淺析無人機傾斜攝影測量技術(shù)及應(yīng)用

趙晗　趙靚

摘要：傾斜攝影測量是一項新興技術(shù)。經(jīng)不斷研究，這項技術(shù)得到了新的發(fā)展，當(dāng)下，無人機傾斜攝影測量技術(shù)的使用已成為一種主流。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，無人機多發(fā)攝影測量技術(shù)遍布在各個領(lǐng)域，同時推動了智慧城市、城市規(guī)劃、景觀設(shè)計等相關(guān)行業(yè)。因此，本文將重點介紹這一技術(shù)的應(yīng)用，以及如何促進其發(fā)展發(fā)展及評價其應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞：無人機傾斜;攝影測量技術(shù);應(yīng)用

隨著地理信息系統(tǒng)的使用和更新，3D建模技術(shù)正在迅速發(fā)展并受到很大歡迎。解決無人機傾斜攝影測量圖像在3D建模過程中的優(yōu)化利用問題是一項緊迫的任務(wù)。使用無人機對角線攝影測量的優(yōu)勢是顯而易見的，它消除了以前使用空中遠程傳感器捕獲圖像這種方法的限制，允許傳感器從不同的方向角度獲取有關(guān)物體表面的信息，并且多個傳感器之間可以同時執(zhí)行任務(wù)。這大幅提高了采集效率，保證了數(shù)據(jù)的有效性、可靠性和完整性，同時避免了采集時操作的多次重復(fù)[1]。通過處理后不僅可以滿足人們對3D信息的需求，而且可以通過對圖像的解讀獲得更多額外的信息。

一、無人機傾斜攝影測量技術(shù)概述

（一）無人機傾斜攝影的概念

傾斜攝影是國際土地測量學(xué)和制圖學(xué)領(lǐng)域最近新發(fā)展起來的一種先進方法。這消除了之前只能以垂直角度拍攝照片的限制。這些圖像能從兼顧垂直方向以外的其他4個傾斜方位共5個不同的角度進行拍攝，向用戶介紹了一個超現(xiàn)實且直觀的世界，與人類視覺一致。

（二）傾斜攝影測量的技術(shù)特點

特點一：顯示物體周圍的真實世界。與正射攝影相比，傾斜攝影所成的圖像可以從特定角度查看對象，并且可以更有效地反映攝影對象的實際位置。并在此基礎(chǔ)上進行許多調(diào)整。特點二：可以通過對角拖動來放大圖像。借助輔助軟件，高度、長度、面積、角度、坡度等的測量可以直接在捕獲的圖像上進行，擴展了傾斜攝影技術(shù)的可能性。特點三：3D貼圖建模技術(shù)，有效降低規(guī)劃建設(shè)成本。特點四：可以輕松在線發(fā)布小數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)。通過成熟的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使用技術(shù)快速啟動和運行。

（三）無人機傾斜攝影測量技術(shù)的優(yōu)缺點分析

1.無人機傾斜攝影測量技術(shù)的優(yōu)點

無人機攝影測量技術(shù)的主要優(yōu)勢。首先，無人機攝影測量非常簡單易操。與普通式飛機相比，前者起降更方便，機動更容易，起飛也更容易。此外，無人機的傾斜攝影測量技術(shù)極便于隨時攜帶和運輸，使用普通汽車就能輕松取放。其次，無人機傾斜攝影測量產(chǎn)品非常有效。無論是創(chuàng)建真實的3D 模型，還是做1：500比例尺制圖，無人機傾斜攝影技術(shù)的開發(fā)效率相比傳統(tǒng)測量技術(shù)是傳統(tǒng)測量技術(shù)的數(shù)倍甚至數(shù)千倍。第三，無人機攝影測量精度也是很高的。例如，無人機傾斜分辨率和圖像控制點精度不僅會影響模型精度，還會影響圖像驗證和最終的顯示結(jié)果。由于圖像參考點的精度小于2厘米，相機分辨率指標(biāo)優(yōu)于1.5厘米，結(jié)果的精度可能超過95%。第四，暴露于無人機的攝影測量方法具有最低的干擾比，而數(shù)字站測量方法容易受到能見度的限制。基于多角度可視化的無人機傾斜測量技術(shù)對上述問題的解決極有效果[1]。

2.無人機傾斜攝影測量技術(shù)的不足

無人機對角攝影測量技術(shù)的缺點也尤為明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）無人機傾斜攝影測量的精度主要取決于空域。這個問題是影響使用傾斜無人機攝影測量方法的一個主要因素，由于審批周期長，當(dāng)按照既定程序提出空域請求時，無人機攝影測量的靈活性也就隨之受到很大影響。（2）無人機傾斜攝影測量技術(shù)在天氣條件不穩(wěn)定的情況下受到影響較大。無人機相關(guān)攝影測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性就會在雨、雪、冰雹和霧等天氣情況下被影響，并降低最終結(jié)果的準(zhǔn)確性。

