無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)研究

凌文軍

摘要：智慧城市建設(shè)中，地理信息是不可或缺的重要基本要素，可以為城市規(guī)劃提供參考依據(jù)。而傳統(tǒng)的測(cè)量方式體現(xiàn)出一定的局限性，依然需要投入大量人力、物力，因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)的合理運(yùn)用，編制科學(xué)完善的技術(shù)應(yīng)用方案，有助于提高地理測(cè)繪質(zhì)效。分析了影響地理測(cè)繪中建模質(zhì)量的主要因素，總結(jié)了無(wú)人機(jī)傾斜攝實(shí)景三維技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)與基本要求，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的應(yīng)用流程，旨在強(qiáng)化測(cè)量作業(yè)的實(shí)效性，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)? 傾斜攝影? 實(shí)景三維技術(shù)? 智慧城市

Research on the 3D Real Scene Technology of Drone Tilt Photography

LING Wenjun

（Pingxiang Land and Space Survey and Planning Institute， Pingxiang，Jiangxi Province，337000 China）

Abstract： In the construction of smart cities， geographic information is an indispensable important basic element， which can provide a reference basis for urban planning. However， traditional measurement methods have certain limitations and still require a large amount of manpower and material resources， so it is necessary to strengthen the rational application of modern measurement technology and develop scientific and sound technical application plans， which helps improve the quality and efficiency of geographic surveying and mapping. This article analyzes the main factors that affect modeling quality in geographic surveying and mapping， summarizes the key technologies and basic requirements in the application of the 3D real scene technology of UAV tilt photography， and designs the application process of the 3D real scene technology of UAV tilt photography， aiming to strengthen the effectiveness of measurement work and ensure the accuracy of measurement data.

Key Words： UAV; Oblique photography; 3D real scene technology; Smart city

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的利用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三維模型的自動(dòng)創(chuàng)建和匹配，為城市規(guī)劃中的數(shù)字化建設(shè)提供技術(shù)支撐。同時(shí)，基于對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的分析與利用，能夠形成健全的測(cè)量技術(shù)應(yīng)用體系，與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，體現(xiàn)出更強(qiáng)的準(zhǔn)確性和專業(yè)性，可為更加高效的城市化建設(shè)提供可靠依據(jù)。

1 影響建模質(zhì)量的主要因素

1.1 場(chǎng)景因素帶來(lái)的影響

針對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，通常會(huì)運(yùn)用到很多場(chǎng)景中。當(dāng)應(yīng)用在反光面場(chǎng)景時(shí)，如玻璃、水面或者大面積單一紋理建筑物等，在此種場(chǎng)景中，無(wú)法針對(duì)物體的紋理信息進(jìn)行真實(shí)反映，即便提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，也很難達(dá)到改善模型效果的目的。在慢速運(yùn)動(dòng)物體的應(yīng)用中，以路口行駛的汽車為例，也無(wú)法通過(guò)提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量改善模型效果。同時(shí)，對(duì)于隨風(fēng)晃動(dòng)的植被而言，如灌木叢[11]?、樹(shù)木等，在此種場(chǎng)景中應(yīng)用傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)，容易在特征匹配環(huán)節(jié)出現(xiàn)較大偏差，雖然可以采用提高模型分辨率的方式針對(duì)模型效果進(jìn)行改善，但很難得到理想的效果。此外，對(duì)于鏤空的建筑物來(lái)說(shuō)，包括護(hù)欄、高壓線及鐵塔等，可采用提高模型分辨率的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)模型效果的改善，但也無(wú)法獲得良好的改善效果^[1]。

1.2 飛行因素帶來(lái)的影響

除了場(chǎng)景因素會(huì)影響建模質(zhì)量外，應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的過(guò)程中，建模質(zhì)量還容易受到飛行因素的影響。如數(shù)據(jù)采集設(shè)備、航飛作業(yè)參數(shù)設(shè)置、建模軟件等，均為重要的質(zhì)量影響因素，容易出現(xiàn)建筑錯(cuò)位、拉花、光影斑駁以及黏連等情況。面對(duì)上述問(wèn)題，可利用后期軟件修補(bǔ)進(jìn)行改善，但通常涉及到較大的作業(yè)量，需投入較多的人力、物力資源，一定程度上增加了投入的成本。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的作業(yè)要點(diǎn)

