無人機傾斜攝影實景三維技術研究

文/孫懷木

當今城市的飛速發展離不開科學的規劃，而為了更好地開展城市規劃工作，相關部門必須對所在城市的地形地貌進行三維建模。傳統的建模技術成本較高，因此無人機傾斜攝影測量技術得以廣泛應用。該技術不僅可以輔助相關部門開展測量工作，為三維模型的構建提供科學依據，還能大幅降低投入成本。此外，此類無人機通常由多個傳感器組成，可以提供較為全面的三維數據，幫助解決三維建模過程中的各種問題，它是目前城市規劃中最為重要的技術手段之一。基于此，本文主要圍繞無人機傾斜攝影三維實景技術展開探討。

如今，三維建模技術已經逐步取代了傳統的二維平面設計，成為城市規劃的重要組成部分。同時，三維建模中的元數據普遍具有多樣性，其包含近景攝影數據、航拍數據、衛星影像數據等，因而對數據的精準度要求更高。簡而言之，無人機傾斜攝影實景三維技術具備建模速度快、精準度高、拍攝范圍廣等多種優勢，并且運行成本相對較低，能夠有效滿足城市規劃的多種需求。

一、無人機傾斜攝影實景三維技術的工作原理

2010年，我國引進數據處理攝影技術以及無人機航測技術，并將二者結合應用，經過多年的發展，相關技術日趨成熟。無人機傾斜攝影技術是從傳統的無人機低空遙感技術發展演變而來的，并且普遍應用于超高空作業。需要注意的是，在高空亂流和低溫條件下，無人機設備在工作過程中很有可能會出現損壞。無人機傾斜攝影實景三維技術的工作原理是：在無人機上搭載多個傳感器攝像頭，例如一個正攝像頭搭配4個傾斜攝像頭，以有效增強實際測量效果。其中，常規攝像頭和垂直攝像頭均適用于4D拍攝，傾斜攝像頭則更注重對地面紋理的捕捉。通過多個攝像頭的組合利用，無人機可以對地面的起伏物、紋理等進行精準測量。與傳統的航測技術相比，無人機傾斜攝影測量結果的精準度更高，由此構建的城市規劃三維建模的實用性也更加顯著。[1]

二、無人機硬件選擇

（一）飛行設備的選擇

就目前來看，市場上的無人機種類繁多，若根據其動力系統進行分類，則可以分為電池動力和內燃機動力兩種類型；若根據飛行方式進行分類，則可以分為旋翼和固定翼兩種類型。由于無人機在飛行過程中普遍存在機身震動等問題，所以單就成像質量來看，電池動力型無人機明顯要高于內燃機動力型無人機；在續航時間以及作業效率方面，固定翼型無人機的作業效率更高；在飛行穩定方面，旋翼型無人機的飛行穩定性明顯更高。相關部門應根據實際需要，謹慎選擇。

（二）攝像頭的選擇

在采用無人機傾斜攝影實景三維技術時，相關部門必須注意以下幾點。航測標準要求無人機攝像頭的像素不得低于3500萬，進行傾斜攝影時不能對單一攝像頭的像素進行限定，但是需要控制一次曝光獲取的像素。在性能方面，航測標準要求明確傾斜攝像頭的作業時間、續航時間、影像能力、曝光功能以及POS記錄等多個方面的表現。第一，傾斜攝影一次曝光采集的像素應越高越好，且單個攝像頭的像素不得低于2000萬，一次曝光應超過1億像素。[2]第二，傾斜攝影作業時間至少在90分鐘以上，且最好具備全天候作業的能力。第三，優先選擇具備定點曝光功能的定焦鏡頭，且對焦距離能夠滿足重疊度的測量需求。

三、無人機傾斜攝影實景三維技術的應用要點

（一）規劃航線

工作人員在規劃航線時，應將無人機的飛行高度控制在合理范圍內。如果在測量過程中，無人機缺乏航線規劃的指導，將很難按照規律路線飛行，并且在飛行過程中，單純依靠人工操作是很難對無人機的飛行方向進行掌控的。另外，工作人員要想確保采集數據的準確性，就需要保障無人機勻速飛行，均勻穩定地采集數據。考慮到無人機在開展空中作業時，很有可能會受到空氣流速等多種因素的影響，進而出現失衡、失穩、影像數據模糊等問題。[3]同時，三維建模等對影像數據的采樣率和重疊率有著非常高的要求，若單純依靠人工操作，將很難保證影像數據的采集質量，甚至不得不二次補測，嚴重降低工作效率。因此，在采集實景數據之前，工作人員必須落實航線規劃工作。在通常情況下，最理想的測區大多為矩形，這與傳統航空攝影過程中所設置的矩形測區相類似。其規劃相對簡單，工作人員只需要設定平行航線后，操縱無人機折返拍攝即可。但在實際工作中，測區形狀很有可能是不規則的多邊形或者長條形，進而在一定程度上加大了航線規劃以及執行的難度。

