基于無人機機載激光雷達的海島建筑物高度測算技術

杭 芬12

(1.信息工程大學，鄭州 450000； 2.河南建筑職業技術學院，鄭州 450000)

0 引言

我國對于海島有著明確的監管方式，但是由于海島眾多，且遠離大陸，很難及時準確地掌握海島信息，因此對海島進行監視監測是一項至關重要的任務。測算海島建筑物高度數據是海島監視的任務之一，通過海島建筑物高度數據，可以構造出完整真實的三維海島模型圖[1]。近年來，遙感技術飛速發展，在各個領域都得到了廣泛的應用，目前使用的測算方式多是利用遙感技術設計的，但是在測量海島建筑物高度時，依舊存在著一定的局限。目前的海島建筑物高度測算遙感技術擁有的弊端主要是訪問周期長、時效性差、分辨率低，尤其是在多霧天氣，雷達難以拍攝到分辨率高的影像資料，難以完成高度測算[2]。

無人機包括機體、動力系統、導航和控制系統等電子設備，具有很高的自動化程度，花費成本低，操作過程簡單，在航空拍攝、巡視偵查、災害搜救等領域發揮著重要的作用[3]。無人機機載激光雷達可以利用遙感技術測算海島建筑物的高度，獲取海島的動態，為查詢海島信息、制定決策提供有效的資料來源，通過無人機機載激光雷達進行海島建筑物高度測算，不僅可以實現安全運行的自動化，同時可以確保調度決策的自動化[4]。

當前國內已經有部分研究所針對海島建筑物高度測算進行研究，但是卻鮮少有利用無人機實際開展測算的報導[5]。本文基于無人機機載激光雷達研究了一種新的海島建筑物高度測算技術，利用無人機拍攝遙感影像，分析遙感影像建筑物的圖像，建立三維模型，將建立的三維模型從圖像空間坐標系轉換到大地空間坐標系中，根據與島上建筑物實際高度的對比結果，判斷測算的精確度。通過實驗驗證該測算技術的有效性，本研究對于更好地實現海島管理和海島開發工作有重要意義，設計的測算技術可以為各項工作提供理論支撐。

1 海島建筑物高度測算關鍵技術

本文研究的基于無人機機載激光雷達的海島建筑物高度測算技術主要使用了兩種關鍵技術，分別是無人機自動控制技術和三維重建技術。

在海島建筑物高度測算中，無人機自動控制技術占據著核心地位，在無人機內部搭載云臺和攝像頭，無人機通過云臺和攝像頭在高空獲取不同位置的地面影像圖。在自動獲取地面影像圖時，無人機很可能受到人為干擾，產生誤差，無人機自動控制技術可以很好地解決這一問題，降低拍攝難度[6]。通過遙控器將地面站規劃的飛行任務傳給無人機，無人機根據固定地軌跡飛行，拍攝照片，通過控制飛行速度來把握拍照速度，使無人機可以自動獲取海島建筑物影像，實現測量[7]。

三維重建技術是計算機視覺的延伸技術，主要負責處理航空攝影測量得到的照片數據，利用立體攝影測量原理在多張具有重疊度的照片中找出相同特征點，并對這些特征點實施追蹤，進而分析出測量目標的三維空間坐標，根據確定的三維空間坐標合成三維模型。在海島建筑物中設立控制點，根據相似變換的方法將圖像空間坐標系的三維模型提取出來，放置到大地空間坐標系中。無人機具有很強的記錄能力，在進行攝影測量時，拍攝每張照片的相機位置和云臺姿態都能很好地被記錄下來，這些信息可以有效提高數據處理精度，使得到的三維重建模型更加精準，從而提高解析速度和測量質量。

2 基于無人機機載激光雷達的海島建筑物高度測算

在利用無人機機載激光雷達進行海盜建筑物高度測算時，通常無人機航拍任務需要飛行5架次。首先設計測量方案，然后準備測繪需要的材料，接著進行無人機外業飛行，通過無人機獲取多點多角度照片，對拍攝的照片進行篩選，根據篩選的結果構建三維模型，在完成三維模型修正之后，輸出測算數據，實現測算工作。從無人機飛行拍攝到三維模型修正的過程中，地面都需要布設控制點[8]。

