無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在測(cè)繪工程中的實(shí)施與應(yīng)用

林偉清

摘要： 近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，土地資源的需求量越來(lái)越大。傳統(tǒng)測(cè)量手段無(wú)法滿足需求，因此需要尋找新的方法進(jìn)行測(cè)量。利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝傾斜照片獲取影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過(guò)圖像處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、分類及導(dǎo)入，完成地形圖繪制任務(wù)。首先，介紹了無(wú)人機(jī)的基本原理以及其在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。其次，詳細(xì)闡述了無(wú)人機(jī)拍攝傾斜照片的基礎(chǔ)知識(shí)，包括飛行器的運(yùn)動(dòng)軌跡、相機(jī)的安裝位置、相機(jī)的參數(shù)設(shè)置等方面。再次，介紹了無(wú)人機(jī)拍攝傾斜照片后所產(chǎn)生的影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其特點(diǎn)。最后以某小區(qū)為例進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)并分析了結(jié)果。主要成果包括：（1）提出了一種基于無(wú)人機(jī)拍攝傾斜照片獲取影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，具有成本低廉、效率高的特點(diǎn)；（2）根據(jù)不同類型的影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立了相應(yīng)的算法模型，實(shí)現(xiàn)了影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取、分類及導(dǎo)入等工作；（3）成功地將影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于制備地形圖，并且得到了較好的效果。

關(guān)鍵詞： 無(wú)人機(jī)傾斜攝影 影像點(diǎn)云數(shù)據(jù) 測(cè)繪工程 地形圖繪制 圖像處理軟件

中圖分類號(hào)： P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2023）24-0136-03

無(wú)人機(jī)傾斜攝影指通過(guò)攜帶有攝像頭的無(wú)人機(jī)，通過(guò)多角度對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量的操作。相較于最初的垂直攝影，傾斜攝影可以將測(cè)量物體與地區(qū)的高差展示出來(lái)，使所拍攝的影像更加真切、直觀。因此，研究無(wú)人機(jī)攝影在測(cè)繪工程中的應(yīng)用具有重要的意義。

1 傾斜攝影原理及特點(diǎn)

1.1 傾斜攝影原理

傾斜攝影是指在一定距離內(nèi)，利用傾斜角度相機(jī)對(duì)地面進(jìn)行連續(xù)拍攝的一種攝影技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的垂直攝影，傾斜攝影可以在更短的時(shí)間內(nèi)獲取到更多地面信息，具有以下特點(diǎn)。

首先，傾斜攝影可以得到更廣闊的覆蓋范圍。相機(jī)傾斜角度的增加可以擴(kuò)大攝影的視場(chǎng)，從而在同一時(shí)間內(nèi)能夠獲取更多的地面信息。這使得傾斜攝影適用于大范圍地物的拍攝，如城市區(qū)域、建筑物等［1］。

其次，傾斜攝影具有更高的分辨率。相機(jī)的傾斜角度越大，同一地物在不同角度下的影像像素?cái)?shù)目越多，可以提高地物的分辨率。這對(duì)于要求較高地物細(xì)節(jié)的測(cè)繪工作非常重要，如建筑物立面的測(cè)量等。

最后，傾斜攝影能夠獲取三維信息。傾斜攝影可以通過(guò)拍攝角度的變化進(jìn)行多視圖幾何推求，從而得到地物的三維坐標(biāo)［2］。這為三維建模、地形分析和量測(cè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

總之，傾斜攝影原理的特點(diǎn)是通過(guò)傾斜角度相機(jī)對(duì)地面進(jìn)行連續(xù)拍攝，可以獲得更廣闊的覆蓋范圍、更高的分辨率和三維信息。該原理在測(cè)繪工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，并且有著廣闊的發(fā)展前景［3］。

1.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是一種通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜照片獲取影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)量方法。相比于傳統(tǒng)的測(cè)量手段，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有以下特點(diǎn)。