進(jìn)行無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維測(cè)繪的過(guò)程中，應(yīng)做好測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)的勘查工作，了解測(cè)區(qū)實(shí)際特點(diǎn)，確保影像瓦片間接邊顏色的一致性，保證城區(qū)部分道路標(biāo)線和活力。因?yàn)閷?duì)于實(shí)景三維構(gòu)建而言，建筑物結(jié)構(gòu)是重要基礎(chǔ)，而在自動(dòng)建模構(gòu)建的不規(guī)則三角網(wǎng)的影響下，墻體出現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象的概率較高，所以，須采用人工操作的方式處理精細(xì)化部分。此外，避免實(shí)景三維場(chǎng)景中出現(xiàn)懸浮物，對(duì)于缺少樹(shù)干的樹(shù)冠部分來(lái)說(shuō)，需進(jìn)行針對(duì)性處理，強(qiáng)化整體的合理性，立足于電桿及路燈的角度，應(yīng)做好相應(yīng)的替換工作，以防因自動(dòng)匹配效果不符合要求而對(duì)后續(xù)的使用造成不良影響。在此基礎(chǔ)上，了解應(yīng)用五視角影像映射紋理時(shí)的紋理扭曲現(xiàn)象，主要依托于人工操作的方式完成處理^[2]。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)及應(yīng)用要求

通常對(duì)于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行來(lái)說(shuō)，需要為測(cè)量系統(tǒng)配備5臺(tái)高清攝像機(jī)，利用專門的軟件生成圖像，之后創(chuàng)建點(diǎn)云區(qū)域模型。傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)與正射影像相比，可以通過(guò)輸出的影像從多個(gè)角度針對(duì)地物進(jìn)行觀察，體現(xiàn)出很強(qiáng)的清晰性，能夠讓地物的情況反映更加真實(shí)。相較于傳統(tǒng)的移動(dòng)測(cè)量方式，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與效率更高，是三維城市模型構(gòu)建的重要技術(shù)支撐。運(yùn)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的過(guò)程中，應(yīng)選擇晴好的天氣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，避免受到飛行環(huán)境及天氣變化的影響，防止出現(xiàn)航帶色差、噪聲及光照不均衡問(wèn)題。此外，此項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用可以強(qiáng)化面積較小地物的清晰性，并創(chuàng)建相應(yīng)的模型作為參考。

3.2數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)及其應(yīng)用要求

數(shù)據(jù)預(yù)處理是無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)，要求對(duì)參數(shù)信息、位置信息及影像信息進(jìn)行檢查，主要涉及傾斜影像預(yù)處理、像控點(diǎn)信息預(yù)處理及POS信息預(yù)處理三項(xiàng)重要內(nèi)容。首先，對(duì)于傾斜影像預(yù)處理而言，具體指完成飛行任務(wù)后，應(yīng)第一時(shí)間落實(shí)影像的檢查工作，明確是否滿足規(guī)定要求，將無(wú)POS點(diǎn)對(duì)應(yīng)起降自動(dòng)拍攝影像進(jìn)行刪除處理；其次，針對(duì)像控點(diǎn)信息預(yù)處理而言，相關(guān)數(shù)據(jù)指像控點(diǎn)文件與控制點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)照片等，疊加控制點(diǎn)與POS展示點(diǎn)文件，了解POS數(shù)據(jù)精度，確保能夠滿足規(guī)定要求，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；最后，對(duì)于POS信息預(yù)處理而言，具體指全景相機(jī)中流動(dòng)站采集數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系為CGCS2000，內(nèi)部含有6個(gè)參數(shù)，主要有Kappa、Omega、Phi，以及 X、Y、Z。

