朱允偉，安平利，龔文俊

（北京榮創(chuàng)巖土工程股份有限公司，北京 100000）

基于無人機(jī)的低空攝影測(cè)量是航空攝影測(cè)量的重要補(bǔ)充，它具有“快速響應(yīng)”的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。隨著無人機(jī)的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品普及，它在攝影測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用日益深化和廣闊。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)因在三維立體建模方面的優(yōu)勢(shì)伴隨我國(guó)城鎮(zhèn)化的推進(jìn)也取得了開放式發(fā)展。將無人機(jī)平臺(tái)與傾斜相機(jī)結(jié)合的三維建模技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，它因低成本、高效快捷的生產(chǎn)效率在城市規(guī)劃、資源開發(fā)、環(huán)境保護(hù)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用[1-3]。本文通過無人機(jī)搭載的傾斜相機(jī)采集數(shù)據(jù)，用三維建模軟件處理數(shù)據(jù)，得到地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生區(qū)域的三維信息，可為應(yīng)急救災(zāi)提供定量和定性數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量簡(jiǎn)介

無人機(jī)有固定翼的，也有多旋翼的；通常來說，多旋翼的比固定翼的無人機(jī)飛的慢且低，更適合精度高且面積小的任務(wù)。作為傳感器的相機(jī)，其核心是鏡頭。按鏡頭個(gè)數(shù)，常見二鏡頭、三鏡頭、五鏡頭相機(jī)。五鏡頭相機(jī)采集數(shù)據(jù)的效率最高，其笨重且尺寸大的缺點(diǎn)目前已得到很大改善，因此成為傾斜攝影的主流選擇。一般情況下，優(yōu)先選擇光學(xué)性能強(qiáng)、輕巧、內(nèi)存大、拷貝速度快、同步反饋功能強(qiáng)的相機(jī)。常用的SWDC-5相機(jī)就是五鏡頭相機(jī)，正下方一個(gè)正攝鏡頭，前后左右各一個(gè)傾斜鏡頭，傾角在40°～45°；集成了POS系統(tǒng)，便于確定位姿；各鏡頭可獨(dú)立拆卸，按需搭配，使用靈活且易于維修。

傾斜攝影獲取的數(shù)據(jù)信息豐富，包含側(cè)面紋理信息，經(jīng)加工可得到DSG、DLG等多類數(shù)據(jù)成果；以輕巧無人機(jī)為平臺(tái)，可快速、高精度、低成本完成數(shù)據(jù)采集。傾斜攝影便于反映地物的實(shí)際外觀狀態(tài)，這是它和僅反映俯視狀態(tài)的正射影像的最大區(qū)別；傾斜攝影便于實(shí)現(xiàn)基于單張影像的長(zhǎng)度、面積等要素量測(cè)；傾斜攝影能做到對(duì)地物紋理的批量提取與鑲貼，非常適合三維建模；傾斜影像的數(shù)據(jù)格式便于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布及共享。

無人機(jī)低空攝影測(cè)量技術(shù)，以獲取高分辨率數(shù)字影像為應(yīng)用目標(biāo)，以無人駕駛飛機(jī)為飛行平臺(tái)，以高分辨率數(shù)碼相機(jī)為傳感器，通過3S技術(shù)在系統(tǒng)中集成應(yīng)用，最終獲取小面積、真彩色、大比例尺、現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的航測(cè)遙感數(shù)據(jù)。無人機(jī)低空攝影測(cè)量主要用于基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的快速獲取和處理，為制作正射影像、地面模型或基于影像的區(qū)域測(cè)繪提供最簡(jiǎn)捷、最可靠、最直觀的應(yīng)用數(shù)據(jù)。無人機(jī)具有靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，受空中管制和氣候的影響較小，能夠在惡劣環(huán)境下直接獲取影像，即便是設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會(huì)出現(xiàn)人員傷亡，具有較高的安全性。

無人機(jī)可以在云下超低空飛行，彌補(bǔ)了衛(wèi)星光學(xué)遙感和普通航空攝影經(jīng)常受云層遮擋獲取不到影像的缺陷，可獲取比衛(wèi)星遙感和普通航攝更高分辨率的影像。同時(shí)，低空多角度攝影獲取建筑物多面高分辨率紋理影像，彌補(bǔ)了衛(wèi)星遙感和普通航空攝影獲取地質(zhì)資料時(shí)遇到的遮擋物的問題。

