無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)研究

凌文軍

摘要：智慧城市建設(shè)中，地理信息是不可或缺的重要基本要素，可以為城市規(guī)劃提供參考依據(jù)。而傳統(tǒng)的測量方式體現(xiàn)出一定的局限性，依然需要投入大量人力、物力，因此，應(yīng)加強對現(xiàn)代化測量技術(shù)的合理運用，編制科學(xué)完善的技術(shù)應(yīng)用方案，有助于提高地理測繪質(zhì)效。分析了影響地理測繪中建模質(zhì)量的主要因素，總結(jié)了無人機傾斜攝實景三維技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)與基本要求，設(shè)計了無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的應(yīng)用流程，旨在強化測量作業(yè)的實效性，保證測量數(shù)據(jù)的準確性。

關(guān)鍵詞：無人機? 傾斜攝影? 實景三維技術(shù)? 智慧城市

Research on the 3D Real Scene Technology of Drone Tilt Photography

LING Wenjun

（Pingxiang Land and Space Survey and Planning Institute， Pingxiang，Jiangxi Province，337000 China）

Abstract： In the construction of smart cities， geographic information is an indispensable important basic element， which can provide a reference basis for urban planning. However， traditional measurement methods have certain limitations and still require a large amount of manpower and material resources， so it is necessary to strengthen the rational application of modern measurement technology and develop scientific and sound technical application plans， which helps improve the quality and efficiency of geographic surveying and mapping. This article analyzes the main factors that affect modeling quality in geographic surveying and mapping， summarizes the key technologies and basic requirements in the application of the 3D real scene technology of UAV tilt photography， and designs the application process of the 3D real scene technology of UAV tilt photography， aiming to strengthen the effectiveness of measurement work and ensure the accuracy of measurement data.

Key Words： UAV; Oblique photography; 3D real scene technology; Smart city

通過對無人機傾斜攝影技術(shù)的利用，能夠?qū)崿F(xiàn)對三維模型的自動創(chuàng)建和匹配，為城市規(guī)劃中的數(shù)字化建設(shè)提供技術(shù)支撐。同時，基于對無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的分析與利用，能夠形成健全的測量技術(shù)應(yīng)用體系，與傳統(tǒng)的測量技術(shù)相比，體現(xiàn)出更強的準確性和專業(yè)性，可為更加高效的城市化建設(shè)提供可靠依據(jù)。

1 影響建模質(zhì)量的主要因素

1.1 場景因素帶來的影響

針對無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的應(yīng)用來說，通常會運用到很多場景中。當(dāng)應(yīng)用在反光面場景時，如玻璃、水面或者大面積單一紋理建筑物等，在此種場景中，無法針對物體的紋理信息進行真實反映，即便提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，也很難達到改善模型效果的目的。在慢速運動物體的應(yīng)用中，以路口行駛的汽車為例，也無法通過提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量改善模型效果。同時，對于隨風(fēng)晃動的植被而言，如灌木叢[11]?、樹木等，在此種場景中應(yīng)用傾斜攝影實景三維技術(shù)，容易在特征匹配環(huán)節(jié)出現(xiàn)較大偏差，雖然可以采用提高模型分辨率的方式針對模型效果進行改善，但很難得到理想的效果。此外，對于鏤空的建筑物來說，包括護欄、高壓線及鐵塔等，可采用提高模型分辨率的方式實現(xiàn)對模型效果的改善，但也無法獲得良好的改善效果^[1]。

1.2 飛行因素帶來的影響

除了場景因素會影響建模質(zhì)量外，應(yīng)用無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的過程中，建模質(zhì)量還容易受到飛行因素的影響。如數(shù)據(jù)采集設(shè)備、航飛作業(yè)參數(shù)設(shè)置、建模軟件等，均為重要的質(zhì)量影響因素，容易出現(xiàn)建筑錯位、拉花、光影斑駁以及黏連等情況。面對上述問題，可利用后期軟件修補進行改善，但通常涉及到較大的作業(yè)量，需投入較多的人力、物力資源，一定程度上增加了投入的成本。

