張偉生，陳祺榮，鄧皓勻，李名鎧

(1.廣東筠誠建筑科技有限公司，廣東 云浮 527400；2.廣東精宏建設(shè)有限公司，廣東 云浮 527400；3.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641）

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV)，是一種無人駕駛的飛行器，體積小、成本低、機(jī)動性高，能有效使用于地面影像采集。消費(fèi)級小型無人機(jī)產(chǎn)品的不斷優(yōu)化使該技術(shù)在建筑工程應(yīng)用管理和監(jiān)測領(lǐng)域更具有實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益[1]。無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)，目前已逐漸被運(yùn)用到地理測繪、項(xiàng)目規(guī)劃、堆體測量、項(xiàng)目管理和城市建設(shè)等方面[2～4]。

現(xiàn)今對于傾斜攝影技術(shù)的數(shù)據(jù)處理優(yōu)化大都集中在算法的改進(jìn)和程序的提高上，力求在內(nèi)業(yè)解算上不斷縮減時(shí)間；而關(guān)于相機(jī)的位置結(jié)構(gòu)、相機(jī)內(nèi)部的光學(xué)指標(biāo)、飛行過程中對各參數(shù)的選取等方面相對于影像采集的關(guān)系很少有人涉及[5]。

本文通過對外業(yè)數(shù)據(jù)采集的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行比選分析，研究市場上兩種常見的數(shù)據(jù)影像處理軟件Pix4D（Pix4DMapper、Pix4DBIM 平臺)及Altizure 三維實(shí)景建模平臺的建模精度，測試適用于建筑工程的無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)外業(yè)數(shù)據(jù)采集實(shí)施方案。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是指通過利用多角度相機(jī)，來采集地面物體不同角度及不同高度的影像（如圖1 所示），憑借其高分辨率的航測影像技術(shù)，將具有豐富的地理信息數(shù)據(jù)，通過三維建模的方式來呈現(xiàn)真實(shí)場景的技術(shù)。

其技術(shù)路線是利用傾斜攝影系統(tǒng)，結(jié)合無人機(jī)的快速便捷的采集能力，將采集的數(shù)據(jù)快速生成三維模型。其中傾斜攝影系統(tǒng)共分為三大部分：一是飛行平臺，包括小型飛機(jī)或無人機(jī)；二是航飛操作人員；三是儀器部分，包括傳感器（相機(jī)、GPS 定位裝置)和姿態(tài)定位系統(tǒng)。本文將對此技術(shù)路線的無人機(jī)硬件、飛行控制軟件、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行詳述。

圖1 傾斜攝影測量示意圖

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)整體的工作流程包括航線設(shè)定、空中作業(yè)、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析4 大部分，如圖2 所示。

圖2 傾斜攝影流程圖

航線設(shè)定和空中作業(yè)基于航拍軟件（如DJI GO4)和航測軟件（如Altizure 和Pix4DCapture)進(jìn)行；數(shù)據(jù)處理基于實(shí)景建模軟件或平臺（如Pix4D 和Altizure)進(jìn)行；數(shù)據(jù)分析則根據(jù)需求在建模軟件上進(jìn)行，依照實(shí)際工程項(xiàng)目或需求將成果導(dǎo)入至BIM 相關(guān)專業(yè)軟件中進(jìn)行應(yīng)用[6]。

2 無人機(jī)技術(shù)硬件設(shè)備比選分析

2.1 飛行平臺選擇

本文主要針對市面上主要供應(yīng)商的飛行器，根據(jù)性能、續(xù)航力、相機(jī)參數(shù)、壁障功能、傳輸距離、抗風(fēng)能力及價(jià)格進(jìn)行調(diào)研，如表1 所示。

表1 無人機(jī)平臺對比列表

飛行平臺的選擇以機(jī)身小、續(xù)航力佳、通訊距離長為佳，而且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（相機(jī)）也須選擇圖像分辨率高及感亮度高設(shè)備。通過對性能、成本等多因素進(jìn)行考慮。