盡管基于無人機(jī)平臺(tái)的傾斜攝影測(cè)量存在低成本、靈活輕便、分辨率高、快速響應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是存在易受氣流影響飛行姿態(tài)不穩(wěn)、影像重疊度高、像幅小、影像數(shù)量多且畸變大等問題。

傾斜攝影通過多視高重疊影像，輔以施測(cè)少量控制點(diǎn)，經(jīng)影像匹配，獲取點(diǎn)云，構(gòu)建三角網(wǎng)TIN，通過紋理映射的紋理鑲貼，可構(gòu)建實(shí)景三維模型。由多鏡頭多角度獲取的多視影像得到的三維實(shí)景模型具有直觀且多方位的展示效果，在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處理中應(yīng)用潛力巨大。它可作為電子沙盤，可以量測(cè)受災(zāi)范圍，可以量化受災(zāi)程度，可以為災(zāi)害處理提供依據(jù)。

2 三維建模流程

基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維建?；玖鞒虨椋簩A斜相機(jī)組裝在無人機(jī)上、根據(jù)區(qū)域設(shè)計(jì)航線、航測(cè)采集多視影像、幾何校正與影像預(yù)處理、多視影像聯(lián)合平差與密集匹配、生產(chǎn)DSM、TIN等數(shù)據(jù)產(chǎn)品、3D紋理映射、生成三維立體模型。其中關(guān)鍵技術(shù)是多視影像聯(lián)合平差與密集匹配。

3 三維建模實(shí)例應(yīng)用

3.1 研究區(qū)域與思路

選取的研究區(qū)域?yàn)楸本┦忻茉茀^(qū)某區(qū)域，面積約3.7km2，這里經(jīng)常會(huì)發(fā)生巖石崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，為此需加強(qiáng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)及相關(guān)數(shù)據(jù)采集與技術(shù)研究。研究的思路分為三步：先用無人機(jī)搭載傾斜相機(jī)采集數(shù)據(jù)，然后利用軟件構(gòu)建三維模型，最后基于三維模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的定量與定性分析與評(píng)估。

3.2 選擇無人機(jī)和相機(jī)

按需求，選擇了一款多旋翼無人機(jī)。根據(jù)產(chǎn)品的要求精度及測(cè)區(qū)實(shí)際情況，確定相機(jī)、鏡頭，設(shè)計(jì)合適的影像重疊度。制作相機(jī)支架來連接相機(jī)與無人機(jī)。采用可獨(dú)立拆卸的五鏡頭相機(jī)，一臺(tái)正攝，焦距調(diào)為25mm；四臺(tái)調(diào)為傾斜45°，前后左右各懸掛一個(gè)[4]。

3.3 航線設(shè)計(jì)

航線設(shè)計(jì)使用航線設(shè)計(jì)軟件，軟件可按指令生成飛行計(jì)劃文件。航線設(shè)計(jì)的目的是選擇最佳路徑，要考慮外界環(huán)境條件和無人機(jī)的性能，要考慮相機(jī)參數(shù)、重疊度等因素。照準(zhǔn)正下方的相機(jī)的參數(shù)是航高設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此，要先確定出相機(jī)焦距，再計(jì)算航高。因測(cè)區(qū)地形起伏較大，為提高精度，將其分為2部分分別航測(cè)。第一部分為較平坦的區(qū)域，基準(zhǔn)面的高程是197m，絕對(duì)航高是525m，航帶長(zhǎng)45km；第二部分為丘陵區(qū)域，基準(zhǔn)面的高程是315m，絕對(duì)航高是643，航帶長(zhǎng)34km。傾斜攝影需要較高的影像重疊度，設(shè)計(jì)為航向重疊80%，旁向重疊70%[5]。

3.4 采集多視影像

在明確了需要進(jìn)行的航飛任務(wù)后，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查和設(shè)備檢查，并進(jìn)行空域飛行申請(qǐng)，使具備資質(zhì)要求的人員實(shí)施無人機(jī)航測(cè)，采集多視影像。由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后需要盡快實(shí)施應(yīng)急測(cè)繪，具體天氣情況不由人為選擇，對(duì)施測(cè)人員來說，只能被動(dòng)的根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體的天氣狀態(tài)來調(diào)整曝光參數(shù)。本次項(xiàng)目采用的八旋翼無人機(jī)，飛行速度慢，需多次飛行才能完成全區(qū)域覆蓋。設(shè)置好每個(gè)相機(jī)對(duì)應(yīng)的曝光點(diǎn)坐標(biāo)，各相機(jī)就可以在無人機(jī)按航線飛行過程中自動(dòng)拍攝。通過航測(cè)，獲得了5個(gè)相機(jī)采集的5個(gè)方位的影像。采集影像時(shí)，同時(shí)記錄航高、重疊度、坐標(biāo)等信息。影像采集后，還需結(jié)合實(shí)地對(duì)照檢查，舍棄不合質(zhì)量要求的影像，該補(bǔ)測(cè)的地方就補(bǔ)測(cè)。并對(duì)合格的多視影像進(jìn)行處理，使其勻光勻色。