2 無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的作業(yè)要點

進行無人機傾斜攝影實景三維測繪的過程中，應(yīng)做好測繪現(xiàn)場的勘查工作，了解測區(qū)實際特點，確保影像瓦片間接邊顏色的一致性，保證城區(qū)部分道路標線和活力。因為對于實景三維構(gòu)建而言，建筑物結(jié)構(gòu)是重要基礎(chǔ)，而在自動建模構(gòu)建的不規(guī)則三角網(wǎng)的影響下，墻體出現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象的概率較高，所以，須采用人工操作的方式處理精細化部分。此外，避免實景三維場景中出現(xiàn)懸浮物，對于缺少樹干的樹冠部分來說，需進行針對性處理，強化整體的合理性，立足于電桿及路燈的角度，應(yīng)做好相應(yīng)的替換工作，以防因自動匹配效果不符合要求而對后續(xù)的使用造成不良影響。在此基礎(chǔ)上，了解應(yīng)用五視角影像映射紋理時的紋理扭曲現(xiàn)象，主要依托于人工操作的方式完成處理^[2]。

3 無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無人機傾斜攝影技術(shù)及應(yīng)用要求

通常對于無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的實際運行來說，需要為測量系統(tǒng)配備5臺高清攝像機，利用專門的軟件生成圖像，之后創(chuàng)建點云區(qū)域模型。傾斜攝影測量系統(tǒng)與正射影像相比，可以通過輸出的影像從多個角度針對地物進行觀察，體現(xiàn)出很強的清晰性，能夠讓地物的情況反映更加真實。相較于傳統(tǒng)的移動測量方式，無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的準確性與效率更高，是三維城市模型構(gòu)建的重要技術(shù)支撐。運用無人機傾斜攝影技術(shù)的過程中，應(yīng)選擇晴好的天氣進行數(shù)據(jù)采集，避免受到飛行環(huán)境及天氣變化的影響，防止出現(xiàn)航帶色差、噪聲及光照不均衡問題。此外，此項技術(shù)的運用可以強化面積較小地物的清晰性，并創(chuàng)建相應(yīng)的模型作為參考。

3.2數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)及其應(yīng)用要求

數(shù)據(jù)預(yù)處理是無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)，要求對參數(shù)信息、位置信息及影像信息進行檢查，主要涉及傾斜影像預(yù)處理、像控點信息預(yù)處理及POS信息預(yù)處理三項重要內(nèi)容。首先，對于傾斜影像預(yù)處理而言，具體指完成飛行任務(wù)后，應(yīng)第一時間落實影像的檢查工作，明確是否滿足規(guī)定要求，將無POS點對應(yīng)起降自動拍攝影像進行刪除處理；其次，針對像控點信息預(yù)處理而言，相關(guān)數(shù)據(jù)指像控點文件與控制點現(xiàn)場照片等，疊加控制點與POS展示點文件，了解POS數(shù)據(jù)精度，確保能夠滿足規(guī)定要求，在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)處理；最后，對于POS信息預(yù)處理而言，具體指全景相機中流動站采集數(shù)據(jù)的坐標系為CGCS2000，內(nèi)部含有6個參數(shù)，主要有Kappa、Omega、Phi，以及 X、Y、Z。

3.3 空三加密技術(shù)及其應(yīng)用要求

空中三角測量方式指在立體攝影測量環(huán)節(jié)，結(jié)合對野外控制點的分析，有序落實室內(nèi)的控制點加密工作，通過計算得到相應(yīng)的加密點高程，同時明確平面位置的測量方法。因此，需合理運用軟件，利用默認參數(shù)，針對影像匹配一次連接點，有效濾除影像中的陰影、云影以及動態(tài)物體的影像產(chǎn)生的粗差點^[3]。同時，結(jié)合對殘差報告的分析，調(diào)整殘差值相對較大的點，將調(diào)整后的結(jié)果作為基本依據(jù)，圍繞連接點位置進行重新計算連接，之后進行至少6次的重復(fù)操作，在平差報告數(shù)值不再發(fā)生明顯變化的情況下，停止操作。通過落實以上工作可以完成自由網(wǎng)平差，配合落實優(yōu)化后空三結(jié)果的轉(zhuǎn)化，使其成為標準外方位元素格式，配合進行輸出即可進入自動化建模及批量建模環(huán)節(jié)?？杖用芗夹g(shù)的應(yīng)用流程如圖1所示。

