基于無人機傾斜測量技術(shù)機場三維重建技術(shù)研究

赫宗堯，左萍萍，李 帥

（信陽航空職業(yè)學院，河南 信陽 464100）

0 引言

隨著無人機技術(shù)的迅速發(fā)展以及機場建設的需求增加，如何利用無人機進行機場三維重建已成為研究的焦點之一[1]。傾斜測量技術(shù)是一種先進的攝影測量技術(shù)，具有高精度、高分辨率的特點。通過無人機搭載傾斜攝影測量設備，可以獲取機場的大范圍高分辨率影像數(shù)據(jù)，為后續(xù)的三維重建提供了基礎數(shù)據(jù)。機場三維重建的流程包括航線規(guī)劃和飛行控制、圖像處理和特征匹配以及三維重建算法的應用[2]。借助無人機傾斜測量技術(shù)，可以實現(xiàn)對機場進行全方位攝影，然后通過圖像處理和特征匹配算法，提取出機場影像的特征信息。最后，利用三維重建算法，將特征點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機場的三維模型，并進行質(zhì)量控制和精度評定。

基于無人機傾斜測量技術(shù)的機場三維重建技術(shù)可以在機場規(guī)劃、設計和管理中發(fā)揮重要作用。在機場規(guī)劃和設計中，可以利用該技術(shù)進行機場地形分析、跑道和停機坪的布局設計等。在機場管理和維護中，可以利用該技術(shù)進行機場設施檢查和監(jiān)測，提高機場的安全性和運行效率，為機場建設和管理帶來了新思路和方法[3]。

1 無人機傾斜測量技術(shù)研究

1.1 傾斜測量技術(shù)概述

傾斜攝影測量技術(shù)興起于20 世紀90 年代，憑借搭載平臺的優(yōu)勢可以獲取大范圍區(qū)域內(nèi)的多角度、高分辨率影像數(shù)據(jù)，借助相關軟件可構(gòu)建高分辨率三維地形模型和實景三維模型，具有其他數(shù)據(jù)獲取技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。因此成為近年來國內(nèi)外學者研究的熱點，并將其應用于諸多領域，如變形監(jiān)測、三維建模、地形圖測繪等領域[4]。傾斜攝影是一種通過在飛行中傾斜攝影機拍攝連續(xù)影像來獲取地面信息的技術(shù)。相比傳統(tǒng)的航空攝影，傾斜攝影能夠提供更加真實、精確的地面影像，提供了可靠的數(shù)據(jù)。無人機傾斜攝影測量技術(shù)所對應的系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理組成。通過無人機搭載傾斜攝影測量設備，可以獲取機場的大范圍高分辨率影像數(shù)據(jù)，為后續(xù)的三維重建提供了基礎數(shù)據(jù)。

1.2 三維激光掃描系統(tǒng)

傾斜測量技術(shù)主要通過三維激光掃面系統(tǒng)進行攝影，三維激光掃描技術(shù)是測繪領域的一種新技術(shù)，能夠以每秒幾百萬個點的速度采集三維點云數(shù)據(jù)，且密度較高、紋理信息豐富，能夠反映更多的細節(jié)信息，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以得到被測物體或區(qū)域的完整信息。三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢：（1）采集速度快，且數(shù)據(jù)信息豐富，如色彩信息、反射率等；（2）點云數(shù)據(jù)精度高；（3）不需要接觸被測目標即可獲取數(shù)據(jù)，增大了測量范圍，且夜間也可以工作。

目前，比較常見的三維激光掃描儀采用的測距方法有脈沖式測距法、相位式測距法及激光三角法，使用的Trimble TX8 三維激光掃描儀采用脈沖式測距法。其基本原理是：首先安置好三維激光掃描儀，開機自檢；三維激光掃描儀發(fā)射激光到達被測物體，經(jīng)反射返回三維激光掃描儀，并計錄時間差t；三維激光掃描儀內(nèi)部的傳感器測得目標點P與儀器中心的距離S和目標點P與坐標軸之間的夾角；最終三維激光掃描儀內(nèi)置的計算機計算出目標點P的坐標值[5]。目標點的精確坐標算式為：