2.2 移動設(shè)備選擇

移動設(shè)備對無人機(jī)的遙控采集部分至關(guān)重要，設(shè)備的操作系統(tǒng)、熒幕大小、熒幕亮度、存儲器與GPS 功能影響著無人機(jī)的飛行控制。

本文針對設(shè)備兼容性問題進(jìn)行測試，在對iOS 與Android 兩種系統(tǒng)的平板及手機(jī)進(jìn)行遙控器與飛行設(shè)備的連接測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)Android 系統(tǒng)常無法連接飛行器，且對于市面上常見的航飛控制軟件（Altizure、Pix4dcapture)的兼容性較差；而測試iOS 系統(tǒng)時(shí)未出現(xiàn)兼容性問題，且設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定、電池的續(xù)電時(shí)間較長。故本文認(rèn)為iOS 系統(tǒng)的兼容性比Android 系統(tǒng)佳，并且推薦選擇搭載iOS 系統(tǒng)的iPad Mini 4，因?yàn)槠湎鄬τ谑謾C(jī)設(shè)備，不僅熒幕大、分辨率高，而且當(dāng)操作無人機(jī)時(shí)視覺效果更優(yōu)。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中相機(jī)參數(shù)要求

傳統(tǒng)正攝影是利用在飛行平臺上搭載航攝像機(jī)，通過對地面連續(xù)拍攝獲取影像，將地表對象的航攝影像，即中心投影變換為正攝投影圖。而傾斜攝影是傳統(tǒng)攝影的延伸，透過傾斜相機(jī)獲取不同角度的像片，彌補(bǔ)了正攝影只以垂直方面拍攝的限制，可取得地物的完整三維信息，并能識別建筑物的細(xì)節(jié)紋理，實(shí)現(xiàn)了快速、精確的建筑物三維信息采集及地理信息采集。

一般而言，相機(jī)性能越佳，航拍精度與質(zhì)量就越高。相機(jī)像素決定了傾斜攝影技術(shù)三維模型精度。本文推薦大疆精靈4 pro+V2.0 搭載相機(jī)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，以獲取不同方向與角度的影像。大疆精靈4 pro+V2.0 配備相機(jī)高達(dá)2000 萬像素，光圈f/2.8-f/11 帶有自動對焦功能，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)及定距離拍攝，采集的數(shù)據(jù)圖像分辨率高和感亮度佳，有利于在對無人機(jī)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理階段獲得高精度三維模型。

3 無人機(jī)航線規(guī)劃軟件比選分析

航線的規(guī)劃影響著高重疊度影像的獲得，是傾斜攝影技術(shù)中不可或缺的前置任務(wù)。飛行路線規(guī)劃軟件的功能是根據(jù)地理位置系統(tǒng)對應(yīng)出測區(qū)范圍，設(shè)置飛行速度、航向與旁向重疊度等參數(shù)后自動完成飛行方案，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行及實(shí)時(shí)飛行狀態(tài)監(jiān)控。本文在試驗(yàn)階段嘗試了市面中常用的三種飛行控制軟件：DJI GO 4（版本3.1.42)、Altizure（版本3.7.9)、Pix4Dcapture（版本4.4.1)。三種航拍軟件飛行模式功能內(nèi)容如表2 所示。