3.4 自動化建模技術(shù)及其應(yīng)用要求

三維建模主要通過利用專門的軟件，如街景工廠等，配合分布式計算完成任務(wù)處理，很難進行人工干預(yù)。因為傾斜攝影邊緣的1～2條航線缺少影像，所以無法順利生成完整的模型，因此，需要針對生產(chǎn)區(qū)域進行自定義。針對模型生產(chǎn)過程的中間狀態(tài)來說，均有對應(yīng)的文件夾存儲相關(guān)信息，可基于對文件夾內(nèi)Tiles生成時間的分析，實現(xiàn)對現(xiàn)階段生產(chǎn)狀態(tài)的準確判斷。結(jié)束自動建模后，須利用3DMAX軟件做好二次處理，以保證各項數(shù)據(jù)符合規(guī)定要求。

4 無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 無人機硬件的選擇方法

4.1.1 合理選擇飛行設(shè)備類型

現(xiàn)階段的測繪工作中，市場上的無人機類型較多，將動力系統(tǒng)作為依據(jù)進行劃分，主要分為內(nèi)燃機動力與電池動力。按照飛行方式進行劃分，則包含固定翼與旋翼兩種。因為在無人機實際飛行過程中，容易產(chǎn)生機身震動，從成像質(zhì)量的角度出發(fā)進行分析，電池動力型無人機的成像質(zhì)量較內(nèi)燃機動力型無人機高。立足于續(xù)航時間和飛行作業(yè)效率的角度，能夠了解到固定翼型無人機擁有更高的作業(yè)效率?；趯︼w行穩(wěn)定性的分析，旋翼型無人機擁有更強的飛行穩(wěn)定性，需結(jié)合實際情況與測繪需求進行合理選擇^[4]。

4.1.2 科學(xué)明確攝像頭性能

基于對無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的利用，有關(guān)部門應(yīng)該提高對攝像頭的重視，通常依據(jù)航測標準進行明確，須保證無人機攝像頭的像素達到3 500萬以上，且開展傾斜攝影的過程中，嚴禁限定單一攝像頭的像素，但是應(yīng)加強對一次曝光獲取像素的嚴格控制。立足性能層面，航測標準一般要求針對續(xù)航傾斜攝像頭的影像能力、作業(yè)時間、曝光功能及續(xù)航時間等重要參數(shù)進行明確，其中傾斜攝影作業(yè)時間需不低于90 min，盡量能保證全天候作業(yè)，而單個攝像頭一次曝光需在1億像素以上，在此基礎(chǔ)上，加強對定焦鏡頭的利用，保證對焦距離可以達到重疊度的測量要求。

4.2 無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的應(yīng)用要點

4.2.1 依據(jù)測量需求規(guī)劃航線

規(guī)劃航線是無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)，也是不可或缺的首要環(huán)節(jié)，需要嚴格控制無人機的飛行高度，強化高度控制的合理性。一旦在無人機飛行過程中缺少科學(xué)有效的航線規(guī)劃作為依據(jù)，則很難掌握無人機航行規(guī)律，且僅依靠人工操作的方式，無法強化對無人機的全方位掌控。同時，技術(shù)人員應(yīng)重視落實數(shù)據(jù)信息采集工作，合理控制無人機飛行速度，強化數(shù)據(jù)信息的準確性、可靠性。此外，多數(shù)測區(qū)的理想形狀為矩形，此類區(qū)域的規(guī)劃相對較為簡單，通常需要設(shè)定平行航線，之后，合理操縱無人機折返進行拍攝，而遇到不規(guī)則的測區(qū)時，避免不了會增加航線規(guī)劃難度，需做好事先調(diào)查與規(guī)劃。

4.2.2 準確布設(shè)像控點與測量

對于像控點的布設(shè)來說，是影響測量結(jié)果的主要因素之一，為了強化像控點布設(shè)的專業(yè)性、科學(xué)性，技術(shù)人員應(yīng)該明確像控點布設(shè)原則，即如果不設(shè)像控點，則需優(yōu)先選擇不存在爭議的參照物，包含田地、墻角等，針對像控點的實際選擇而言，需保證像控點所在區(qū)域內(nèi)存在起伏明顯的區(qū)域。而對于一般像控點的布設(shè)來說，其布設(shè)邊距應(yīng)該在1～1.5 cm，可減少攝影測量環(huán)節(jié)出現(xiàn)數(shù)據(jù)匹配失誤的概率。此外，為了強化無人機傾斜攝影的實效性，應(yīng)選擇視野開闊的區(qū)域進行像控點的布設(shè)，避免選擇遮擋物較多的區(qū)域。做好當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\輸情況的調(diào)查，結(jié)合實際需求布設(shè)像控點，讓后續(xù)的測量作業(yè)擁有可靠基礎(chǔ)^[5]。

