無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模及應(yīng)用

肖登枝

(漳州市測繪設(shè)計(jì)研究院，福建 漳州 363000)

1 引 言

隨著無人機(jī)可載重量的增加，電池續(xù)航工藝水平的發(fā)展，采用無人機(jī)搭載多鏡頭攝影相機(jī)，實(shí)現(xiàn)多維度地快速獲取地物信息成為可能。無人機(jī)傾斜攝影測量[1]主要是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時(shí)從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體多維度的更為完整準(zhǔn)確的信息。其采集的數(shù)據(jù)成果豐富，可以輸出地形圖、DOM、DEM、實(shí)景三維模型等多種類型的產(chǎn)品。本文主要通過在漳州市實(shí)際測繪生產(chǎn)中的多個(gè)應(yīng)用實(shí)例，對無人機(jī)傾斜攝影測量三維模型的生產(chǎn)方法及應(yīng)用方向進(jìn)行探討。

2 作業(yè)流程

無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模主要是通過傾斜攝影獲取的多角度的影像數(shù)據(jù)，通過自動化建模軟件，生產(chǎn)三維模型。其整個(gè)生產(chǎn)作業(yè)流程如圖1所示。下面以漳州市角美鎮(zhèn)東山村三維實(shí)景建模為例，簡述作業(yè)流程。

圖1 傾斜攝影測量三維建模簡略技術(shù)流程圖

(1)前期準(zhǔn)備

根據(jù)測區(qū)地理情況及天氣情況等，合理安排工期，設(shè)計(jì)航線，最終成果要能滿足 1.6 cm的影像分辨率、 5 cm三維模型分辨率精度要求。測區(qū)位于漳州臺商投資區(qū)中心區(qū)，面積約為 0.88 km2，現(xiàn)狀以聚居居民點(diǎn)為主，交通方便。按照當(dāng)前作業(yè)效率，以一架無人機(jī)為例，大致可飛行范圍是0.7 km2/架/天，故擬投入無人機(jī)系統(tǒng)1臺套，預(yù)計(jì)兩個(gè)工作日即可完成航測外業(yè)。

(2)航攝飛行及控制測量[2]

選擇天氣晴朗、無云霧、風(fēng)速在8 m/s以下、能見度大于 5 km，太陽高度角大于45度時(shí)平坦空地，周邊無高壓線、高層建筑及高大樹木等遮擋，起降方向與當(dāng)時(shí)風(fēng)向平行，操縱無人機(jī)航飛?？刂泣c(diǎn)必須選在影像清晰的明顯地物點(diǎn)上，如斑馬線角點(diǎn)或其他接近正交的線狀地物交點(diǎn)，如現(xiàn)場無合適布設(shè)控制點(diǎn)的，必須提前用油漆繪制標(biāo)志，不可選取，使用且盡量選在上下兩條航線6片重疊范圍內(nèi)，使布設(shè)的控制點(diǎn)能用于多張像片。

(3)三維建模生產(chǎn)

這一階段現(xiàn)在一般都可以通過軟件自動完成?？杖用茳c(diǎn)計(jì)算出不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，并且生成白模的三維模型，再通過紋理貼合，最后生成紋理逼真的實(shí)景三維模型[3]。根據(jù)生產(chǎn)的模型的具體情況，對水體空洞等進(jìn)行修改編輯加工，對遮擋部分外業(yè)調(diào)繪補(bǔ)測，重新更新整合數(shù)據(jù)，最終生成實(shí)景三維模型。

3 與傳統(tǒng)三維模型比較

傳統(tǒng)的三維模型制作通常采用數(shù)字正射影像圖與數(shù)字高程模型進(jìn)行疊加，快速建立大場景的地表三維模型，其生產(chǎn)出的三維模型紋理分辨率不高，缺少側(cè)面紋理信息，實(shí)質(zhì)上是2.5維的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。對于局部需要精細(xì)建模的場景，再采用人工拍照、貼上紋理的方式進(jìn)行。但由于照片分辨率、角度等問題以及采用的原二維數(shù)據(jù)底圖質(zhì)量和精度問題，即使這樣也并不能完全展現(xiàn)建構(gòu)筑物各個(gè)角度的細(xì)節(jié)。

而采用傾斜攝影測量生產(chǎn)的實(shí)景三維模型，是采用多鏡頭、多角度、實(shí)時(shí)拍攝的，能夠不受地形地貌限制，更加真實(shí)全面立體地反映地表物體的局部細(xì)節(jié)和整體層次[4]。其仿真度、建模效率相比傳統(tǒng)的三維模型制作方式，均提高了很多；而時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本均能得到降低。

