企業級無人機傾斜攝影與實景復現技術全流程研究

游赟 郭瀚林 梁平 錢濟人 季壽宏

【摘? 要】近年來，無人機傾斜攝影及實景復現技術被廣泛應用。然而，目前企業在實際生產建設中并沒有關于其成熟的作業流程及管理制度，這無疑會帶來一系列問題。因此，論文分析了研究該技術的全流程實現路徑，搭建了無人機傾斜攝影與實景復現技術全流程作業模型，對企業的相關作業具有一定的指導意義。

【Abstract】In recent years， UAV tilt photography and realistic reproduction technology has been widely used. However， there is no mature operation process and management system in the actual production and construction of enterprises， which will undoubtedly brings a series of problems. Therefore， the paper analyzes and researches the whole process realization path of this technology and builds a whole process operation model of UAV tilt photography and realistic reproduction technology， which has certain guiding significance for the relevant operations of enterprises.

【關鍵詞】無人機;工程領域;傾斜攝影;三維實景復現

【Keywords】UAV; engineering field; tilt photography; 3D realistic reproduction

【中圖分類號】P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）03-0181-02

1 引言

近年來，科技的飛速發展對勘察測繪、施工建設、能源安全等傳統工程領域提出了更高的技術要求。而目前跨行業應用最活躍的技術當屬行業級無人機所衍生的各種相關技術，其中，無人機傾斜攝影與實景復現技術應用最為廣泛。無人機高度集成化的作業極大減少了企業人力、物力、財力的投入，并且作業產出具有更高程度的可復盤性與可解釋性。然而，目前整個作業流程并沒有成熟的規范和標準，這會導致其中某些環節出現問題進而影響產出質量甚至導致事故的發生。因此，本文基于其全流程作業進行探討與研究。

2 傾斜攝影與實景復現技術在企業應用的現狀

2.1 在管道勘察方面的應用

對于敷設在野外的石油與天然氣管道的勘察工作來說，無論是早期建設階段的定位放線還是運營階段的高后果區、地質災害評價，無人機傾斜攝影與實景復現技術都可以發揮巨大作用。通過無人機傾斜攝影可以安全、高效、全方位地獲取管道路由及周邊的地理信息，同時，實景復現所產出的高還原度模型可以提供更加有效的決策支持。圖1為掛載三鏡頭傾斜攝影相機的大疆M600型無人機。

2.2 在電力巡檢方面的應用

傾斜攝影與實景復現技術極大地提高了電力維搶修的效率，使許多工作能在完全帶電的環境下迅速完成，確保了作業人員的人身安全以及供電安全[1]。同時，由于無人機作業不受地形等因素影響，使得險峻山區段“巡檢難”的問題得以解決[2]。

2.3 在地籍測繪方面的應用

傳統的地籍測繪工作具有機動性差、費時費力以及測繪結果精度低等特點。而將無人機傾斜攝影與實景復現技術應用于此可以更好地滿足實際需求，尤其是對于其中宗地的地籍界址點、權屬界線、土地面積、土地用途等的定位與定性具有不可替代的優勢[3]。因此，此技術的出現為地籍測繪工作帶來了新的契機。

3 傾斜攝影與實景復現技術的特點

傾斜攝影與實景復現技術具有很多不可替代的優勢，主要體現在對企業所投入的人力、物力、財力等方面的“輕量化”上。

3.1 高程度的作業自動化與集成化

作業人員只需要做好航點設置、航線規劃等無人機作業前準備工作即可，不需要深入現場親自作業。作業全程中，由無人機代替作業人員按照預先設置好的“既定工作流程”嚴格執行作業。

3.2 適應多種作業場景的高機動化

無人機在傾斜攝影作業過程中不受環境的限制[4]，在險峻山區、多河流、強電、有毒氣體等惡劣作業環境中，相較于人工作業具有不可替代的優勢。它不僅可以避免作業人員在作業過程中發生意外，而且還可以高效地解決傳統作業中由于人工作業而不可避免導致的局限性。