4.2.3 空中三角的測量與控制

在無人機進行航拍作業(yè)的過程中，可以實現(xiàn)對POS數(shù)據(jù)的自動化存儲，技術(shù)人員能在測量作業(yè)中，基于對空中三角測量技術(shù)的利用，達到加密測量的目的，但在具體操作中需重視相關(guān)注意事項。首先，完成數(shù)據(jù)資料的預(yù)處理工作后，應(yīng)積極建立對應(yīng)的工程文件，重點落實無人機航拍所得影像的添加工作。其次，向?qū)?yīng)的軟件系統(tǒng)中傳導(dǎo)無人機自動存儲的POS數(shù)據(jù)。再次，有序落實同名點的匹配工作，進而得到相關(guān)位置的空中三角測量點云，之后依據(jù)無人機傾斜攝影測量獲取的實景影像數(shù)據(jù)，落實絕對定位的平差處理，待完成相應(yīng)處理后，針對空中三角數(shù)據(jù)開展相應(yīng)的加密結(jié)算。最后，提高對控制點的重視，做好導(dǎo)入工作，并進行重新匹配，針對相應(yīng)的定位進行優(yōu)化，輸出對應(yīng)的質(zhì)量報告，包含空中三角誤差、控制點精度及自檢相機誤差等。

4.2.4 地形圖的繪制與完善

立足于大比例尺地圖制作的角度進行分析，具體操作中，采集的數(shù)據(jù)是構(gòu)建三維模型的關(guān)鍵基礎(chǔ)。基于此，技術(shù)人員應(yīng)嚴格按照規(guī)定要求操控?zé)o人機，針對測繪區(qū)域內(nèi)的地貌進行采集，還需獲取不同標記點及地物的影像數(shù)據(jù)，一旦在測量區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)遮擋物，則無法順利落實地貌信息的采集，技術(shù)人員應(yīng)單獨標注無法進行正常采集的區(qū)域，并向外業(yè)測量人員進行積極反饋，目的是保證此類數(shù)據(jù)可以得到及時補錄，強化數(shù)據(jù)信息的完整性。同時，開展線狀地物影像數(shù)據(jù)的采集工作時，技術(shù)人員應(yīng)保證無人機采集方向與線狀地物走向的一致性，且技術(shù)人員需在不存在數(shù)據(jù)誤差的情況下，利用CASS 10.1軟件平臺進行數(shù)據(jù)的自動化處理，之后得到被測區(qū)域的數(shù)字規(guī)劃圖，配合人工操作，做好不同采集點的標注，包含地名、建筑物、水系以及高程等^[6]。

4.2.5 強化三維模型創(chuàng)建精度

數(shù)字精度消除法為傳統(tǒng)的數(shù)字模型問題處理方法，但針對現(xiàn)階段的城市規(guī)劃而言，要求通過三維模型針對各類建筑物的參數(shù)進行展示，技術(shù)人員需加大測量作業(yè)環(huán)節(jié)誤差的控制力度，且需采取有效措施消除數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，目的是強化數(shù)據(jù)處理的可靠性，保證測量結(jié)果的精確性。因為測量誤差是影響無人機傾斜攝影三維建模精度的重要因素，所以，技術(shù)人員應(yīng)重點做好外界影響因素的控制工作，以免出現(xiàn)過大的測量誤差，確保測量精度能夠滿足實際的測量要求。

5 結(jié)語

新時期發(fā)展環(huán)境下，先進科學(xué)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，很多行業(yè)都將數(shù)字化建設(shè)作為發(fā)展目標，逐步加大在技術(shù)研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新層面的資金投入力度，拓展了相關(guān)技術(shù)的覆蓋范圍。尤其對于測繪行業(yè)來說，無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)屬于新型技術(shù)之一，為了強化測量工作的實效性，應(yīng)加強對無人機傾斜攝影實景三維技術(shù)的研究和利用，熟練掌握技術(shù)操作要點，有助于提高測量結(jié)果的精確度，讓智慧城市建設(shè)、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌規(guī)劃擁有堅實基礎(chǔ)，為社會經(jīng)濟建設(shè)水平的提升提供充足動力。

參考文獻

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