無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)及三維建模的應(yīng)用

王玉柱，孟 強(qiáng)，孔 娟

（1.河南省地質(zhì)局礦產(chǎn)資源勘查中心，河南鄭州 450053；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450003）

近幾年，無(wú)人機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使攝影測(cè)量技術(shù)也有了較大的發(fā)展；出現(xiàn)了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，是由無(wú)人機(jī)與攝影測(cè)量學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物。它能夠全面感知復(fù)雜場(chǎng)景，并以高清晰、高精度的方式來(lái)呈現(xiàn)；改變了傳統(tǒng)攝影測(cè)量的工作方式，采集影像數(shù)據(jù)只能從正射角度進(jìn)行，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一場(chǎng)景從垂直、左視、右視、前視、后視五個(gè)方向獲取影像數(shù)據(jù)。該技術(shù)有效解決了在攝影測(cè)量方面存在的諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)區(qū)域的三維模擬，可以對(duì)被測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行全方位研究。從現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，具有效率更高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在測(cè)繪、防災(zāi)減災(zāi)、礦山測(cè)量、水利電力、交通、規(guī)劃以及大比例尺測(cè)圖等方面都發(fā)揮著重要作用[1]。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量概述

1.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的基本原理

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)由兩部分組成，無(wú)人機(jī)是搭載平臺(tái)，由傾斜攝影測(cè)量設(shè)備進(jìn)行攝影測(cè)量工作。傾斜攝影測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)場(chǎng)景五個(gè)方向的影像收集，包括垂直、左視、右視、前視、后視以及垂直方向，根據(jù)獲取到的影像數(shù)據(jù)信息中分析地形地物的幾何關(guān)系和紋理特征進(jìn)行三維重建，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體的實(shí)景三維模型，呈現(xiàn)出滿足精度被測(cè)場(chǎng)景的大小、形狀、平面位置、立面、側(cè)面、斷面以及地形狀況等[2]。無(wú)人機(jī)相較于載人飛行器，攜帶運(yùn)輸方便、組裝簡(jiǎn)單、受航空管制影響較小、成本較低、工作效率高，不需要機(jī)組人員，在地面實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制[3]。具有廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的基本流程

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的基本流程可以分為準(zhǔn)備階段、航測(cè)階段、數(shù)據(jù)處理階段[4]。

準(zhǔn)備階段主要包括明確用戶成圖比例的需求，地面分辨率要達(dá)到幾厘米；了解測(cè)區(qū)的地形起伏情況，選擇并準(zhǔn)備合適的相機(jī)、鏡頭、相片重疊度，并計(jì)算無(wú)人機(jī)的相對(duì)航高；像控布設(shè)及測(cè)量等。

航測(cè)階段主要包括航線的間隔和拍照間隔：設(shè)置好航線，外業(yè)工作一定要細(xì)心，起飛各項(xiàng)檢查要仔細(xì)認(rèn)真，參數(shù)設(shè)置是否正確，操作方法是否正確等。設(shè)備檢查：設(shè)備要從開(kāi)始組裝直到結(jié)束整個(gè)過(guò)程中都要仔細(xì)每個(gè)環(huán)節(jié)，各連接件情況、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況、航機(jī)工作情況、通信情況；航線航點(diǎn)、拍照間隔、拍照點(diǎn)是否按要求正常進(jìn)行等。