本文選用的無人機為拓普康獵鷹8號八旋翼無人機，該無人機結構如圖1所示。

圖1 拓普康獵鷹8號八旋翼無人機結構

觀察圖1可知，拓普康獵鷹8號八旋翼無人機呈“V”字型，具有監控、測繪等多方面功能，無人機內部加入了頂級傳感器、自主減震裝置、IMU慣導系統，使用的拍攝相機是由索尼公司生產的α7R高分辨率數碼相機，該相機可以實現360°全方位、無死角拍攝，從多個維度和多個視向獲得海島建筑物照片。拓普康獵鷹8號八旋翼無人機自身重量僅為940 g，輕便靈活，可以載荷的任務重量為1 200 g，最高可以飛行高度為1 000 m，在環境風力≤6級的情況下，該無人機的飛行時間可以達到20分鐘。

2.1 海島建筑物多點多角度照片拍攝

由于海島建筑物地形復雜，所以無人機每次飛行的軌跡也不同，為了更好地適應海島環境，設置了兩種不同的飛行拍攝方案，分別是折線形飛行方案和環繞型飛行方案，如圖2所示。

圖2 無人機測算飛行方案

如圖2所示，折線形飛行方案的無人機飛行軌跡為折線，在整個測算過程中，無人機的機頭朝向始終保持在一個方向上，航向的重疊率為65%，旁向的重疊率為50%，每隔2s無人機完成1次拍攝。通過5次航行執行拍攝任務，每次航行相機的角度都不同，第一次航行相機的鏡頭角度為豎直向下角度；第二次航行相機的鏡頭角度為向前傾斜45°；第三次航行相機的鏡頭角度為向后傾斜45°；第四次航行相機的鏡頭角度為向左傾斜45°；第五次航行相機的鏡頭角度為向右傾斜45°。

環繞型飛行拍攝方案無人機的飛行軌跡為弧形，在飛行拍攝過程中，飛機的機頭始終對著島嶼的正中心，軌跡旁向重疊率高于折線形飛行方案的旁向重疊率，可以達到60%，拍攝的時間間隔為2 s。5次飛行過程，無人機內部的相機鏡頭始終面向與豎直方向和水平方向呈現45°的島嶼中心，不同拍照間隔得到的圖像集為島嶼環繞圖像集。環繞型飛行的攝影原理為傾斜攝影原理，傾斜攝影可以從多個視點和多個視角獲得影像，使側面信息更加詳盡[9]。

無論是使用折線形飛行方案，還是環繞型飛行方案，無人機都會記錄下飛行高度、飛行速度、航向重疊、旁向重疊、坐標等重要參數，利用這些參數建立三維模型，從而實現測算。

2.2 基于無人機機載激光雷達的海島建筑物三維建筑模型

由于海島建筑物環境復雜，所以需要在不同位置和不同高度設置多個地面影像控制點，本文的測量技術選擇了5個位置，并對每個位置的GPS坐標和相對高度進行記錄。地面影像點布置的方位如圖3所示。

圖3 地面影像點布置方位

布設的像控點必須與平高區域的網航線保持一致，當平面點和高程點不在一個位置時，要聯測成平高點，設置的布控標志必須要清晰明了，使無人機在高空可以直接觀測到，黑白反差度小的區域也不可以作為布控點。

無人機外業成員通過航拍得到各個海島區域的特征圖像。通過采集的照片特征數據建立三維建筑模型，所得到的照片必須要具備極高的分辨率、重疊度和清晰度，并且得是在光照條件好的情況下拍攝的。針對海島建筑物建立三維模型，建筑物的每一個部位都要有都要有3個以上的視點，得到的影像資料重疊度要大于80%，旁向重疊要大于50%，如果局部部位拍攝不全，還要進行補拍。下圖為海島建筑物中的某一建筑物，針對這一建筑物進行影像拍攝，拍攝過程如圖4所示。

圖4 筑物拍攝過程

在得到目標建筑物的影像信息后，利用Smart3D建模軟件進行建模，該軟件是一款全自動軟件，可以實現高清建模，內部的人機交互界面十分方便友好，除此之外，Smart3D建模軟件具有強大的數據兼容性和數據運算能力，對于硬件的配置要求較低，操作簡單，建立的三維場景模型生動逼真，分辨率高，與真實信息十分接近。Smart3D建模軟件可以將無人機硬件中的各種原始數據采集到數據庫中，利用這些原始數據進行還原，打造最為真實接近的海島建筑物模型。軟件處理后得到osbg格式的模型，對周邊建筑物進行矢量信息化處理，從而加快測量速度，提高測量精度。