式中S為三維激光掃描儀中心O至目標點P的距離，其求解式為：

式中，Δt為激光脈沖信號從發(fā)出到接收的時間差；c為光在真空中傳播的速度。

1.3 傾斜測量技術(shù)在無人機領域的應用

無人機技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多以無人機為載體的測繪解決方案。經(jīng)過多年的發(fā)展無人機技術(shù)在飛行平臺、控制系統(tǒng)、實時圖傳系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及操作等各方面都得到了大幅提升，使得無人機技術(shù)的應用范圍越來越廣。輕型無人機以其輕巧靈活、高分辨率、高效、低成本、易于轉(zhuǎn)場和受天氣因素影響小等優(yōu)勢受到廣大從業(yè)者和研究學者的青睞，并在測繪調(diào)查領域取得諸多良好的理論成果和應用。隨著計算機視覺技術(shù)的發(fā)展，無人機搭載的可見光傳感器可以獲取目標物的多角度影像構(gòu)建真實場景的三維模型，同時獲得海量的密集匹配點云，并且能夠提供可靠的精度及測區(qū)內(nèi)的光譜信息，但是受無人機飛行高度與相機像素、角度的限制，獲取的影像信息不完整或不清晰，尤其是當拍攝對象被遮擋時，重建的模型會出現(xiàn)拉花、變形等問題，因此這是迫切需要解決的問題[6]。

2 基于無人機傾斜技術(shù)的機場三維重建過程研究

在采集完整的機場傾斜攝影信息圖像之后，首先對采集的圖像進行質(zhì)量處理檢查，補充不合格區(qū)域，直到滿足要求合理的圖像。其次再通過多視角影像匹配、空三解算、區(qū)域網(wǎng)平差等處理。最后，賦予每章圖像三維虛擬空間位置和姿態(tài)坐標，最終生成所需要的各種模型，如正射影像、數(shù)字高程模型、三維模型等。無人機傾斜測量的建模技術(shù)流程如圖1 所示，其具體流程由有以下幾點組成。

圖1 無人機傾斜測量技術(shù)流程

2.1 機場影像特征點提取和匹配

影像匹配是數(shù)字攝影測量關鍵技術(shù)之一，通過同名像點的提取及匹配，實現(xiàn)影像間的匹配。影像特征通常指的是影像在某些特性方面有明顯差異的特征，且能夠作為標志、匹配的區(qū)域。影像匹配過程的第一步是提取特征，第二步是對提取的特征利用某種方法進行描述，最后利用特征之間的相關系數(shù)完成匹配，而特征提取是影像匹配過程中最基礎也是最重要的一步。SIFT（Scale Invariant Feature Transformation）算法，是以機器視覺的算法來提取與描述影像中的局部特征，并且可以在尺度縮放、旋轉(zhuǎn)、亮度變化時保持不變，同時在仿射變換、噪聲等方面也具有良好的穩(wěn)定。SIFT 算法提取特征主要包括3 個步驟。

（1）檢測極值點

計算機視覺并不能判斷影像數(shù)據(jù)中的地物大小、長短，因此需要利用高斯卷積完成轉(zhuǎn)換，尺度空間定義和高斯函數(shù)分別由式（3）和式（4）計算：

（2）精確定位關鍵點及主方向

需要先確定關鍵點，上述得到的極值點處于離散空間當中，其中還包含有錯誤的極值點，這里利用DOG（Difference Of Gaussian）函數(shù)對其進行過濾即可以得到正確的極值點。確定關鍵點后，利用關鍵點的圖像梯度確定局部梯度結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定方向，以使關鍵點具有旋轉(zhuǎn)不變性。

（3）描述關鍵點特征

關鍵點的位置、方向確定后，以關鍵點為中心，選取鄰域內(nèi)8×8 的區(qū)域為采樣窗口，利用SIFT 特征向量描述關鍵點及鄰域的特征信息，這個過程稱為關鍵點特征的描述，影像的SIFT 特征向量的歐式距離作為關鍵點的相似性判定測度。