3.5 多視影像聯(lián)合平差與匹配

因?yàn)榇嬖趦A斜影像的緣故，必須采用多幅影像進(jìn)行聯(lián)合平差；平差中要注意各影像間的遮擋關(guān)系與幾何變形，結(jié)合各影像的外方位元素，結(jié)合金字塔式多級(jí)匹配策略。無人機(jī)獲取的多視影像的分辨較高、影像數(shù)量多，如何快速識(shí)別同名點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)影像密集匹配是關(guān)鍵，目前多采用基于機(jī)器視覺的多基元匹配。影像匹配后，可進(jìn)一步得到DSM、TIN模型等產(chǎn)品。

3.6 三維建模

人工三維建模效率低下，難以滿足應(yīng)急測(cè)繪的急迫需求，因此需借助自動(dòng)建模軟件。我們使用了Smart 3D軟件，能自動(dòng)建模，將經(jīng)過處理的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到該軟件里，就可快速高效構(gòu)建地形的三維的立體模型。具體的步驟為：新建一個(gè)工程；導(dǎo)入數(shù)據(jù)；控制點(diǎn)影像關(guān)聯(lián)；打開引擎端，提交空三任務(wù)；提交重建任務(wù)；提交成果產(chǎn)品。

4 地質(zhì)災(zāi)害分析

基于三維地形模型，可進(jìn)行模擬分析，選取一定區(qū)域，進(jìn)行數(shù)據(jù)量測(cè)，評(píng)估災(zāi)害程度。

4.1 量算受災(zāi)面積

在Smart 3D viewer中，我們可以直觀的看清地形情況，選取有可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域。在這里，我們將可能發(fā)生山體滑坡等災(zāi)害的裸土區(qū)域及少植被區(qū)域沿邊界圈出范圍。進(jìn)而可以量算出區(qū)域面積。

4.2 計(jì)算受災(zāi)土方量

在選定的區(qū)域內(nèi)，可看到高低起伏情況，三維模型帶有明確的高程信息。選取一個(gè)較低點(diǎn)作為基準(zhǔn)面，可計(jì)算出可能發(fā)生滑坡的土方量。

4.3 評(píng)估受災(zāi)程度

量算受災(zāi)面積、計(jì)算受災(zāi)土方量是定量分析；評(píng)估受災(zāi)程度是定性分析。定量分析是定性分析的基礎(chǔ)。對(duì)受災(zāi)程度進(jìn)行評(píng)估，首先要熟悉受災(zāi)區(qū)的情況，可通過三維模型直觀了解。再通過定量分析計(jì)算出的數(shù)據(jù)確定影響范圍和程度，進(jìn)而確定危險(xiǎn)等級(jí)，科學(xué)指導(dǎo)救災(zāi)。

5 小結(jié)

用基于無人機(jī)平臺(tái)的傾斜相機(jī)多視影像來建立三維模型已是三維建模的重要方式，在地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急測(cè)繪中的應(yīng)用越來越大，是發(fā)展趨勢(shì)。在本次模擬試驗(yàn)分析中，可以明顯看到三維實(shí)景模型的優(yōu)勢(shì)，以及無人機(jī)平臺(tái)在數(shù)據(jù)采集上的輕巧與高效。無人機(jī)可以將傳感器相機(jī)搭載到人不便到達(dá)的受災(zāi)區(qū)，結(jié)合多視相機(jī)鏡頭多角度大重疊度采集目標(biāo)區(qū)地面影響，甚至在惡劣天氣狀態(tài)下依然可以完成任務(wù)，具有很強(qiáng)快速反應(yīng)力，適合應(yīng)急測(cè)繪。三維實(shí)景模型直觀且具有一覽性，便于量測(cè)、分析與評(píng)估，可作為電子沙盤用于指導(dǎo)救災(zāi)，是非常實(shí)用的地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援輔助工具。