1.2.1 高精度

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝傾斜照片獲取的影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有較高的精度。由于無(wú)人機(jī)可以在空中進(jìn)行高精度的飛行軌跡控制，采集的照片具有較高的空間分辨率，可以獲取到細(xì)節(jié)豐富的地物信息。同時(shí)，影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)的提取和處理方法也越來(lái)越成熟，可以通過(guò)精確的算法模型進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取、分類以及導(dǎo)入等工作，從而提高測(cè)量結(jié)果的精度。

1.2.2 寬覆蓋范圍

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有較寬的覆蓋范圍。無(wú)人機(jī)可以自由飛行，并通過(guò)傾斜的相機(jī)進(jìn)行照片拍攝，可以獲取到地面上的大片區(qū)域的影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)。相比于傳統(tǒng)測(cè)量手段需要進(jìn)行人工測(cè)量的方式，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以快速、高效地獲取大量的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而提高測(cè)繪工程的進(jìn)度和效率。

1.2.3 綜合性能優(yōu)勢(shì)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在數(shù)據(jù)獲取、處理和分析等方面具有綜合性能優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)地飛行和拍攝，大大減少了人力資源的消耗。

總之，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是一種重要的測(cè)量方法，具有高精度、寬覆蓋范圍和綜合性能優(yōu)勢(shì)等特點(diǎn)。在測(cè)繪工程中的應(yīng)用具有廣闊前景，并在實(shí)踐中取得了良好的成果。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)將為測(cè)繪工程提供更加可靠和高效的解決方案［4］。

1.3 傾斜相機(jī)的性能要求

傾斜相機(jī)是無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)中的關(guān)鍵裝備之一，其性能對(duì)于測(cè)繪工程的實(shí)施和應(yīng)用具有重要影響。傾斜相機(jī)的性能有以下幾點(diǎn)要求。

1.3.1 光學(xué)性能要求

傾斜相機(jī)的光學(xué)性能是指其光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，包括分辨率、畸變、光學(xué)中心偏差等。分辨率是評(píng)估相機(jī)成像能力的重要指標(biāo)，其決定了相機(jī)能夠捕捉的細(xì)節(jié)信息，對(duì)于地物的識(shí)別和解譯具有重要意義［5］。畸變是光學(xué)系統(tǒng)中無(wú)法避免的問(wèn)題，對(duì)于傾斜攝影來(lái)說(shuō)，畸變的認(rèn)識(shí)和校正對(duì)于恢復(fù)真實(shí)的地物形態(tài)非常重要。

1.3.2 慣性導(dǎo)航性能要求

傾斜相機(jī)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是保證相機(jī)穩(wěn)定性和定位能力的關(guān)鍵。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要由加速度計(jì)和陀螺儀構(gòu)成，通過(guò)測(cè)量加速度和角速度來(lái)估計(jì)相機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能對(duì)于相機(jī)姿態(tài)的精確定位和影像數(shù)據(jù)的幾何精度有著重要影響。在傾斜攝影測(cè)量中，相機(jī)需要具備較高的姿態(tài)穩(wěn)定性和快速的定位能力，以確保影像數(shù)據(jù)的幾何精度滿足測(cè)繪需求。

1.3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸性能要求

傾斜相機(jī)在拍攝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的影像數(shù)據(jù)，并且需要將這些數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸和存儲(chǔ)。因此，傾斜相機(jī)需要具備較大的存儲(chǔ)容量和高速的數(shù)據(jù)傳輸接口，以滿足對(duì)影像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取和處理需求［6］。

綜上所述，傾斜相機(jī)的性能要求包括光學(xué)性能、慣性導(dǎo)航性能、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸性能以及動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力。這些性能要求決定了傾斜相機(jī)在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量中的應(yīng)用范圍和成果質(zhì)量，對(duì)于有效實(shí)施傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有重要意義。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過(guò)安裝傾斜相機(jī)在無(wú)人機(jī)上進(jìn)行航拍，利用傾斜相機(jī)特有的傾斜角度和大視場(chǎng)角，獲取高分辨率的傾斜照片，并通過(guò)后期處理將照片轉(zhuǎn)化為影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)地形圖的繪制和測(cè)量任務(wù)的完成。該技術(shù)的關(guān)鍵包括相機(jī)的安裝位置、相機(jī)參數(shù)的設(shè)置以及后期影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。

