無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)研究

文/孫懷木

當(dāng)今城市的飛速發(fā)展離不開科學(xué)的規(guī)劃，而為了更好地開展城市規(guī)劃工作，相關(guān)部門必須對所在城市的地形地貌進行三維建模。傳統(tǒng)的建模技術(shù)成本較高，因此無人機傾斜攝影測量技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。該技術(shù)不僅可以輔助相關(guān)部門開展測量工作，為三維模型的構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)，還能大幅降低投入成本。此外，此類無人機通常由多個傳感器組成，可以提供較為全面的三維數(shù)據(jù)，幫助解決三維建模過程中的各種問題，它是目前城市規(guī)劃中最為重要的技術(shù)手段之一?；诖?，本文主要圍繞無人機傾斜攝影三維實景技術(shù)展開探討。

如今，三維建模技術(shù)已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計，成為城市規(guī)劃的重要組成部分。同時，三維建模中的元數(shù)據(jù)普遍具有多樣性，其包含近景攝影數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)等，因而對數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度要求更高。簡而言之，無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)具備建模速度快、精準(zhǔn)度高、拍攝范圍廣等多種優(yōu)勢，并且運行成本相對較低，能夠有效滿足城市規(guī)劃的多種需求。

一、無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的工作原理

2010年，我國引進數(shù)據(jù)處理攝影技術(shù)以及無人機航測技術(shù)，并將二者結(jié)合應(yīng)用，經(jīng)過多年的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)日趨成熟。無人機傾斜攝影技術(shù)是從傳統(tǒng)的無人機低空遙感技術(shù)發(fā)展演變而來的，并且普遍應(yīng)用于超高空作業(yè)。需要注意的是，在高空亂流和低溫條件下，無人機設(shè)備在工作過程中很有可能會出現(xiàn)損壞。無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的工作原理是：在無人機上搭載多個傳感器攝像頭，例如一個正攝像頭搭配4個傾斜攝像頭，以有效增強實際測量效果。其中，常規(guī)攝像頭和垂直攝像頭均適用于4D拍攝，傾斜攝像頭則更注重對地面紋理的捕捉。通過多個攝像頭的組合利用，無人機可以對地面的起伏物、紋理等進行精準(zhǔn)測量。與傳統(tǒng)的航測技術(shù)相比，無人機傾斜攝影測量結(jié)果的精準(zhǔn)度更高，由此構(gòu)建的城市規(guī)劃三維建模的實用性也更加顯著。[1]

二、無人機硬件選擇

（一）飛行設(shè)備的選擇

就目前來看，市場上的無人機種類繁多，若根據(jù)其動力系統(tǒng)進行分類，則可以分為電池動力和內(nèi)燃機動力兩種類型；若根據(jù)飛行方式進行分類，則可以分為旋翼和固定翼兩種類型。由于無人機在飛行過程中普遍存在機身震動等問題，所以單就成像質(zhì)量來看，電池動力型無人機明顯要高于內(nèi)燃機動力型無人機；在續(xù)航時間以及作業(yè)效率方面，固定翼型無人機的作業(yè)效率更高；在飛行穩(wěn)定方面，旋翼型無人機的飛行穩(wěn)定性明顯更高。相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)實際需要，謹(jǐn)慎選擇。

（二）攝像頭的選擇

在采用無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)時，相關(guān)部門必須注意以下幾點。航測標(biāo)準(zhǔn)要求無人機攝像頭的像素不得低于3500萬，進行傾斜攝影時不能對單一攝像頭的像素進行限定，但是需要控制一次曝光獲取的像素。在性能方面，航測標(biāo)準(zhǔn)要求明確傾斜攝像頭的作業(yè)時間、續(xù)航時間、影像能力、曝光功能以及POS記錄等多個方面的表現(xiàn)。第一，傾斜攝影一次曝光采集的像素應(yīng)越高越好，且單個攝像頭的像素不得低于2000萬，一次曝光應(yīng)超過1億像素。[2]第二，傾斜攝影作業(yè)時間至少在90分鐘以上，且最好具備全天候作業(yè)的能力。第三，優(yōu)先選擇具備定點曝光功能的定焦鏡頭，且對焦距離能夠滿足重疊度的測量需求。

三、無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的應(yīng)用要點

（一）規(guī)劃航線

工作人員在規(guī)劃航線時，應(yīng)將無人機的飛行高度控制在合理范圍內(nèi)。如果在測量過程中，無人機缺乏航線規(guī)劃的指導(dǎo)，將很難按照規(guī)律路線飛行，并且在飛行過程中，單純依靠人工操作是很難對無人機的飛行方向進行掌控的。另外，工作人員要想確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，就需要保障無人機勻速飛行，均勻穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)?？紤]到無人機在開展空中作業(yè)時，很有可能會受到空氣流速等多種因素的影響，進而出現(xiàn)失衡、失穩(wěn)、影像數(shù)據(jù)模糊等問題。[3]同時，三維建模等對影像數(shù)據(jù)的采樣率和重疊率有著非常高的要求，若單純依靠人工操作，將很難保證影像數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，甚至不得不二次補測，嚴(yán)重降低工作效率。因此，在采集實景數(shù)據(jù)之前，工作人員必須落實航線規(guī)劃工作。在通常情況下，最理想的測區(qū)大多為矩形，這與傳統(tǒng)航空攝影過程中所設(shè)置的矩形測區(qū)相類似。其規(guī)劃相對簡單，工作人員只需要設(shè)定平行航線后，操縱無人機折返拍攝即可。但在實際工作中，測區(qū)形狀很有可能是不規(guī)則的多邊形或者長條形，進而在一定程度上加大了航線規(guī)劃以及執(zhí)行的難度。