3.3 空三加密技術(shù)及其應(yīng)用要求

空中三角測(cè)量方式指在立體攝影測(cè)量環(huán)節(jié)，結(jié)合對(duì)野外控制點(diǎn)的分析，有序落實(shí)室內(nèi)的控制點(diǎn)加密工作，通過(guò)計(jì)算得到相應(yīng)的加密點(diǎn)高程，同時(shí)明確平面位置的測(cè)量方法。因此，需合理運(yùn)用軟件，利用默認(rèn)參數(shù)，針對(duì)影像匹配一次連接點(diǎn)，有效濾除影像中的陰影、云影以及動(dòng)態(tài)物體的影像產(chǎn)生的粗差點(diǎn)^[3]。同時(shí)，結(jié)合對(duì)殘差報(bào)告的分析，調(diào)整殘差值相對(duì)較大的點(diǎn)，將調(diào)整后的結(jié)果作為基本依據(jù)，圍繞連接點(diǎn)位置進(jìn)行重新計(jì)算連接，之后進(jìn)行至少6次的重復(fù)操作，在平差報(bào)告數(shù)值不再發(fā)生明顯變化的情況下，停止操作。通過(guò)落實(shí)以上工作可以完成自由網(wǎng)平差，配合落實(shí)優(yōu)化后空三結(jié)果的轉(zhuǎn)化，使其成為標(biāo)準(zhǔn)外方位元素格式，配合進(jìn)行輸出即可進(jìn)入自動(dòng)化建模及批量建模環(huán)節(jié)。空三加密技術(shù)的應(yīng)用流程如圖1所示。

3.4 自動(dòng)化建模技術(shù)及其應(yīng)用要求

三維建模主要通過(guò)利用專門的軟件，如街景工廠等，配合分布式計(jì)算完成任務(wù)處理，很難進(jìn)行人工干預(yù)。因?yàn)閮A斜攝影邊緣的1～2條航線缺少影像，所以無(wú)法順利生成完整的模型，因此，需要針對(duì)生產(chǎn)區(qū)域進(jìn)行自定義。針對(duì)模型生產(chǎn)過(guò)程的中間狀態(tài)來(lái)說(shuō)，均有對(duì)應(yīng)的文件夾存儲(chǔ)相關(guān)信息，可基于對(duì)文件夾內(nèi)Tiles生成時(shí)間的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)階段生產(chǎn)狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷。結(jié)束自動(dòng)建模后，須利用3DMAX軟件做好二次處理，以保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合規(guī)定要求。

4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的具體應(yīng)用

4.1 無(wú)人機(jī)硬件的選擇方法

4.1.1 合理選擇飛行設(shè)備類型

現(xiàn)階段的測(cè)繪工作中，市場(chǎng)上的無(wú)人機(jī)類型較多，將動(dòng)力系統(tǒng)作為依據(jù)進(jìn)行劃分，主要分為內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力與電池動(dòng)力。按照飛行方式進(jìn)行劃分，則包含固定翼與旋翼兩種。因?yàn)樵跓o(wú)人機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程中，容易產(chǎn)生機(jī)身震動(dòng)，從成像質(zhì)量的角度出發(fā)進(jìn)行分析，電池動(dòng)力型無(wú)人機(jī)的成像質(zhì)量較內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力型無(wú)人機(jī)高。立足于續(xù)航時(shí)間和飛行作業(yè)效率的角度，能夠了解到固定翼型無(wú)人機(jī)擁有更高的作業(yè)效率。基于對(duì)飛行穩(wěn)定性的分析，旋翼型無(wú)人機(jī)擁有更強(qiáng)的飛行穩(wěn)定性，需結(jié)合實(shí)際情況與測(cè)繪需求進(jìn)行合理選擇^[4]。