2.2 光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量

空中三角測量解算是指以POS（Position and Orientation System）數(shù)據(jù)和少量控制點坐標為基準進行區(qū)域網(wǎng)平差，最終解算出被測物體的精確三維坐標數(shù)據(jù)。空中三角測量根據(jù)平差數(shù)學模型的不同可分為航帶法、獨立模型法和光束法三種，目前光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測量是最嚴密并且最常用的方法。光束法區(qū)域網(wǎng)平差以單張像片組成的單束光線作為平差基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎方程，對模型公共點光束進行空間旋轉(zhuǎn)和平移，從而達到公共點光束最佳的交會，經(jīng)平差就可以解算出目標地物的三維坐標。

2.3 點云構(gòu)網(wǎng)及紋理映射

空中三角測量后生成較稀疏的點云，需要結(jié)合多視影像密集匹配技術(shù)進而生成高密度的點云，利用泊松算法則可以將高密度點云構(gòu)建為不規(guī)則三角網(wǎng)模型，也叫白膜模型，三角網(wǎng)的密集程度反映地形起伏情況。此時的白膜模型雖然可以憑借經(jīng)驗簡單識別，但是缺少本身的色彩即紋理信息，此時需要對白膜模型進行紋理映射。紋理映射本質(zhì)上就是尋找影像與白膜模型的對應關系，從而將真實的色彩紋理信息賦予給對應位置的白膜模型，生成還原真實場景的三維模型。

3 機場三維重建技術(shù)實驗分析

3.1 像控點布設和測量

像控點布設和量測為數(shù)據(jù)處理提供絕對坐標數(shù)據(jù)，從而將內(nèi)業(yè)處理后的成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至目標坐標系。一般情況下，像控點均勻分布于測區(qū)，保證在4 個角及中心區(qū)域都有像控點，避免像控點共線的情況。像控點可以選用人工像控點，如紅白棋盤紙或噴漆。本研究選用的像控點即為標靶紙，此外也可以選擇明顯的地物標志作為像控點，如道路標志的角點、地磚的接縫處等。針對研究的內(nèi)容，利用RTK 測量布設像控點的坐標，坐標系為國家坐標系。

3.2 結(jié)果分析

各個檢查點實測坐標與模型量測坐標的差值見表1。經(jīng)過計算，地形模型誤差結(jié)果為：X、Y方向上的中誤差分別為±1.5 cm、±1.5 cm，平面中誤差、高程中誤差分別為±1.8 cm、±1.8 cm。由上述誤差統(tǒng)計結(jié)果可知，地形模型和實景三維模型都具有較高的位置精度，究其原因是基于傾斜攝影測量的模型重建方法獲取的研究區(qū)域的傾斜較多，因此重建效果較好，另外是由于測區(qū)內(nèi)控制點分布較為密集的原因。

表1 機場三維重建模型精度統(tǒng)計

3.3 實例應用

所處理的點云數(shù)據(jù)可以進行模型構(gòu)建，包括機場實景三維模型和機場地形模型。數(shù)據(jù)不僅包含地面點云數(shù)據(jù)，還有地面上的附屬物的非地面點云數(shù)據(jù)，要構(gòu)建地形模型需要去除成果點云數(shù)據(jù)中的非地面點云。截取研究區(qū)域內(nèi)的飛機停機區(qū)域的點云數(shù)據(jù)用于地形模型的構(gòu)建，得到用于構(gòu)建地形模型的區(qū)域地面點云并構(gòu)建的地形模型，如圖2 所示，可以清晰地區(qū)分各種建筑物模型的輪廓。

圖2 機場三維重建模型局部信息圖

4 結(jié)語

通過采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，實現(xiàn)對機場的三維重建，以為機場規(guī)劃、設計和管理提供有效的數(shù)據(jù)支持。具體而言，包括深入研究傾斜測量技術(shù)、詳細介紹機場三維重建的流程、探討機場三維重建技術(shù)的應用，并總結(jié)研究的主要成果和創(chuàng)新點。通過本研究，希望為機場建設和管理帶來新的思路和方法，并為未來的機場規(guī)劃和管理提供廣泛應用的基礎。該方法能夠有效解決傳統(tǒng)方法存在的問題，實現(xiàn)了機場三維模型的快速、準確生成，對于機場規(guī)劃、設計和管理具有重要的實際應用價值。