二、無人機傾斜攝影測量技術(shù)

（一）無人機數(shù)字影像獲取

傾斜攝影在國際土地測量、制圖和遙感領(lǐng)域說來都是一項新發(fā)展起來的先進技術(shù)。同一飛行平臺上的多個傳感器（現(xiàn)在更常用的是帶手動鏡頭的相機），從不同角度獲取圖像，因為它們是垂直和傾斜的，所以圖像和對象信息更加完整和準(zhǔn)確。以垂直于地面的角度拍攝的圖像稱為正片（一組），而使用與地面成角度的鏡頭拍攝的圖像稱為對角膠片（四組）。更多3D立體模型和旅游模型數(shù)據(jù)，不僅僅在房地產(chǎn)建設(shè)等行業(yè)，也在土地規(guī)劃、城市規(guī)劃、智慧城市、節(jié)水、電力、采礦等、能量收集等行業(yè)應(yīng)用提供主要平臺。同時，它將基于 GPU 的 3D 空間分析的強大功能與精確的傾斜攝影模型相結(jié)合，可以快速準(zhǔn)確地處理與之相關(guān)的信息。在某些情況下還可以直接讀出，在緊急救援行動中保障人員和財產(chǎn)安全的重要作用。

（二）多視影像聯(lián)合平差

多維圖像同時包含垂直圖像數(shù)據(jù)和對角線圖像數(shù)據(jù)。一些現(xiàn)有的空中三角測量系統(tǒng)無法對坡度測量所得數(shù)據(jù)進行處理。因此，應(yīng)對幾何缺陷顯示與全多功能圖像合成的區(qū)別的重疊因素予以充分考慮，自動匹配每個圖像級別間的均勻點并執(zhí)行離線光束調(diào)整，以此得到最好的匹配結(jié)果。同時，多幀自控和配置連接點通信線路塊，并控制點坐標(biāo)與GPU/IMU輔助數(shù)據(jù)的虛假相似度，然后調(diào)整精度通過內(nèi)置計算建立，保證平差結(jié)果誤差更小。

（三）多視影像密集匹配

攝影測量中最大的挑戰(zhàn)之一就是圖像兼容性。多功能圖像的特點是范圍廣、分辨率高。因此，匹配過程要求要充分考慮了冗余信息，且對多任務(wù)圖像中同一點的坐標(biāo)要快速準(zhǔn)確地捕捉到，進而對三維物體的信息進行捕捉，與具有多個視圖的圖像兼容。使用單一存在或原始鄰接方法進行建模通常很難獲得具有相同名稱的點坐標(biāo)。因此，由于計算機視覺領(lǐng)域在不斷研究下的最新發(fā)展，多圖元和多視覺圖像的兼容成為研究的主流。目前，在建筑物邊緣的自動檢測和疏散領(lǐng)域的這一研究領(lǐng)域可以看到很大的進展。通過檢查視覺圖像的屬性，例如，可以識別建筑物和墻壁的邊緣和紋理，這是一個二維建筑矢量數(shù)據(jù)庫。2D對象可以根據(jù)各種圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D圖像，它確定幾個因素，分配一定的權(quán)重，將墻壁分類為不同的類別，掃描和分割每個建筑物的墻壁，選擇和移除建筑物邊緣的結(jié)構(gòu)。對建筑物的整體進行建構(gòu)。

三、無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用

（一）無人機傾斜攝影測量技術(shù)在公路測量中的應(yīng)用

1.對邊緣圖進行插值，顯示照射區(qū)域的高差。無人機梯度攝影測量技術(shù)可用于插入車道圖并識別研究區(qū)域中的技術(shù)差距以解決天氣坡道問題。應(yīng)用程序的過程如下：首先，必須根據(jù)無人機在飛行過程中捕獲的圖像的性質(zhì)和區(qū)域的大小來完成圖像兼容性。第二，通過圖像兼容性使得高度特征清晰可見。第三，使用軟件分析裁剪圖像，然后考慮傾斜角度。一般來說，前三點完成后，主要任務(wù)就完成了，后面測量員只需要測量場地面積，檢查場地周圍情況，便可完成測量計劃。使用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，可以有效提高道路測量工作的效率，降低測量成本。