4 應(yīng)用方向

無人機(jī)攝影測量相比于傳統(tǒng)的測量方式，更加高效。獲得的三維實(shí)景模型在大比例尺測圖、征遷測量、兩違管控、礦山測量、城市規(guī)劃服務(wù)、管線隧道橋梁電力等巡檢、不動產(chǎn)登記、應(yīng)急測繪保障等多個(gè)方面都能得到有效應(yīng)用。下面以漳州市測繪設(shè)計(jì)研究院在漳州市采用傾斜攝影測量三維建模生產(chǎn)的5個(gè)主要應(yīng)用方向?yàn)槔M(jìn)行介紹：

(1)大比例尺測圖

通過對生產(chǎn)的測區(qū)實(shí)景三維模型轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)格式后導(dǎo)入圖形編輯軟件進(jìn)行編輯，賦予圖層與屬性信息，即可制作大比例尺地圖。因?yàn)闊o人機(jī)拍攝的低空影像數(shù)據(jù)一般來說分辨率較高，其相應(yīng)的成圖精度也會較高。而由于高分辨率的影像模型存在，將節(jié)省了外業(yè)的工作量，提升了工作效率。其生產(chǎn)的地形圖精度也在實(shí)際工作中得到了驗(yàn)證，多地已經(jīng)開始將采用該方式獲得的地形圖成果用于農(nóng)村集體土地登記確權(quán)、不動產(chǎn)登記等工作中。

(2)礦山測量

通過立體三維采集，比平面圖能更真實(shí)地反映出陡坎、斜坡、深坑等特殊地貌。在當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的大趨勢下，三維模型能更精確地表達(dá)出礦山、礦坑的現(xiàn)狀，應(yīng)用于礦山的整治與修復(fù)甚至開發(fā)利用。漳州市測繪設(shè)計(jì)研究院采用傾斜攝影測量技術(shù)，對漳州臺商投資區(qū)金山礦坑項(xiàng)目，進(jìn)行了現(xiàn)狀地形地貌采集工作。因?yàn)樵搹U棄礦坑其最低點(diǎn)已深入地下一百多米，且礦坑邊緣多為接近垂直形態(tài)的陡坡，所以作業(yè)人員難以直接進(jìn)入坑底。同時(shí)，傳統(tǒng)的地形圖的表達(dá)方式并不能直觀體現(xiàn)其在縱面上的變化，為礦坑的后續(xù)改造利用帶來了困難。采用無人機(jī)傾斜攝影測量，對坑壁、坑底等特殊地貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，建立三維模型，直接展示了該礦坑的真實(shí)地貌，為礦坑的后續(xù)整治及是否可開發(fā)利用提供了決策依據(jù)，如圖2所示。

圖2 漳州金山礦坑測量建模成果

(3)服務(wù)城市規(guī)劃

通過對基礎(chǔ)地形地貌資料的快速采集，用于規(guī)劃編制前期工作或者多個(gè)選址方案對比決策，甚至可以進(jìn)一步與工程建設(shè)方案的效果圖進(jìn)行拼接，直觀體現(xiàn)工程竣工后片區(qū)整體效果。目前，大多數(shù)城市規(guī)劃編制的原始資料主要為數(shù)字化地形圖，對于非專業(yè)人士來說還是不夠直觀。如果能夠?qū)⒉杉母鱾€(gè)角度的影像資料與項(xiàng)目擬實(shí)施的鳥瞰效果圖相結(jié)合，能使人直觀感受到項(xiàng)目建成后是否與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)等。通過在重要的城市規(guī)劃節(jié)點(diǎn)提供多個(gè)效果圖加實(shí)景圖的對比方案，便于政府或項(xiàng)目業(yè)主進(jìn)行決策。如圖3所示，漳州南湖生態(tài)文化園三維實(shí)景模型與鐘法橋、南江濱路規(guī)劃效果的套合圖。

圖3 漳州南湖生態(tài)文化園三維實(shí)景模型與鐘法橋、南江濱路規(guī)劃效果的套合圖

(4)征遷測量

三維模型能提供實(shí)時(shí)的多維度的房屋信息，足不出戶即可查詢顯示建構(gòu)筑物面積、層數(shù)、高度等信息，也可以在前期對征遷量進(jìn)行估算，能夠給人以更直觀的感受，便于征遷工作開展。在漳州市龍文區(qū)湘橋村的征遷測量工作中，作業(yè)人員先直接進(jìn)行了傾斜攝影測量，獲得了待征遷部分的實(shí)時(shí)三維數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)在鎮(zhèn)政府辦公大廳進(jìn)行實(shí)景展示。對于征遷面積有爭議的村民可以隨時(shí)查詢，促進(jìn)了征遷工作的順利開展。該方式既能一定程度上解決征遷糾紛，也能對違建搶建行為起到一定震懾作用。

(5)“兩違管控”