3.3 高質量化及高解釋化的作業產出

無人機傾斜攝影及實景復現技術通過Pix4D、PhotoScan、ContextCapture等建模軟件進行三維建模作業，最終產出具有高還原度的三維模型。產出的模型不僅高度還原了實際地物的各種細節特征，而且還可以在模型上進行參數測量、填挖方分析、環境動態分析等操作，對于決策支持具有極大的幫助作用。

4 作業流程搭建及研究

4.1 外業無人機傾斜攝影工作流程

①無人機作業前的準備工作。在作業前，工作人員需要進行一定的準備工作，包括：無人機作業區域、起落航點、航高、航線等參數的設置，這是在前期對作業區域情況調查的基礎上進行的。作業區域可以在Google Earth上劃分再導入飛控軟件，這可有效解決因信號微弱而導致的地圖底圖缺失的問題;起落航點盡量選擇開闊地帶以確保無人機起降的安全性;航線由影像重疊率決定，一般設置旁向75%，航向85%即可確保作業質量[5];航高的設置依據作業區域當地的航空管制規定。②無人機作業中的必要工作。在作業過程中，操作人員無需人工干預。但需要注意無人機在空中的姿態以及可能發生的突發事件（例如，電量不足、電磁干擾等問題）以便采取相應措施。③無人機作業后的評價工作。完成作業后，需要將傾斜攝影獲取的影像及POS數據導出進行檢查。需要檢查每個鏡頭拍攝的照片數量是否一致、照片是否出現畸變、POS數據是否完整等。如果有必要，則進行該部分的補飛作業。

4.2 內業實景復現工作流程

①數據校準。內業工作人員取得外業數據后，首先需要將數據進行校準。主要包括影像數據批量編碼、畸變數據分離、POS數據對齊等操作，經校準后得到有效數據。②空中三角運算（Aero-Triangulation）。將有效數據導入ContextCapture等軟件中提交空中三角運算，此時軟件內置算法會自動將數據進行平差解算，以得到所需的密集點云模型（Dense Point Cloud），如圖2所示，如果模型畸變則重新提交空中三角運算來平差解算。③構建TIN模型。構建TIN模型時，為了提高模型精度，需要先對密集點云模型進行處理，主要包括優化像素的數據匹配、刪除冗余像素點等操作。對于解算出的TIN模型需要進行一定的三角網和曲面的優化。④自動紋理貼圖運算。ContextCapture基于瓦片技術，將整個建模區域分割成若干瓦片，分別將單個瓦片進行實景紋理映射[6]，然后再將它們拼接成整體的三維模型并輸出，如圖3所示。實際生產中，推薦在局域網組成“1+n”主、輔機模式集群建模機組來進行生產以提高建模效率。

4.3 無人機傾斜攝影與實景復現技術作業全流程的實現

基于上述分別對無人機傾斜攝影與實景復現技術的外業、內業兩個作業方面的研究分析，可以得到其全流程作業實現模型，如圖4所示。

5 結語

無人機傾斜攝影與實景復現技術的全流程作業的實現可以分為兩大部分，外業無人機傾斜攝影作業和內業三維實景復現作業。通過將無人機與掛載傾斜攝影相機、集群機組、自動化建模軟件等硬件和軟件的結合，可以高效產出高質量的三維實景模型，為勘察測繪、施工建設、能源安全等傳統工程領域提供高效決策支持。

【參考文獻】

【1】錢金菊，潘子宇，麥曉明，等.基于多傳感器融合的無人機電力線巡檢[J].測控技術，2021，40（1）：100-104+131.

【2】羅澤雄，劉秀，羅志勇，等.高精度無人機在變電站巡檢中的應用[J].工程技術研究，2020，5（23）：244-245.

【3】袁玉勇.無人機傾斜攝影測量在土地綜合整治中的應用[J].工程技術研究，2020，5（9）：255-256.

【4】Restas A.Drone applications for supporting disaster management[J].World Journal of Engineering and Technology，2015，3（3）：316.

【5】Gupta S K，Shukla D P.Application of drone for landslide mapping， dimension estimation and its 3D reconstruction[J].Journal of the Indian Society of Remote Sensing，2018，46（6）：903-914.

【6】王文敏，王曉東.基于ContextCapture Center平臺的城市級實景三維建模技術研究[J].測繪通報，2019（S1）：126-128+132.