無(wú)人機(jī)傾斜攝影在地形成圖中的應(yīng)用

趙立峰

(黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是我國(guó)近幾年才開(kāi)始發(fā)展的一種測(cè)量技術(shù)，因?yàn)榻陙?lái)我國(guó)的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始逐步向人們的生產(chǎn)生活方向邁進(jìn)，因此無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)也隨之應(yīng)運(yùn)而生。它主要的作用就是通過(guò)對(duì)三維數(shù)據(jù)的測(cè)量，然后再結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦我约笆挛锏奈恢煤屯饷瞾?lái)形成相應(yīng)的地形圖。相較于傳統(tǒng)的人力測(cè)量而言，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的優(yōu)勢(shì)就在于它的準(zhǔn)確度更高，而且成本也比較低，使用起來(lái)也更加方便。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的介紹

1.1 傾斜攝影的原理

在傳統(tǒng)的地形程度測(cè)量的過(guò)程中采用的都是正射和傾斜影像技術(shù)，而應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)則將二者結(jié)合起來(lái)，利用無(wú)人機(jī)來(lái)搭載行攝儀器，然后再有相應(yīng)的負(fù)責(zé)人員操縱無(wú)人機(jī)，從正上方以及側(cè)面等多個(gè)角度采取地形影像。在拍攝過(guò)程中通過(guò)記錄垂直高度以及旁向重疊坐標(biāo)等一系列的參數(shù)，為同一地區(qū)的地形提供盡可能多的參考信息，然后再結(jié)合這些影像以及當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，加以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和多式影像匹配，最終生成三維建模，再進(jìn)行一定的細(xì)節(jié)處理，就可以得到最終的地形測(cè)繪結(jié)果。在應(yīng)用的過(guò)程中需要注意的一點(diǎn)是針對(duì)無(wú)人機(jī)的操作一定要有相應(yīng)的技術(shù)人員來(lái)進(jìn)行，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)的操作會(huì)影響到最終的航拍結(jié)果，如果操作不規(guī)范就會(huì)影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[1]。

1.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影的優(yōu)勢(shì)

相較于傳統(tǒng)的攝影技術(shù)而言，無(wú)人機(jī)傾斜攝影的最主要的優(yōu)點(diǎn)就是準(zhǔn)確率高，且數(shù)據(jù)處理比較快。無(wú)人機(jī)的飛行高度通常在10 m到50 m之間，所以在低空當(dāng)中利用無(wú)人機(jī)鏡頭可以獲得更加立體的影像資料。它還可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況生成三維立體模型，快速得到當(dāng)?shù)氐奈恢眯畔ⅰ＿@樣一來(lái)，在測(cè)繪的過(guò)程中就可以省去很多不必要的麻煩。無(wú)人機(jī)傾斜攝影的優(yōu)勢(shì)主要可以分為3方面，第1方面就是角度多樣化，數(shù)據(jù)更加真實(shí)。因?yàn)橄噍^于傳統(tǒng)的正射影像而言，無(wú)人機(jī)傾斜攝影可以從多個(gè)角度出發(fā)，無(wú)論是事物的正上方，側(cè)面斜上方，還是斜下方，它都可以進(jìn)行觀察，也就更加滿足實(shí)際的地理情況。第2方面的優(yōu)勢(shì)就是它的生產(chǎn)成本比較低，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，操作也比較靈活。相較于傳統(tǒng)的垂直攝影和人力測(cè)繪而言，無(wú)人機(jī)傾斜攝影的生產(chǎn)成本是比較低的，而且也可以避免很多在人工測(cè)繪過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差。在無(wú)人機(jī)操作的過(guò)程中也不需要多人操作，只要有相應(yīng)的技術(shù)操作員即可，這就在很大程度上節(jié)約了人力資源。第3方面的優(yōu)勢(shì)就是可以盡量降低天氣對(duì)于攝影資料的影響。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)的飛行高度低于云層，因此云層當(dāng)中的一系列因素對(duì)無(wú)人機(jī)的影響就比較小。而且如果云層當(dāng)中的狀況不穩(wěn)定，就很有可能會(huì)影響設(shè)備的能見(jiàn)度，但是由于無(wú)人機(jī)的飛行高度低于云層，因此對(duì)能見(jiàn)度的要求也就沒(méi)有那么嚴(yán)格，另外它還可以更加快速地反應(yīng)突發(fā)情況[2]。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影的優(yōu)勢(shì)