表2 不同軟件航線規(guī)劃功能

通過測試發(fā)現(xiàn)：①DJI GO 4 不適用于大范圍面積航拍，且無自動拍照功能，若以人進(jìn)行手動拍攝，所得到的影像在后期三維建模階段，容易出現(xiàn)影像無法匹配的問題，甚至?xí)霈F(xiàn)“拉花”現(xiàn)象（圖3)或者是模糊不清的紋理；②在目標(biāo)范圍較大的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)，Altizure 的航線規(guī)劃功能較佳，Altizure 軟件可以根據(jù)無人機(jī)傾斜攝影原理，由5 個(gè)不同角度的方向路線進(jìn)行拍攝，其中第一條航線用于采集垂直向下拍攝的圖像，其余4 條航線用于采集朝向4 個(gè)不同方向傾斜拍照圖像，作業(yè)時(shí)，只需通過調(diào)整其采集范圍、飛行高度、相機(jī)傾斜角度及影像重疊度即可，然而，Altizure 軟件無法針對單體采用環(huán)形圍繞方式采集數(shù)據(jù)，當(dāng)需要拍攝較小單體時(shí)，其無法進(jìn)行細(xì)節(jié)的補(bǔ)充拍攝；③Pix4Dcapture 軟件能針對不同形狀及不同范圍大小的區(qū)域，進(jìn)行多邊形路線設(shè)定，適用于拍攝較不規(guī)則的區(qū)域，且Pix4D 軟件可對單體建筑規(guī)劃環(huán)形拍攝路線，通過調(diào)整高度及角度可獲得照片數(shù)量少且清晰度佳的影像。

總之，3 種無人機(jī)飛行航線控制軟件各有其優(yōu)缺點(diǎn)，使用時(shí)可根據(jù)不同任務(wù)需求、不同采集對象及范圍大小來選擇飛行規(guī)劃方案，并結(jié)合不同軟件的功能為無人機(jī)傾斜攝影后處理階段的三維建模取得重疊度佳且影像高清的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4 航測影像處理軟件比選分析

業(yè)內(nèi)主流的建模軟件有Pix4D 公司的Pix4DMapper 和Bently 的ContextCapture。本文主要分析Pix4D 軟件，為探究市場上無人機(jī)攝影數(shù)據(jù)后處理軟件的處理速度與成果精度，在應(yīng)用試驗(yàn)中，選擇Pix4DMapper（試用版4.3.31)、Pix4DBIM 云端（試用版)軟件及Altizure 實(shí)景三維建模社區(qū)（網(wǎng)頁端)，來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

瑞士Pix4D 軟件是將垂直與傾斜的影像及POS 數(shù)據(jù)一并導(dǎo)入軟件中進(jìn)行影像處理，系統(tǒng)自動將無人機(jī)數(shù)據(jù)與航拍影像通過空三加密處理、影像匹配、平差處理與幾何校準(zhǔn)，建構(gòu)三維點(diǎn)云、正射影像鑲嵌圖及三維紋理，最后生成真實(shí)的三維場景。通過Pix4D 軟件自動從原始數(shù)據(jù)影像中識別相機(jī)參數(shù)、型號、焦距、快門等，自動讀取影像中的GPS 地理訊息，利用空三計(jì)算取得影像數(shù)據(jù)中的真實(shí)地理位置和參數(shù)，運(yùn)用軟件優(yōu)化技術(shù)、區(qū)域網(wǎng)平差處理技術(shù)自動校準(zhǔn)影像，進(jìn)而輸出空三計(jì)算成果[7]。

Pix4DMapper 是Pix4D 系列的本地端應(yīng)用，可進(jìn)行一站式的無人機(jī)數(shù)據(jù)航拍影像處理，軟件處理過程無需人工操作。Pix4DMapper 可同時(shí)處理多達(dá)10 000 張照片及處理多個(gè)不同相機(jī)拍攝影像，并將多個(gè)數(shù)據(jù)合并成一個(gè)工程進(jìn)行處理。只需影像GPS 位置信息則可全自動一鍵操作，不需人為交互處理無人機(jī)數(shù)據(jù)，自動生成正攝影像并自動鑲嵌及勻色，將所有數(shù)據(jù)拼接為一個(gè)大影像。然而，由于該軟件對計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力較強(qiáng)，處理時(shí)間較長。