數(shù)據(jù)處理階段主要包括相片質(zhì)量檢查、空三加密、真正射糾正、三維建模以及DSM生成、立體測(cè)圖、成果整理等[4]。

1.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有：一是可以反映被測(cè)場(chǎng)景的真實(shí)情況：無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量可以獲得被測(cè)場(chǎng)景的高度、外觀以及位置等數(shù)據(jù)信息，根據(jù)三維數(shù)據(jù)構(gòu)建的被測(cè)場(chǎng)景三維模型相較于人工模型仿真度更高，更具真實(shí)感。二是性價(jià)比更高：無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量依賴于技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)航攝對(duì)于人員需求較小，總體上成本投入較低，并且輸出的成果可以有效滿足需求，整體性價(jià)比更高。三是工作效率高：其采用的自動(dòng)化三維建模，相較于人工建模，效率更好，工作周期大大縮短[5]。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建三維模型是在外業(yè)獲取影像后進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過(guò)影像匹配、空三加密、紋理映射等生成三維模型。目前處理軟件很多，本文研究主要運(yùn)用Smart3D 軟件，主要模塊包括Master、Setting、Engine、Viewer 等；Master 是一個(gè)人機(jī)交互界面、Setting是一個(gè)中間媒介、Engine是引擎端、Viewer可預(yù)覽生成的三維模型。應(yīng)用該軟件可以構(gòu)建出帶有紋理的一個(gè)模型，整體上更加真實(shí)、直觀[6]。

2.1 三維建模的基本原理

Smart3D 傾斜攝影測(cè)量三維建模的基本原理是利用空三加密計(jì)算出連接點(diǎn)，以連接點(diǎn)為基礎(chǔ)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，進(jìn)而生成三維框模，然后利用軟件在三維框模中輸入航攝影像資料，由軟件完成自動(dòng)映射，進(jìn)而輸出完整的被測(cè)場(chǎng)景三維模型。

2.2 三維建模具體處理

2.2.1 準(zhǔn)備工作

在三維建模之前做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，主要包括：整理并檢查外業(yè)獲取到的原始影像資料的質(zhì)量；按照既定的格式與順序創(chuàng)建相關(guān)數(shù)據(jù)信息表格；原始影像資料導(dǎo)入處理軟件，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理以及建模做好準(zhǔn)備。

2.2.2 空三加密

從獲取影像資料中提取出大量特征點(diǎn)，然后根據(jù)五個(gè)拍攝方位對(duì)提取的特征點(diǎn)開(kāi)始同名同點(diǎn)匹配，找出不同影像中與之對(duì)應(yīng)的外方位元素。完成空三加密操作后，可以查詢相關(guān)位置的信息或者其他情況，比如空三點(diǎn)位置密度、航帶全部飛行情況、單個(gè)影像資料覆蓋范圍等[7]。

2.2.3 導(dǎo)入控制點(diǎn)

一般情況下，在導(dǎo)入控制點(diǎn)之后還需要再次重復(fù)空三加密操作，如果在首次空三加密利用數(shù)據(jù)信息表格文件完成了Block導(dǎo)入，可以省略此項(xiàng)操作。選擇在空三加密之后進(jìn)行控制點(diǎn)導(dǎo)入主要是重復(fù)2次空三加密操作所需要的時(shí)間明顯少于完成控制點(diǎn)導(dǎo)入后再進(jìn)行空三加密的時(shí)間，并且還可以利用空三加密對(duì)航帶的詳細(xì)情況進(jìn)行了解，可以有效提升匹配控制點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的效率[8]。

2.2.4 模型貼圖

完成上述操作流程后，需要進(jìn)行模型分塊，此項(xiàng)工作主要是通過(guò)選擇tile 的尺寸完成。模型分塊操作結(jié)束之后，需要導(dǎo)出Smart3D 計(jì)算結(jié)果當(dāng)中不夠理想的部分，并利用第三方軟件進(jìn)行修改、編輯，重新整合數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性。最后利用Smart3D的回爐功能重新修改三維模型，并輸出新的結(jié)果，進(jìn)而構(gòu)建出被測(cè)場(chǎng)景的三維模型。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量相較于傳統(tǒng)的航攝方式應(yīng)用范圍更加廣泛、效率更高，其生成的三維模型在城市規(guī)劃、大比例尺測(cè)圖、礦山測(cè)量、應(yīng)急測(cè)繪保障等多方面均可以得到有效應(yīng)用。

