰影面積，如果遇到大風(fēng)天、陰雨天、霧霾天要避免飛行，以保證無人機(jī)安全。通過GPS導(dǎo)航設(shè)計(jì)航跡坐標(biāo)，若采取了分區(qū)測量的方法，則航向航線重疊至少1張像片，像片的重疊不小于80%，旁向航線重疊也要至少重疊一條航線，像片的重疊度不小于70%。無人機(jī)傾斜攝影測量中像片傾角通常情況下不宜超過5°，最大不應(yīng)超過12°。旋角通常不宜大于15°，最大不應(yīng)超過30°，以保證像片能夠滿足制作1：500傾斜影像圖的需求[2]。

為保證無人機(jī)傾斜攝影測量質(zhì)量，在正式航飛之前，需要對(duì)測區(qū)的地形、氣象、交通等進(jìn)行詳細(xì)了解，并對(duì)實(shí)施方案進(jìn)行審核，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整，做好進(jìn)場前的準(zhǔn)備工作。無人機(jī)操作人員，要了解測區(qū)空域情況，豎向周邊機(jī)場位置和空中管制的要求。嚴(yán)格按照GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的指引進(jìn)行飛行，保證飛行的平穩(wěn)性，偏角和傾斜度要控制在允許范圍中[3]。

3.5選擇像控點(diǎn)

在本次無人機(jī)傾斜攝影測量中，布設(shè)了五個(gè)鏡頭，每個(gè)鏡頭都是獨(dú)立的，要從每個(gè)鏡頭的正射像片中選擇測區(qū)的像控點(diǎn)。像控點(diǎn)選擇是否準(zhǔn)確，直接關(guān)系到測圖的準(zhǔn)確性，因此，選擇像控點(diǎn)時(shí)，必須選擇紋理分明的點(diǎn)位作為像控點(diǎn)，為保證像控點(diǎn)選擇的精度，在本次無人機(jī)傾斜攝影測量中采用GPS技術(shù)獲得像控點(diǎn)，測量誤差控制在5cm以下。除測量精度之外，影像目標(biāo)精度也會(huì)影響像控點(diǎn)的選擇精度，這就需要測量人員盡量選擇紋理明顯、對(duì)空通視、位置平坦的點(diǎn)位作為像控點(diǎn)[4]。如果測區(qū)沒有找到明顯紋理的地物，則需要先布設(shè)像控點(diǎn)目標(biāo)，以提升像控點(diǎn)選擇的精度。在室內(nèi)找到像控點(diǎn)之后，在室外做好標(biāo)記，再回到室內(nèi)對(duì)各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行整理。

3.6數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理中，由于在本次無人機(jī)傾斜攝影測量中，裝設(shè)了5個(gè)鏡頭，傾斜拍攝的角度為45°，每個(gè)鏡頭拍攝的角度不同，存在光線反差、強(qiáng)度不一致的問題，得到的像片也就存在色彩、明暗度不同的問題，從而影響智慧城市三維建模的效果。為解決這一問題，就需要在影像質(zhì)量檢查階段以及Mosaic階段調(diào)整影像的色彩[5]。

空三測量是無人機(jī)傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理的核心環(huán)節(jié)。為保證空三測量的準(zhǔn)確性，可從以下幾個(gè)方面同時(shí)入手。

（1）做好數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。按照測區(qū)范圍所選擇的影像，整理各項(xiàng)數(shù)據(jù)，分析相機(jī)文件，得到焦距、像素等數(shù)據(jù)。并確定毫無人跡飛行的方向?qū)τ跋襁M(jìn)行旋轉(zhuǎn)，對(duì)元素掃描影像文件進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s處理，以提高空三測量運(yùn)算的速度。

（2）在Smart 3D Capture軟件中創(chuàng)建智慧城市建模工程，然后逐步道路預(yù)處理的傾斜影像、POS成果、像控成果等數(shù)據(jù)。并進(jìn)行影像自動(dòng)匹配，可通過同名光線匹配影像左右片的同名點(diǎn)，對(duì)那些特殊地形地貌或者陰影區(qū)域，連接點(diǎn)不足的情況，要防護(hù)增加此處的相對(duì)定向點(diǎn)重新匹配[6]。

（3）通過空三解算得到無人機(jī)傾斜攝影測量所需的像素，在立體顯示環(huán)境下，結(jié)合外業(yè)控制點(diǎn)像片以及標(biāo)記點(diǎn)，對(duì)各個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行精確量測。得到的控制點(diǎn)再進(jìn)行絕對(duì)空三解算，就能得到定向點(diǎn)的殘差和檢查點(diǎn)的誤差，再根據(jù)城市無人機(jī)傾斜攝影測量的實(shí)際需求，就能得到不同格式的模型數(shù)據(jù)。

3.7構(gòu)建三維模型

通過數(shù)據(jù)處理后就能得到采取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常大，為降低建模難度，需要采取切塊分割的方法，將無人機(jī)傾斜攝影測量得到數(shù)據(jù)分割成多個(gè)小塊，構(gòu)建起不規(guī)則三角網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)，形成白膜三維模型，再賦予此模型一定的紋理。通過無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可獲得測區(qū)準(zhǔn)確的影像信息和地理信息，再利用先進(jìn)的GPS定位技術(shù)，所得到的影像都是比較精確的坐標(biāo)信息。再通過紋理映射，就能快速將影響紋理貼到相應(yīng)的三維模型上，就能形成高分辨率的無人機(jī)傾斜攝影測量三維模型[7]。再利用Smart 3D Capture軟件，就能讀城市中的樹木、樓房、水體等空間位置和真實(shí)形態(tài)進(jìn)行逼真還原，為智慧城市建設(shè)提供一個(gè)三維、立體、可視化的實(shí)景模型。

4結(jié)語

綜上所述，結(jié)合理論實(shí)踐，分析了智慧城市建設(shè)中無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用，分析結(jié)果表明，智慧城市是未來城市發(fā)展的主要方向，但對(duì)城市地理位置信息、空間結(jié)構(gòu)布局信息等有嚴(yán)格要求，傳統(tǒng)正射影像測量方法，難以滿足智慧城市建設(shè)的需求。而采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)可為智慧城市建設(shè)提供一個(gè)真實(shí)、立體、可視化的空間模型，提升智慧城市建設(shè)質(zhì)量和效果，值得大范圍推廣應(yīng)用。

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