Pix4DBIM 是Pix4D 系列的云端平臺，其具有以下特點(diǎn)：①實(shí)景建模平臺，將采集的數(shù)據(jù)上傳至平臺后進(jìn)行云處理，無需依賴計(jì)算機(jī)本身硬件，更為穩(wěn)定快捷；②支持導(dǎo)出正攝投影圖（鳥瞰圖)、DSM（數(shù)字表面模型）、三維網(wǎng)格、點(diǎn)云等成果；③直接在云端進(jìn)行編輯與分析，如測量、體積、等高線和檢查功能；④通過定期的數(shù)據(jù)采集，可將不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的模型在云端的時(shí)間軸上顯示，便于檢查不同時(shí)間模型生長過程，可以方便地獲取2D 與3D 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)記、測量和共享功能；⑤導(dǎo)入圖紙到Pix4DBIM 云端，通過設(shè)計(jì)圖與完工情況的正攝投影圖的比較，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工失誤。

Altizure 實(shí)景三維平臺通過互聯(lián)網(wǎng)在移動設(shè)備或者電腦瀏覽器上在線分享和瀏覽三維模型。Altizure 數(shù)據(jù)處理是基于深度圖像匹配，以分布式空三算法并優(yōu)化點(diǎn)云及多邊形網(wǎng)格，最終呈現(xiàn)實(shí)景三維模型。內(nèi)置距離、面積、土方測量、飛行動畫、圖像檢視、坐標(biāo)查詢、剪裁、標(biāo)注等基本應(yīng)用工具。

不同軟件的三維建模效果各不相同，通過在兩種軟件導(dǎo)入相同原始數(shù)據(jù)影像進(jìn)行處理，可獲得不同精度的三維實(shí)景模型成果。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證得知Pix4DBIM 生成的模型相對于Pix4DMapper、Altizure 云端的效果差；Altizure 平臺生成的三維模型效果最佳。而就軟件的測量功能而言，Pix4D 量測結(jié)果精度較為準(zhǔn)確。

5 無人機(jī)技術(shù)建模成果影響因素

無人機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)雖分辨率高，但是天氣條件、飛行控制、飛行方案設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)后處理等方面，對無人機(jī)建模精度與清晰度有著重要的影響。本文列出了影響建模成果的外在客觀因素、飛行參數(shù)以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜單體等影響因素，并基于此來探究提高三維模型建模精細(xì)程度的方法。

5.1 外在客觀因素

對攝影成像而言，陽光與陰影部分光照強(qiáng)度間的差異，會對建模精度產(chǎn)生較大影響。無人機(jī)數(shù)據(jù)采集工作適于在天氣晴朗且無陰雨、無狂風(fēng)天氣下進(jìn)行。影響影像質(zhì)量的因素，主要是風(fēng)與霧霾，如天氣狀況不佳，影像質(zhì)量將變差。另一方面，當(dāng)氣流較大時(shí)，無人機(jī)拍攝過程中飛行姿態(tài)難控制、移動速度過快，影像將產(chǎn)生位移，導(dǎo)致影像模糊，影像質(zhì)量同樣較差。

為測試光照強(qiáng)度對建模的影響，本文將航拍分為上、下午兩部分拍攝，發(fā)現(xiàn)在上午照度佳時(shí)的影像生成的三維模型成果較下午時(shí)間拍攝的視覺效果佳，如圖3 所示。

5.2 飛行控制參數(shù)因素

圖3 光線強(qiáng)弱對模型成果影響

無人機(jī)三維實(shí)景建模的模型精度取決于采集圖像的重疊度與影像地面分辨率。其中，圖像的重疊率是保證無人機(jī)三維模型質(zhì)量的關(guān)鍵要素。從攝影技術(shù)角度來說，通常傳統(tǒng)攝影測量航帶間重疊度在30%左右，而傾斜影像航帶間重疊度要求至少在60%以上，兩者的差別較大[8]。一般而言，如需取得高精度數(shù)據(jù)，航向重疊率需設(shè)計(jì)在70%～85%，旁向重疊率則最少設(shè)定在50%。而模型紋理的精細(xì)度則與無人機(jī)航速相關(guān)，當(dāng)飛航速度越慢，獲得的數(shù)據(jù)精細(xì)程度越高，反之則越低；且地面分辨率高低也直接影響影像成果精細(xì)程度，航高越低，影像分辨率越高[9]。