相機(jī)的安裝位置對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)實(shí)際需要，可以將傾斜相機(jī)安裝在無(wú)人機(jī)的底部或者側(cè)面。底部安裝可以覆蓋更廣闊的地面區(qū)域，而側(cè)面安裝則可以更準(zhǔn)確地獲取建筑物等垂直結(jié)構(gòu)物的影像。

后期影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理也是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。后期處理包括數(shù)據(jù)提取、分類和導(dǎo)入等工作。數(shù)據(jù)提取是將傾斜影像中的地物特征提取出來(lái)，形成影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分類是將影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照不同地物類型進(jìn)行分類，如建筑物、道路、植被等。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影的應(yīng)用范圍

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在測(cè)繪工程中具有廣泛的應(yīng)用范圍。以下是一些常見(jiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.1 地形測(cè)量與地圖制作

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以通過(guò)拍攝傾斜照片獲取影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過(guò)圖像處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)提取、分類及導(dǎo)入，從而實(shí)現(xiàn)地形測(cè)量與地圖制作的任務(wù)。

3.2 建筑物三維模型重建

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以通過(guò)拍攝傾斜照片獲取建筑物的影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并結(jié)合圖像處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取和建模。傾斜攝影技術(shù)能夠快速獲取建筑物的三維信息，同時(shí)能夠?qū)ㄖ镞M(jìn)行立面紋理的重建，從而可以為城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 礦山與采礦區(qū)監(jiān)測(cè)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在礦山和采礦區(qū)的監(jiān)測(cè)中有著重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)無(wú)人機(jī)拍攝傾斜照片，可以獲取礦山和采礦區(qū)的影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)。傾斜攝影技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地獲取礦山和采礦區(qū)的地形和地貌信息，為礦山的管理和規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

綜上所述，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用范圍，可以在地形測(cè)量與地圖制作、建筑物三維模型重建、礦山與采礦區(qū)監(jiān)測(cè)、土地勘界與不動(dòng)產(chǎn)測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)與生態(tài)評(píng)估等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在測(cè)繪工程中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)流程

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在測(cè)繪工程中的實(shí)施與應(yīng)用中，獲取數(shù)據(jù)是其中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取數(shù)據(jù)的流程主要包括以下幾個(gè)步驟：飛行計(jì)劃制訂、設(shè)備準(zhǔn)備、飛行任務(wù)執(zhí)行、圖像數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析。

4.1 飛行計(jì)劃制訂

根據(jù)實(shí)際測(cè)繪需求和場(chǎng)地條件，制訂合理的飛行計(jì)劃，包括航線的規(guī)劃和飛行高度的確定。在飛行計(jì)劃制訂過(guò)程中，需要考慮地形地貌、障礙物、飛行器動(dòng)力和通信等因素，確保飛行過(guò)程的安全和數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

4.2 設(shè)備準(zhǔn)備

在無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，需要準(zhǔn)備好相機(jī)設(shè)備、無(wú)人機(jī)、地面控制裝置等設(shè)備。傾斜攝影是指安裝在無(wú)人機(jī)上的相機(jī)在飛行過(guò)程中以傾斜姿態(tài)進(jìn)行拍攝，獲得包含地物立體信息的影像。通過(guò)傾斜攝影，可以獲取大量的影像數(shù)據(jù)，并記錄相應(yīng)的飛行軌跡參數(shù)。

4.3 數(shù)據(jù)處理與分析

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，首先，需要對(duì)傳輸?shù)降孛婵刂蒲b置上的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括去除噪聲、糾正畸變、配準(zhǔn)校正等。其次，利用圖像處理軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、提取等操作，得到影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)具體需求，可以進(jìn)行地形圖繪制、三維模型生成等工作。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取數(shù)據(jù)的流程涉及飛行計(jì)劃制訂、設(shè)備準(zhǔn)備、飛行任務(wù)執(zhí)行、圖像數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理與分析等環(huán)節(jié)。通過(guò)合理的計(jì)劃和高效的操作，可以獲取高質(zhì)量、大數(shù)據(jù)量的影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為測(cè)繪工程提供有力的支撐和保障。

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