基于“無人機+Context Capture”技術構建三維實景智慧園區(qū)的實踐研究

付帥，任寧寧，劉佳琦，王廷剛，付蓉，馬德明

蘭州石化職業(yè)技術大學，甘肅蘭州，730207

0 引言

三維實景模型構建在城市規(guī)劃、建設、管理等各領域應用、需求廣泛，因此，本文針對三維實景智慧園區(qū)構建，利用無人機和Context Capture內(nèi)外業(yè)技術，解決三維實景構建過程中模型精度、紋理清晰度和數(shù)據(jù)采集最優(yōu)實驗數(shù)據(jù)等問題，實現(xiàn)高精度、高清晰度三維實景模型，構建可在線瀏覽的三維實景智慧園區(qū)服務平臺，為省內(nèi)外三維實景智慧園區(qū)建設提供技術支撐[1]。

1 研究價值

1.1 理論價值

通過無人機搭載高清數(shù)碼五拼相機系統(tǒng)低空傾斜攝影測量技術+Context Capture軟件平臺技術構建三維實景智慧園區(qū)，形成最優(yōu)飛行方案、飛行操作標準、飛行安全標準、三維實景模型及APP服務平臺等成果，有以下理論價值：其一，能夠為測繪行業(yè)相關項目提供理論依據(jù)和技術支撐；其二，能夠為甘肅省兄弟院校建設智慧校園提供技術方案和技術支撐，對高校培養(yǎng)測繪領域技術技能型人才產(chǎn)生積極作用。

1.2 應用價值

課題通過無人機搭載高清數(shù)碼五拼相機系統(tǒng)低空傾斜攝影測量技術+Context Capture軟件平臺技術構建三維實景智慧校園，構建技術團隊，形成最優(yōu)飛行方案、飛行操作、安全標準及三維實景智慧校園、APP服務平臺等成果，有以下三方面應用價值：其一，方便教師、學生更直觀地了解學校，提高學校的影響力和知名度；其二，促進地區(qū)智慧城市的發(fā)展，為地區(qū)三維實景園區(qū)建設提供技術指導；其三，能夠完成省內(nèi)兄弟院校相關項目，實現(xiàn)項目技術價值和學生的創(chuàng)業(yè)價值[2]。

2 測區(qū)狀況

以蘭州石化職業(yè)技術大學（新區(qū)校區(qū)）校園為實測三維建模區(qū)實驗區(qū)。學校位于甘肅省蘭州新區(qū)賀蘭山大道北段1169號。學校占地面積18214.72m2，測區(qū)地物主要包括教學樓、宿舍、實訓樓、道路、體育館等建筑物。操場等地勢相對平坦，飛行難度相對較低。

3 無人機及相機參數(shù)

使用飛馬V1000為飛行設備，如圖1所示，飛行參數(shù)見表1。

4 五鏡頭傾斜攝影無人機

采用超輕量的航測相機：2430萬像素，APS-C畫幅、35mm專用航空機械鏡頭，相機重量為207克。相機及其參數(shù)見圖2、表2—6[3]。載荷模塊數(shù)據(jù)見圖4、表7、表8、表9；GNSS基準站參數(shù)見表10。

表2 相機參數(shù)

表3 相機參數(shù)

表4 相機參數(shù)

表5 相機參數(shù)

表6 相機參數(shù)

表7 載荷模塊參數(shù)（傾斜攝影模塊）

表8 工作效率表

表9 載荷模塊參數(shù)（航測模塊）

表10 GNSS 基準站

圖2 相機

圖3 坐標系相機影像圖

圖4 載荷模塊

畸變模型：

引入畸變模型的共線條件方程式為：

其中，x、y為像方坐標系下的像點坐標，坐標系如圖3所示；

5 傾斜航空攝影測量外業(yè)

5.1 外業(yè)測區(qū)狀況

該項目所航測的范圍大，區(qū)域地勢較平坦，根據(jù)學校校園地形及建筑的分布情況，在滿足要求和保證質(zhì)量的情況下，對測區(qū)進行區(qū)域劃分，然后再進行航測作業(yè)。測區(qū)分區(qū)情況如表11所示。