4.1.2 科學(xué)明確攝像頭性能

基于對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的利用，有關(guān)部門應(yīng)該提高對(duì)攝像頭的重視，通常依據(jù)航測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行明確，須保證無(wú)人機(jī)攝像頭的像素達(dá)到3 500萬(wàn)以上，且開(kāi)展傾斜攝影的過(guò)程中，嚴(yán)禁限定單一攝像頭的像素，但是應(yīng)加強(qiáng)對(duì)一次曝光獲取像素的嚴(yán)格控制。立足性能層面，航測(cè)標(biāo)準(zhǔn)一般要求針對(duì)續(xù)航傾斜攝像頭的影像能力、作業(yè)時(shí)間、曝光功能及續(xù)航時(shí)間等重要參數(shù)進(jìn)行明確，其中傾斜攝影作業(yè)時(shí)間需不低于90 min，盡量能保證全天候作業(yè)，而單個(gè)攝像頭一次曝光需在1億像素以上，在此基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對(duì)定焦鏡頭的利用，保證對(duì)焦距離可以達(dá)到重疊度的測(cè)量要求。

4.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

4.2.1 依據(jù)測(cè)量需求規(guī)劃航線

規(guī)劃航線是無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)，也是不可或缺的首要環(huán)節(jié)，需要嚴(yán)格控制無(wú)人機(jī)的飛行高度，強(qiáng)化高度控制的合理性。一旦在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中缺少科學(xué)有效的航線規(guī)劃作為依據(jù)，則很難掌握無(wú)人機(jī)航行規(guī)律，且僅依靠人工操作的方式，無(wú)法強(qiáng)化對(duì)無(wú)人機(jī)的全方位掌控。同時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)重視落實(shí)數(shù)據(jù)信息采集工作，合理控制無(wú)人機(jī)飛行速度，強(qiáng)化數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性、可靠性。此外，多數(shù)測(cè)區(qū)的理想形狀為矩形，此類區(qū)域的規(guī)劃相對(duì)較為簡(jiǎn)單，通常需要設(shè)定平行航線，之后，合理操縱無(wú)人機(jī)折返進(jìn)行拍攝，而遇到不規(guī)則的測(cè)區(qū)時(shí)，避免不了會(huì)增加航線規(guī)劃難度，需做好事先調(diào)查與規(guī)劃。

4.2.2 準(zhǔn)確布設(shè)像控點(diǎn)與測(cè)量

對(duì)于像控點(diǎn)的布設(shè)來(lái)說(shuō)，是影響測(cè)量結(jié)果的主要因素之一，為了強(qiáng)化像控點(diǎn)布設(shè)的專業(yè)性、科學(xué)性，技術(shù)人員應(yīng)該明確像控點(diǎn)布設(shè)原則，即如果不設(shè)像控點(diǎn)，則需優(yōu)先選擇不存在爭(zhēng)議的參照物，包含田地、墻角等，針對(duì)像控點(diǎn)的實(shí)際選擇而言，需保證像控點(diǎn)所在區(qū)域內(nèi)存在起伏明顯的區(qū)域。而對(duì)于一般像控點(diǎn)的布設(shè)來(lái)說(shuō)，其布設(shè)邊距應(yīng)該在1～1.5 cm，可減少攝影測(cè)量環(huán)節(jié)出現(xiàn)數(shù)據(jù)匹配失誤的概率。此外，為了強(qiáng)化無(wú)人機(jī)傾斜攝影的實(shí)效性，應(yīng)選擇視野開(kāi)闊的區(qū)域進(jìn)行像控點(diǎn)的布設(shè)，避免選擇遮擋物較多的區(qū)域。做好當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸情況的調(diào)查，結(jié)合實(shí)際需求布設(shè)像控點(diǎn)，讓后續(xù)的測(cè)量作業(yè)擁有可靠基礎(chǔ)^[5]。