2.根據(jù)圖像結(jié)果計算填充量和穿孔量。由于無人機傾斜攝影測量獲得的圖像之間的水平重疊和標(biāo)題重疊較大，因此可以通過多參數(shù)組合以及相應(yīng)地獲取圖像大小獲得最終圖像。也就是說，從這張圖像中可以計算出被測表面的面積和體積。根據(jù)可視化結(jié)果，可以計算出山路所需的回程和鉆孔次數(shù)，在具體計算中，首先要確定路段，包括填土和開挖的土方量，并仔細檢查路段的環(huán)境特征、周圍的土壤狀況、基巖方向等環(huán)境特征。接下來，就需要確定用于回填和挖掘的耕作量，如果需要回填并且回填段周圍是優(yōu)質(zhì)土壤，則可以更接近地獲得材料，這最大限度地減少了資源消耗和補貨成本。為了清楚地看到邊緣、垂直方向及其周圍環(huán)境也可以使用無人機傾斜攝影測量來進行數(shù)據(jù)收集。一般來說，在危險地形中影響更為明顯，該地區(qū)的巖石和水域因施工而受到嚴(yán)重破壞，因此微小的振動會改變山體的結(jié)構(gòu)并需要更大強度保護，因此有巨大的潛在風(fēng)險。借助無人機照片，一方面可以了解周圍環(huán)境并描述施工過程中需要注意的區(qū)域，以加快施工進程，另一方面能了解施工工作的安全性。但在平原上，這種技術(shù)的效果就不明顯了[2]。

（二）傾斜攝影測量影像處理技術(shù)在城市三維建模中的應(yīng)用

1.城市三維建模

傾斜攝影技術(shù)經(jīng)過近十年來的發(fā)展成為國際攝影測量領(lǐng)域的一項先進技術(shù)。該技術(shù)共 5 種不同的定向技術(shù)結(jié)合了1種垂直和4種傾斜技術(shù)，可對建筑物五個方向的圖像進行完善的處理并對紋理進行高分辨率顯示。它可以準(zhǔn)確地確定物體在地面上的位置，準(zhǔn)確地捕捉物體紋理信息，并提供先進的定位、3D對象建模組合和其他方法，可以直觀感受真實的城市。

2.航空傾斜攝影測量技術(shù)建模

通常 3dsMax 和 AutoCAD 等建模軟件通常用于傳統(tǒng)的 3D 建模，用來估計建筑面積和高度。CAD 平面圖和捕獲的照片的信息獲取建模信息。數(shù)據(jù)同步不能及時，用戶的需求就并不能通過傾斜攝影測量方法真正得到滿足。被廣泛用于創(chuàng)建大范圍、高精度和高分辨率的復(fù)雜序列。中小城市人工建模需要1-2年，現(xiàn)在3-5個月即可。這種建模方法大幅減少了3D 建模數(shù)據(jù)量，還節(jié)約了經(jīng)濟和時間成本。如今，傾斜攝影測量技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，在各個領(lǐng)域都能看到它的使用，同時也成為城市空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)的重要材料。

（三）國土執(zhí)法中的應(yīng)用

在執(zhí)法領(lǐng)域，可以通過空中飛行、3D 建模為執(zhí)法等創(chuàng)建逼真的 3D 模型。然后使用無人機傾斜攝影測量技術(shù)對目標(biāo)區(qū)域進行標(biāo)準(zhǔn)航空測量。獲得實時模型。在確認其他模型與實際多層模型的差異后，我們針對地面調(diào)查現(xiàn)場進行實地工作，可以確定是否有非法的建筑物和露營地。在執(zhí)法工程中，使用無人機傾斜攝影測量技術(shù)對于執(zhí)法效率的提高有非常明顯的效果，實現(xiàn)問題可以早發(fā)現(xiàn)早解決。

（四）無人機傾斜攝影測量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

1.獲取實時圖像

通常發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害后，現(xiàn)場秩序和設(shè)施都會一片混亂，無法確?？睖y人員和救援人員在短時間內(nèi)趕到現(xiàn)場，更無法第一時間獲取災(zāi)區(qū)的準(zhǔn)確信息。通過傾斜攝影測量，無人機就可以輕松抵達災(zāi)區(qū)，捕捉實時全向圖像，可以幫助救援人員了解災(zāi)區(qū)的受災(zāi)性質(zhì)和災(zāi)害的嚴(yán)重性，從而迅速實施救援。

2.正射影像

正射影像被廣泛用于防災(zāi)和預(yù)警方面。由于研究地域范圍廣，采用傳統(tǒng)研究方法耗時長，復(fù)雜度高，研究效果差。但是正射影像可快速、完美地進行研究，以便獲得清晰的圖像。研究人員只需將現(xiàn)場拍攝的照片中的信息進行系統(tǒng)化整理和分析。

3.三維立體模型

與正射鑲嵌相比，3D模型采用傾斜測量技術(shù)，為了使信息更加完整和準(zhǔn)確，圖像數(shù)據(jù)采集會從5個不同的角度（垂直和對角角度）進行采集。全方位地查看物體，現(xiàn)場放大和縮小的能力不僅可以改善調(diào)查數(shù)據(jù)。此外，3D模型可以更全面、可靠地反映地質(zhì)災(zāi)害，讓非專業(yè)人士也能了解災(zāi)害區(qū)地質(zhì)情況，尤其對領(lǐng)導(dǎo)者的決策有很大幫助。