（二）布設(shè)像控點及測量

像控點的布設(shè)通常會對測量結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。為全面提升像控點布置的科學(xué)性和合理性，工作人員應(yīng)嚴(yán)格按照以下幾點原則來開展工作。第一，在不設(shè)像控點的情況下，應(yīng)盡量選擇不具備爭議的參照物，例如墻角、田地等；在選擇像控點時，應(yīng)盡量選擇在地形有明顯起伏的區(qū)域。第二，一般像控點的布設(shè)邊距不能小于1～1.5厘米，以有效避免在攝影測量過程中發(fā)生數(shù)據(jù)匹配失誤的情況。第三，為確保無人機攝影工作的順利推進，像控點的布設(shè)應(yīng)盡量選擇視野比較開闊的區(qū)域，而不能布設(shè)在有較大遮擋物的地方。[4]第四，像控點的布設(shè)應(yīng)綜合考慮交通便利、容易保存等實際需要，以便為后續(xù)影像數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的驗證工作提供科學(xué)依據(jù)。

（三）測量空中三角

無人機在航拍過程中會自動存儲POS數(shù)據(jù)，因此，工作人員可以在實際測量過程中，使用空中三角測量技術(shù)進行加密測量，同時注意以下幾點：第一，在完成數(shù)據(jù)資料預(yù)處理的前提下，建立相應(yīng)的工程文件，并且添加無人機航拍獲得的影像資料；第二，將無人機自動存儲的POS數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至相應(yīng)的軟件系統(tǒng)中；第三，進行同名點的匹配，以獲得相應(yīng)位置的空中三角測量點云，然后再結(jié)合無人機傾斜攝影測量過程中系統(tǒng)自動存儲的實景影像數(shù)據(jù)對絕對定位做平差處理，處理完成后及時對空中三角數(shù)據(jù)進行加密結(jié)算；第四，導(dǎo)入控制點，重新匹配并優(yōu)化相應(yīng)定位，輸出包含自檢相機誤差、控制點精度以及空中三角誤差等在內(nèi)的質(zhì)量報告。

（四）制作地形圖

以大比例尺地圖的制作為例，在制作過程中，采集的數(shù)據(jù)將成為構(gòu)建三維模型的基礎(chǔ)。因此，工作人員必須操控?zé)o人機采集地貌、地物以及各個標(biāo)記點的影像數(shù)據(jù)。如果因存在遮擋物而無法采集地貌信息，工作人員需要對無法采集的區(qū)域單獨標(biāo)注，然后及時反饋給外業(yè)測量人員，督促其使用全站儀進行補錄，從而確保采集數(shù)據(jù)的全面性、準(zhǔn)確性。另外，在采集線狀地物的影像數(shù)據(jù)時，工作人員需確保無人機的采集方向與線狀地物的實際走向相一致，并且線狀地物能夠準(zhǔn)確接觸到邊線。在保證各項數(shù)據(jù)沒有誤差的前提下，工作人員應(yīng)使用CASS10.1軟件平臺自動化處理數(shù)據(jù)，生成被測區(qū)域的數(shù)字規(guī)劃圖，然后再人工標(biāo)注各個采集點，例如水系、建筑物、高程、地名等。需要注意的是，各個標(biāo)記點的疏密程度須與地圖的比例尺保持一致，以保證地圖的精準(zhǔn)度和美觀性。

（五）提高三維模型的精度

當(dāng)前，處理數(shù)字模型問題的常用方法是數(shù)字精度消除法?？紤]到用于城市規(guī)劃的三維模型需要展示所在城市內(nèi)部各個建筑物的相關(guān)參數(shù)，因此在測量過程中，工作人員必須嚴(yán)格控制測量誤差，并在數(shù)據(jù)處理過程中盡量消除數(shù)據(jù)誤差，以確保數(shù)據(jù)處理和測量結(jié)果的精準(zhǔn)度。目前，影響無人機傾斜攝影三維建模精準(zhǔn)度的主要因素便是測量誤差。因此，在使用無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)過程中，工作人員必須盡可能規(guī)避外界因素引起的誤差，科學(xué)控制誤差率，以有效提升測量結(jié)果和三維模型的整體精準(zhǔn)度。

四、結(jié)語

綜上所述，無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)在地形勘測、三維建模等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，該技術(shù)能夠在全面提升三維模型精準(zhǔn)度的同時，大幅節(jié)約運行成本。工作人員可操控?zé)o人機拍攝固定區(qū)域并采集相關(guān)數(shù)據(jù)資料，再利用無人機上的多臺傳感器獲得并還原相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，最終生成所在城市的三維模型。隨著攝影技術(shù)以及無人機技術(shù)的全面發(fā)展，在不遠的將來，無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的圖像精準(zhǔn)度有望達到亞米級別。屆時，無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)必將為城市規(guī)劃提供更大的幫助，促進城市規(guī)劃設(shè)計水平的進一步提升。