表11 具體分區(qū)情況

5.2 布設像控點

布設像控點主要是為了測量的精度，確定地面上所測物體在空間中的絕對位置。本項目像控點在北斗網(wǎng)的基礎上基于GSCORS網(wǎng)絡RTK技術方法。所采用的無人機為飛馬V1000，為確保目標的精度，采用2430萬像素1個控制點的選點間隔。

5.3 像控點的選點

像控點應在空曠地，目標影像清晰，便于判斷和測量。采用涂漆式布設像控點，在地面上涂上大小為15×80cm的L形狀的標志，測量時以L符號的內(nèi)角為點坐標（圖5、6）。

圖5 控制點測量1

圖6 控制點測量3

5.4 像控點的聯(lián)測

像控點的坐標采集基于GSCORS的網(wǎng)絡RTK作業(yè)方法。采集坐標時氣泡要對中，并且每次的觀測歷元數(shù)不得少于5個，每次測量時都必須對中，確保地面坐標的準確性，提高控制點的精度。

6 構建三維實景智慧園區(qū)內(nèi)外業(yè)實施步驟

6.1 外業(yè)實施過程

外業(yè)采集完成后，將數(shù)據(jù)傳輸至計算機進行預處理，對測量的數(shù)據(jù)進行復核、檢查，首先對樁號里程、放樣中線偏差進行復核，然后對測量的高程精度進行檢查，如對于中線測量中樁高程精度，對超過中樁限差0.1m，即高程中誤差≥0.05m的點進行重測或用全站儀進行補測量（見表12），在蘭州石化職業(yè)技術大學（新區(qū)校區(qū)）校園內(nèi)構建三維實景數(shù)字化校園實驗基地，使用飛馬V1000無人機搭載高分辨率五鏡頭相機系統(tǒng)，采用低空傾斜攝影測量技術，用逐級遞增的方法進行無人機攝影數(shù)據(jù)采集，實驗通過Context Capture軟件平臺建造基本無人工干預、相應數(shù)量的三維實景模型，根據(jù)三維實景模型的精度、清晰度、分辨率進行對比分析，得出最佳的飛行方案。

表12 控制測量點數(shù)據(jù)

6.2 實踐方法

首先確定起降點位置，設定統(tǒng)一航線，以及符合質(zhì)量規(guī)范的相控點。在測量規(guī)范內(nèi)，以逐級遞增的方法，設置航行飛行高度、重疊度，將每航次采集后的相控點坐標、相片、POS數(shù)據(jù)進行處理后，導入Context Capture軟件平臺后再次進行影像數(shù)據(jù)處理，以基本無人工干預的模型構造相應數(shù)量的三維實景模型，根據(jù)三維實景模型的精度、清晰度、分辨率等效果，研究最佳飛行方案，組成一套無人機傾斜攝影測量外業(yè)數(shù)據(jù)。同時，組建教師學生團隊，根據(jù)飛行實驗跟蹤記錄飛行過程中的操作步驟和實踐經(jīng)驗，總結(jié)一套無人機傾斜攝影測量操作標準和航行安全標準[4]。

6.3 利用Context Capture軟件排選出最佳影像數(shù)據(jù)

經(jīng)過專業(yè)技術人員精細化處理，設計高精度、高清晰度、高分辨率的數(shù)字正射影像和三維實景模型。通過航飛實驗研究總結(jié)出最佳的POS數(shù)據(jù)、相控點坐標、航拍相片，通過專業(yè)人員的數(shù)據(jù)處理，設計出符合測量規(guī)范的數(shù)字正射影像和三維實景模型[5]。

6.4 開發(fā)APP應用小程序

建設多功能的三維實景智慧校園APP服務平臺，實現(xiàn)老師、學生在線瀏覽三維實景智慧校園。

7 技術思路

技術思路如圖7所示。

圖7 技術思路

8 總結(jié)

本文采用飛馬無人機V1000攝影測量技術，以基本無人工干預模式，設計符合測量規(guī)范的三維實景模型，選出最佳數(shù)據(jù)，利用Context Capture軟件，構建數(shù)字正射影像圖獲取校園圖像及應用數(shù)據(jù)，形成最優(yōu)飛行方案、飛行操作、安全標準及三維實景智慧校園、APP服務平臺等成果。