4.2.3 空中三角的測(cè)量與控制

在無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍作業(yè)的過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)POS數(shù)據(jù)的自動(dòng)化存儲(chǔ)，技術(shù)人員能在測(cè)量作業(yè)中，基于對(duì)空中三角測(cè)量技術(shù)的利用，達(dá)到加密測(cè)量的目的，但在具體操作中需重視相關(guān)注意事項(xiàng)。首先，完成數(shù)據(jù)資料的預(yù)處理工作后，應(yīng)積極建立對(duì)應(yīng)的工程文件，重點(diǎn)落實(shí)無(wú)人機(jī)航拍所得影像的添加工作。其次，向?qū)?yīng)的軟件系統(tǒng)中傳導(dǎo)無(wú)人機(jī)自動(dòng)存儲(chǔ)的POS數(shù)據(jù)。再次，有序落實(shí)同名點(diǎn)的匹配工作，進(jìn)而得到相關(guān)位置的空中三角測(cè)量點(diǎn)云，之后依據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取的實(shí)景影像數(shù)據(jù)，落實(shí)絕對(duì)定位的平差處理，待完成相應(yīng)處理后，針對(duì)空中三角數(shù)據(jù)開(kāi)展相應(yīng)的加密結(jié)算。最后，提高對(duì)控制點(diǎn)的重視，做好導(dǎo)入工作，并進(jìn)行重新匹配，針對(duì)相應(yīng)的定位進(jìn)行優(yōu)化，輸出對(duì)應(yīng)的質(zhì)量報(bào)告，包含空中三角誤差、控制點(diǎn)精度及自檢相機(jī)誤差等。

4.2.4 地形圖的繪制與完善

立足于大比例尺地圖制作的角度進(jìn)行分析，具體操作中，采集的數(shù)據(jù)是構(gòu)建三維模型的關(guān)鍵基礎(chǔ)。基于此，技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)定要求操控?zé)o人機(jī)，針對(duì)測(cè)繪區(qū)域內(nèi)的地貌進(jìn)行采集，還需獲取不同標(biāo)記點(diǎn)及地物的影像數(shù)據(jù)，一旦在測(cè)量區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)遮擋物，則無(wú)法順利落實(shí)地貌信息的采集，技術(shù)人員應(yīng)單獨(dú)標(biāo)注無(wú)法進(jìn)行正常采集的區(qū)域，并向外業(yè)測(cè)量人員進(jìn)行積極反饋，目的是保證此類數(shù)據(jù)可以得到及時(shí)補(bǔ)錄，強(qiáng)化數(shù)據(jù)信息的完整性。同時(shí)，開(kāi)展線狀地物影像數(shù)據(jù)的采集工作時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)保證無(wú)人機(jī)采集方向與線狀地物走向的一致性，且技術(shù)人員需在不存在數(shù)據(jù)誤差的情況下，利用CASS 10.1軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，之后得到被測(cè)區(qū)域的數(shù)字規(guī)劃圖，配合人工操作，做好不同采集點(diǎn)的標(biāo)注，包含地名、建筑物、水系以及高程等^[6]。

4.2.5 強(qiáng)化三維模型創(chuàng)建精度

數(shù)字精度消除法為傳統(tǒng)的數(shù)字模型問(wèn)題處理方法，但針對(duì)現(xiàn)階段的城市規(guī)劃而言，要求通過(guò)三維模型針對(duì)各類建筑物的參數(shù)進(jìn)行展示，技術(shù)人員需加大測(cè)量作業(yè)環(huán)節(jié)誤差的控制力度，且需采取有效措施消除數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差，目的是強(qiáng)化數(shù)據(jù)處理的可靠性，保證測(cè)量結(jié)果的精確性。因?yàn)闇y(cè)量誤差是影響無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模精度的重要因素，所以，技術(shù)人員應(yīng)重點(diǎn)做好外界影響因素的控制工作，以免出現(xiàn)過(guò)大的測(cè)量誤差，確保測(cè)量精度能夠滿足實(shí)際的測(cè)量要求。

5 結(jié)語(yǔ)

新時(shí)期發(fā)展環(huán)境下，先進(jìn)科學(xué)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，很多行業(yè)都將數(shù)字化建設(shè)作為發(fā)展目標(biāo)，逐步加大在技術(shù)研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新層面的資金投入力度，拓展了相關(guān)技術(shù)的覆蓋范圍。尤其對(duì)于測(cè)繪行業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)屬于新型技術(shù)之一，為了強(qiáng)化測(cè)量工作的實(shí)效性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的研究和利用，熟練掌握技術(shù)操作要點(diǎn)，有助于提高測(cè)量結(jié)果的精確度，讓智慧城市建設(shè)、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌規(guī)劃擁有堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平的提升提供充足動(dòng)力。

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