在利用Smart3D建模軟件完成建模后，通過設定地面影像控制點對后期制作的三維模型進行修正，去除模型中的雜質邊緣、孔洞和不連續點，使建立的三維模型更加生動逼真。得到的海島建筑物三維模型如下圖5所示：

圖5 海島建筑物三維模型

分析照片中特征點的經緯度，根據分析結果建立將建立的三維模型從圖像空間坐標系轉換到大地空間坐標系中，通過圖3中的影像控制點對模型實現進一步修正。對于特征較弱的建筑區域可以直接過濾，利用圖6地面測量控制點靶標圖像修正海島建筑物的三維模型。當三維模型的分辨率可以達到0.25 m時，測算出來的海島建筑物高度與精度要求相同。

圖6 地面測量控制點靶標圖像

3 實驗研究

3.1 實驗目的

為檢測基于無人機機載激光雷達研究的海島建筑物高度測算技術的測算精度，與傳統海島建筑物測算技術進行實驗對比。

3.2 實驗參數設計

選用的機載激光雷達型號為GL—70，參數如表1所示。

表1 實驗參數

3.3 實驗結果與分析

根據上述實驗參數進行實驗，同時選用傳統的測算技術以及加入本文研究的基于無人機機載激光雷達的測算技術對10個海島建筑物高度進行測算，比較得到的數據質量，分析測算精度，得到的實驗結果如下：

1)激光點云數據質量測試。

無人機機載激光雷達的激光點云數據質量對于后期測算建筑物高度有著重要的影響，通常完整性強、匹配能力高的激光點云數據建模更加容易，得到的測算結果精準度也更高。對比傳統測算技術和本文研究的測算技術的激光點云數據最大密度和平均密度，得到結果如表2所示。

表2 激光點云數據質量測試結果

分析上表可知，基于無人機機載激光雷達的海島建筑物高度測算技術的激光點云數據最大密度和平均密度高于傳統測算技術得到的激光點云數據最大密度和平均密度。傳統測算技術通常僅是針對某一種特定的區域研發，適應性差，在解決復雜的海島建筑物高度信息數據提取這一問題時，能力不強，尤其是面對復雜區域，這一局限更加明顯，利用無人機激光雷達研究的測算技術可以通過濾波技術將非建筑物中的地表信息數據從原始的點云數據中清除，從而確保了數據的連續性，剔除掉異常數據后，激光云點信息將與真實信息更加接近。

2)測算精度測試。

由圖7可知，本文研究的測算技術測得的建筑物高度與海島建筑物的實際高度相似度高，在測算建筑物2、建筑物8和建筑物10時，都能得到與真實值完全相符的測算結果，而傳統的測算技術測算能力遠遠低于本文研究的基于無人機激光雷達的海島建筑物高度測算方法，誤差極大。

圖7 控制時間測試結果

3.4 實驗結論

海島是一個特殊的地理結構，四面環水，地處偏僻，土地面積較小，因此測量海島上的建筑物高度變得更加困難。目前使用的海島建筑物高度技術多是利用單景衛星遙感影像進行測算的，測算誤差大，且激光點云數據最大密度和平均密度過小，很難保證測量精度。

無人機機載激光雷達作為一種新型遙感技術具有方便靈活的特點，可以利用拍攝地遙感影像分析建筑物的各項信息，根據分析結果在圖像空間坐標系中進行建模，在地面上布控地面影響點，將建立的三維模型從圖像空間坐標系轉換到大地空間坐標系中，從而得到更加精準的測算結果。本文研究的海島建筑物測算技術不僅消耗成本低，而且測量速度快，測量精度高，能夠結合多種測算方法，完成三維可視化綜合性測算。

4 結束語

無人機機載激光雷達是一種實用性很強的遙感技術，可以幫助無人機拍攝高分辨率、高質量圖像。本文基于無人機機載激光雷達研究了一種針對海島建筑物高度的測算技術，對無人機獲取的多視影像圖進行疊加，從而解決圖像失真問題，利用Smart3D建模軟件完成建模，將建立的三維模型從圖像空間坐標系轉換到大地空間坐標系，從而得到海島建筑物高度。本文研究的高度測算技術可以在低成本的條件下獲取高精度的測算結果，在保護海島建筑物、評估海島災害、海島應急指揮、監測海島環境等方面都有著重要的意義。