將前一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的CAD數(shù)據(jù)(主要是房屋輪廓線與層高數(shù)據(jù))與實(shí)時(shí)的攝影測量數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，即可直觀分辨出區(qū)域內(nèi)房屋增建或拆遷情況。一般采用正射影像即可進(jìn)行對比，但是對于增加層數(shù)、改變用途等違建方式，正射影像并不能較好地體現(xiàn)出來。比如有的違建采用在頂層搭建的鋼結(jié)構(gòu)棚房內(nèi)增建，正射影像表達(dá)的頂面是看不出變更的。此時(shí)，三維實(shí)景模型就有了用武之地，可以根據(jù)獲得的多角度數(shù)據(jù)清晰分辨出房屋層數(shù)、建筑材質(zhì)是否有變更。而將之前的房屋輪廓線、建筑物高度等CAD格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入套合現(xiàn)狀三維模型進(jìn)行對比，因?yàn)楸雀叩拇嬖冢梢苑浅Ｖ庇^反映出增建、改建、拆除等情況。如圖4所示，即為劉宅村2018年房屋輪廓線與建筑物高度數(shù)據(jù)套合2019年三維實(shí)景模型的情況。

圖4 漳州臺商投資區(qū)劉宅村2018年房屋輪廓線與建筑物高度數(shù)據(jù)套合2019年三維實(shí)景模型

5 無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模存在的問題

無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模因?yàn)槟芸焖?、多角度采集位置、紋理、高度等屬性信息，相比傳統(tǒng)三維建模方式，具有速度快、效率高、精度高、更經(jīng)濟(jì)等多種優(yōu)勢。其應(yīng)用場景豐富，以上提到的5個(gè)方面只是冰山一角。但是目前的發(fā)展仍然存在一些不足，受到了一定制約。

(1)經(jīng)濟(jì)方面

為了獲得高精度的影像數(shù)據(jù)，提升三維建模精度，需要降低飛行高度以及采用高分辨率的鏡頭。而當(dāng)降低飛行高度時(shí)，其相應(yīng)的航片數(shù)量會增大，需布設(shè)的像控點(diǎn)數(shù)量也會增多，數(shù)據(jù)的處理、存儲、發(fā)布等也需要較高的硬件配置；另外，分辨率越高，相機(jī)鏡頭單價(jià)也越貴。項(xiàng)目前期投入較大。

(2)數(shù)據(jù)處理方面

由于外業(yè)實(shí)際情況復(fù)雜，各種地形地貌可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)含有粗差，進(jìn)而影響后期數(shù)據(jù)精度。比如，大面積的水面會產(chǎn)生高反射現(xiàn)象導(dǎo)致生成的面域信息不準(zhǔn)確；樹木等異物遮擋可能導(dǎo)致被遮擋的數(shù)據(jù)不能采集，形成類似鋸齒狀的表面模型，這些情況都需要對圖面進(jìn)行修補(bǔ)或通過其他常規(guī)測量方式進(jìn)行補(bǔ)測后再建模接邊。

(3)其他方面

因?yàn)闊o人機(jī)電池續(xù)航能力、機(jī)身大小及載重等因素限制，外業(yè)航飛時(shí)要注意隨時(shí)更換電池。因電池脫落或電池續(xù)航電力不足等各種原因?qū)е碌臒o人機(jī)墜落的問題也層出不窮，導(dǎo)致數(shù)據(jù)有丟失的風(fēng)險(xiǎn)。前兩年主流的無人機(jī)一般一個(gè)架次飛行時(shí)間在 25 min～30 min左右。目前隨著科技發(fā)展，機(jī)身設(shè)計(jì)優(yōu)化、風(fēng)阻減小，電池續(xù)航能力得到提升，每架次飛行時(shí)間已經(jīng)能夠提高到 45 min～50 min。

6 結(jié) 語

雖然無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模存在一些不足，但是它高效、直觀等的優(yōu)勢也很突出。我們可以預(yù)期，隨著行業(yè)發(fā)展，各種技術(shù)瓶頸將得到突破。首先，各種硬件的價(jià)格將越來越低廉，無人機(jī)傾斜攝影測量的成本也將更加低廉、數(shù)據(jù)處理能力將得到進(jìn)一步提升。其次，攝影測量技術(shù)在以后的發(fā)展中能夠與激光掃描等其他技術(shù)進(jìn)行整合，從而解決遮擋等問題，避免后期補(bǔ)測工作，提升效率。再次，電池續(xù)航能力以及載重能力的進(jìn)一步提升，將使得采集的數(shù)據(jù)精度提高，飛行效率增加。所以無人機(jī)傾斜攝影測量三維建模必將在更多行業(yè)迎來更廣泛及深入地應(yīng)用。