4.線劃地形圖

地質(zhì)災(zāi)害及時發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)是線性地形圖的研究。如果要繪制現(xiàn)有地形圖，通常只能創(chuàng)建小于特定大小的地形圖。對于同時拍攝和映射，可以設(shè)置不同的大小和設(shè)置拍攝時間的長短，這將對收集的速度和質(zhì)量可以有很大程度的提高。然后，使用CAD制圖和 3D 模型創(chuàng)建一組地形圖，對危險場所地質(zhì)調(diào)查的制圖就可以達到要求水平。

（五）無人機傾斜攝影測量技術(shù)在露天礦山監(jiān)測中的應(yīng)用

1.開采范圍監(jiān)測

產(chǎn)區(qū)的監(jiān)控主要是了解產(chǎn)區(qū)是否超標(biāo)。無人機傾斜測量提供高分辨率投影現(xiàn)實世界圖像數(shù)據(jù) （TDOM） 和 3D 現(xiàn)實模擬。 TDOM 結(jié)果可用于分析礦井邊界并識別與礦井邊界相交的位置，并確定采礦是否跨越界限，以改進礦井邊界的管理和對礦井邊界的規(guī)劃。無人機攝影測量度可以達到厘米級的高精度。在跟蹤打擊地雷方面發(fā)揮著非常重要的作用。

2.動態(tài)儲量監(jiān)測

一般的數(shù)字化軟件都允許測量垂直3D 模型的傾斜度并動態(tài)監(jiān)控采礦作業(yè)，便于相關(guān)人員快速了解采礦過程現(xiàn)場的情況，獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

（六）不動產(chǎn)測繪中的應(yīng)用

無人機傾斜攝影測量方法常用于房地產(chǎn)行業(yè)以及許多不被允許進入的場地的測量。以房地產(chǎn)測繪為例，不能納入概覽和地圖的很多固定資產(chǎn)是由于各種復(fù)雜的原因，很多時候只能再放在概覽和地圖中討論。在此期間，難免有很多延誤，對結(jié)果的效果評估沒有任何好處。不置可否的是，對于映射效率的提高是很困難的。但是使用傾斜攝影測量的無人機對上述問題的解決是卓有成效的，特別是在城市、農(nóng)村地區(qū)以及低層地區(qū)，房地產(chǎn)測繪的理想選擇就是使用傾斜攝影測量的無人機進行數(shù)據(jù)測量。

（七）無人機傾斜攝影測量技術(shù)在建筑物提取精度中的應(yīng)用

只有保證數(shù)據(jù)搜索功能，才能確保建筑物搜索的準(zhǔn)確性。因此，恢復(fù)數(shù)據(jù)的能力在精準(zhǔn)挖掘的發(fā)展中起著重要的作用。無人機傾斜攝影測量技術(shù)可用于連續(xù)捕捉施工圖像和顯示數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)必須分類，這需要不同級別的數(shù)據(jù)，并且必須為每個級別配置緩存和索引。

同時，作為提高數(shù)據(jù)采集能力過程的一部分，技術(shù)人員可以使用 DTM 來校正每個投影圖像拼接和裁剪的像素，最終創(chuàng)建具有同步數(shù)據(jù)提取的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)集[3]。

四、結(jié)束語

在快速構(gòu)建3D數(shù)字城市時，需要收集3D數(shù)字城市的詳細信息。無人機傾斜攝影測量技術(shù)在未來的發(fā)展中是有明顯優(yōu)勢且發(fā)展勢頭也將是良好的。 通過使用傾斜攝影測量技術(shù)在各個領(lǐng)域取得的進展，相信這項技術(shù)的應(yīng)用范圍會比現(xiàn)在更加廣泛。 該技術(shù)彌補了現(xiàn)下攝影測量技術(shù)的諸多不足且在多個方面超越了現(xiàn)有技術(shù)，對于國家整體的發(fā)展如城市化進程的發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展都有實在的促進作用。在3D城市建模等方面，應(yīng)用無人機傾斜攝影測量方法和應(yīng)用 3D 建模，以及無人機傾斜攝影測量專家的培訓(xùn)，推進城市高速建設(shè)發(fā)展，促進地理信息化數(shù)據(jù)整合應(yīng)用，為社會發(fā)展創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。

作者單位：趙晗? ? 趙靚? ? 中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司

參? 考? 文? 獻

[1]陳相男.無人機傾斜攝影測量技術(shù)及其應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2018（09）：55-56.

[2]田艷.淺析無人機傾斜攝影測量技術(shù)及應(yīng)用[J].華北自然資源，2020（05）：77-79.

[3]楊國東，王民水.傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用及展望[J].測繪與空間地理信息，2016，39（01）：13-15+18.