（二）布設像控點及測量

像控點的布設通常會對測量結果產生極大的影響。為全面提升像控點布置的科學性和合理性，工作人員應嚴格按照以下幾點原則來開展工作。第一，在不設像控點的情況下，應盡量選擇不具備爭議的參照物，例如墻角、田地等；在選擇像控點時，應盡量選擇在地形有明顯起伏的區域。第二，一般像控點的布設邊距不能小于1～1.5厘米，以有效避免在攝影測量過程中發生數據匹配失誤的情況。第三，為確保無人機攝影工作的順利推進，像控點的布設應盡量選擇視野比較開闊的區域，而不能布設在有較大遮擋物的地方。[4]第四，像控點的布設應綜合考慮交通便利、容易保存等實際需要，以便為后續影像數據精準度的驗證工作提供科學依據。

（三）測量空中三角

無人機在航拍過程中會自動存儲POS數據，因此，工作人員可以在實際測量過程中，使用空中三角測量技術進行加密測量，同時注意以下幾點：第一，在完成數據資料預處理的前提下，建立相應的工程文件，并且添加無人機航拍獲得的影像資料；第二，將無人機自動存儲的POS數據傳導至相應的軟件系統中；第三，進行同名點的匹配，以獲得相應位置的空中三角測量點云，然后再結合無人機傾斜攝影測量過程中系統自動存儲的實景影像數據對絕對定位做平差處理，處理完成后及時對空中三角數據進行加密結算；第四，導入控制點，重新匹配并優化相應定位，輸出包含自檢相機誤差、控制點精度以及空中三角誤差等在內的質量報告。

（四）制作地形圖

以大比例尺地圖的制作為例，在制作過程中，采集的數據將成為構建三維模型的基礎。因此，工作人員必須操控無人機采集地貌、地物以及各個標記點的影像數據。如果因存在遮擋物而無法采集地貌信息，工作人員需要對無法采集的區域單獨標注，然后及時反饋給外業測量人員，督促其使用全站儀進行補錄，從而確保采集數據的全面性、準確性。另外，在采集線狀地物的影像數據時，工作人員需確保無人機的采集方向與線狀地物的實際走向相一致，并且線狀地物能夠準確接觸到邊線。在保證各項數據沒有誤差的前提下，工作人員應使用CASS10.1軟件平臺自動化處理數據，生成被測區域的數字規劃圖，然后再人工標注各個采集點，例如水系、建筑物、高程、地名等。需要注意的是，各個標記點的疏密程度須與地圖的比例尺保持一致，以保證地圖的精準度和美觀性。

（五）提高三維模型的精度

當前，處理數字模型問題的常用方法是數字精度消除法?？紤]到用于城市規劃的三維模型需要展示所在城市內部各個建筑物的相關參數，因此在測量過程中，工作人員必須嚴格控制測量誤差，并在數據處理過程中盡量消除數據誤差，以確保數據處理和測量結果的精準度。目前，影響無人機傾斜攝影三維建模精準度的主要因素便是測量誤差。因此，在使用無人機傾斜攝影實景三維技術過程中，工作人員必須盡可能規避外界因素引起的誤差，科學控制誤差率，以有效提升測量結果和三維模型的整體精準度。

四、結語

綜上所述，無人機傾斜攝影實景三維技術在地形勘測、三維建模等領域應用廣泛，該技術能夠在全面提升三維模型精準度的同時，大幅節約運行成本。工作人員可操控無人機拍攝固定區域并采集相關數據資料，再利用無人機上的多臺傳感器獲得并還原相應數據信息，最終生成所在城市的三維模型。隨著攝影技術以及無人機技術的全面發展，在不遠的將來，無人機傾斜攝影實景三維技術的圖像精準度有望達到亞米級別。屆時，無人機傾斜攝影實景三維技術必將為城市規劃提供更大的幫助，促進城市規劃設計水平的進一步提升。