3.1 城市規(guī)劃

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量收集城市各區(qū)域地形地貌，對(duì)政府進(jìn)行城市規(guī)劃、建筑選址等多方面可以提供參考，甚至可以將工程建筑模型與傾斜攝影測(cè)量三維模型進(jìn)行拼接，呈現(xiàn)出工程竣工后的真實(shí)效果。現(xiàn)階段，在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中，主要使用的數(shù)字化地圖，這對(duì)于非專業(yè)人士而言，不夠直觀、真實(shí)，如果可以無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的影像資料與項(xiàng)目鳥(niǎo)瞰圖結(jié)合，可以呈現(xiàn)更加直觀的效果，可以分析項(xiàng)目與周邊環(huán)境是否協(xié)調(diào)，這對(duì)于政府做出決策具有重要作用[9]。

3.2 大比例尺測(cè)圖

相較于傳統(tǒng)的航空拍攝測(cè)量，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量由于采用的無(wú)人機(jī)拍攝，拍攝高度相對(duì)較低，拍攝的影像分辨率更高，因此，根據(jù)傾斜攝影測(cè)量的影像資料完成的大比例尺測(cè)圖其精度更高[10]。近幾年在農(nóng)村集體土地確權(quán)、不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪等大比例尺測(cè)繪中得到廣泛應(yīng)用，并取得了較好的效果。

3.3 礦區(qū)測(cè)量

通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量拍攝的影像數(shù)據(jù)，生成三維模型可以更加真實(shí)地反映出礦坑的地形地貌，尤其是深坑、陡坎、懸崖陡壁等?，F(xiàn)階段，保護(hù)環(huán)境是大勢(shì)所趨，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量影像資料生成的三維模型可以準(zhǔn)確反映出礦坑的實(shí)際情況，在礦區(qū)整治、修復(fù)以及開(kāi)發(fā)利用等方面可以發(fā)揮極大的作用。某礦區(qū)經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采后，目前已經(jīng)成為廢棄礦坑，政府計(jì)劃對(duì)礦區(qū)進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，但是其中一個(gè)礦坑深入地下百余米，邊緣位置接近于垂直，測(cè)量人員難以進(jìn)入坑底，因此選擇利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量，生成三維模型，真實(shí)反映了礦坑的地形地貌，為政府決策提供了參考依據(jù)[11]。

3.4 兩違管控

將當(dāng)前無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的數(shù)據(jù)與以往的房屋輪廓線以及層高dwg 數(shù)據(jù)與進(jìn)行套合，可以直觀地分辨出被測(cè)區(qū)域內(nèi)的房屋是否有新建或者拆遷的情況。一般情況下，選用正射影像進(jìn)行對(duì)比，然而如果建筑增加層數(shù)或者改變用途，采用正射影像無(wú)法有效體現(xiàn)。比如部分違規(guī)建筑是在建筑頂層搭建鋼構(gòu)房屋，正射影像無(wú)法反映出建筑變更，此時(shí)就需要利用三維模型，這樣可以直觀反映建筑層高、建筑高度以及建筑材質(zhì)。將以往的dwg 數(shù)據(jù)與之進(jìn)行對(duì)比，可以直觀反映建筑是否存在增建、改建以及拆除的情況，這可以有效降低“兩違管控”的工作難度，同時(shí)在拆遷方面也可以得到有效應(yīng)用。

4 小結(jié)

綜上所述，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并帶來(lái)了較大的便利；該技術(shù)能夠獲取更加準(zhǔn)確、豐富的數(shù)據(jù)信息，能夠方便應(yīng)用于重設(shè)三維的智能實(shí)體中，可以降低測(cè)繪成本。在今后的發(fā)展中，還需不斷發(fā)覺(jué)、研究、嘗試更多的先進(jìn)技術(shù)，如紅外技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)等在傾斜攝影測(cè)量中的應(yīng)用，通過(guò)無(wú)人機(jī)技術(shù)的續(xù)航能力和穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng)，測(cè)量范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，結(jié)合三維建模技術(shù)獲取更多更準(zhǔn)確的信息和數(shù)據(jù)，可以預(yù)見(jiàn)必然會(huì)獲得更大的發(fā)展，更多行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[12]。