綜上所述，當(dāng)高度越低、地面分辨率越高且影像重疊度大，則所獲得的三維模型精度高。但由于在數(shù)據(jù)采集與影像后處理耗時(shí)長，反而導(dǎo)致建模效率低。因此，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中需對無人機(jī)飛行航速、高度與重疊程度綜合考慮，并進(jìn)行合理設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)既能提高作業(yè)效率，也能保持無人機(jī)模型精度的要求。

5.3 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度（細(xì)部）

通過無人機(jī)對地面建筑物不同角度及高度進(jìn)行拍攝，須確保測區(qū)范圍或建筑物完全被覆蓋。但是對于建筑物遮擋物較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜細(xì)節(jié)較難拍攝部分，則需要補(bǔ)充復(fù)雜部位的數(shù)據(jù)采集來提高模型精度。

通過對周圍環(huán)境判斷采用航線規(guī)劃的軟件、功能、自動或手動拍攝。當(dāng)使用手動拍攝，需考慮無人機(jī)飛行速度快慢、相機(jī)角度及拍攝間隔，在拍攝過程中需保持影像的連續(xù)性，且不宜頻繁轉(zhuǎn)動攝像頭，避免最終建立的模型因影像信息不完整導(dǎo)致某些位置產(chǎn)生缺塊或出現(xiàn)“拉花”現(xiàn)象。環(huán)境許可、建筑物周邊較為寬闊或無遮蔽的情況下，建議采用自動拍攝功能，能避免影像不清晰，數(shù)據(jù)影像不連續(xù)等問題。

6 結(jié)論

本文針對無人機(jī)技術(shù)的硬件設(shè)備和相關(guān)航測軟件進(jìn)行了比選分析，并且分析了無人機(jī)技術(shù)建模成果的影響因素，可以得出以下結(jié)論。

1)現(xiàn)有的幾種軟件比較：DJI GO 4 軟件僅用于飛行參數(shù)設(shè)置，不適用于大面積數(shù)據(jù)采集；Altizure、Pix4Dcapture 均能用于單體建筑或建筑群傾斜攝影建模；但是Altizure 更適用于大面積的建筑群整體建模，而Pix4Dcapture模式較為靈活，適用于不規(guī)則區(qū)域與建筑單體局部高精度顯示。

2)無人機(jī)后處理軟件建模精度依本文測試結(jié)果，建模所得模型效果Altizure 優(yōu)于Pix4D，適用于實(shí)際項(xiàng)目的進(jìn)度展示平臺，可作為一個(gè)在線的協(xié)同平臺共享信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的建筑工程項(xiàng)目管理。Pix4D 建模效果雖不及Altizure，但其模型數(shù)據(jù)下載不須額外付費(fèi)，故基于成本考慮更適用于建設(shè)工程的實(shí)際應(yīng)用。

3)惡劣的天氣環(huán)境（陰天、雨、霧、霾等）、飛行參數(shù)的設(shè)定（高度、相機(jī)傾角、影像重疊度）、單體結(jié)構(gòu)與周遭環(huán)境的復(fù)雜度，以及后期影像數(shù)據(jù)的整理，均影響著無人機(jī)三維模型的精度。

4)影像重疊度對三維模型的完整性有重要影響。三維模型的質(zhì)量取決于圖像的重疊度與分辨率，當(dāng)影像信息不完整時(shí)，將導(dǎo)致生成的三維實(shí)景模型出現(xiàn)“拉花”現(xiàn)象。