2.1 反應(yīng)建筑物真實(shí)狀況

無(wú)人機(jī)傾斜影能讓用戶從多個(gè)角度觀察地物，從而更加真實(shí)地反映地物的實(shí)際情況,極大的彌補(bǔ)了基于正射影像應(yīng)用的不足。在未來(lái)的發(fā)展中，建筑物的體型會(huì)越來(lái)越大，因?yàn)殡S著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，建筑行業(yè)也在不斷進(jìn)步，近年來(lái)各種高層建筑拔地而起，如果想要獲取到建筑的真實(shí)狀況，由于建筑物的高度問(wèn)題，又不能采取人工測(cè)量的方式，這樣一來(lái)應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影成了非常合適的一個(gè)方法。比如，在對(duì)外墻體進(jìn)行保溫的過(guò)程中，在開(kāi)始動(dòng)工之前一定要充分了解墻體目前的狀況，因?yàn)樵谕鈮Ρ氐倪^(guò)程中，只有了解墻體的構(gòu)造以及墻體的材料才能夠根據(jù)實(shí)際情況開(kāi)工。在這一過(guò)程中就可以采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)外墻體的實(shí)際情況進(jìn)行拍攝，通過(guò)立體建模來(lái)模擬出墻壁的狀態(tài)，進(jìn)而分析出墻壁的實(shí)際情況，再選用合適的方法，進(jìn)行外墻體保溫[3]。

2.2 數(shù)據(jù)清晰準(zhǔn)確

傾斜影像可實(shí)現(xiàn)單張影像量測(cè)通過(guò)配套軟件的應(yīng)用,可直接基于成果影像進(jìn)行包括高度、積、角度和坡度等的量測(cè),擴(kuò)展了傾斜攝影技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)的攝影技術(shù)以及測(cè)量技術(shù)而言，無(wú)人機(jī)傾斜攝影的一個(gè)最大的優(yōu)勢(shì)就在于它得出的數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確，且圖像清醒，可以正確建模并且模擬出建筑的實(shí)際情況。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)攝影技術(shù)采用的是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為基礎(chǔ)的3D立體建模技術(shù)，相較于其他的測(cè)量手段而言有著非常大的優(yōu)勢(shì)，建模得出的數(shù)據(jù)要比普通的照片更為精準(zhǔn)，而且立體模型也比平面圖型更為直觀，方便設(shè)計(jì)人員理解。無(wú)人機(jī)傾斜傾斜攝影是通過(guò)將相機(jī)調(diào)整成為特定的參數(shù)，在特定的角度下進(jìn)行拍攝，不僅可以在很大程度上保持?jǐn)z影的平穩(wěn)性，還可以盡量無(wú)視當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境對(duì)無(wú)人機(jī)的影響，這樣一來(lái)所得出的數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)就回更加接近，也就可以盡量縮小誤差[4]。

2.3 降低三維建模成本

無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可采集針對(duì)各種三維數(shù)字城市應(yīng)用,利用航空攝影大規(guī)模成像的特點(diǎn),加上從傾斜影像批量提取及貼紋理的方式,能夠有效地降低城市三維建模成本。如果想要模擬出建筑物的真實(shí)狀態(tài)，就必須要模擬出建筑物表面的紋理。如果采用相機(jī)進(jìn)行拍攝，不僅距離不夠，而且畫(huà)面也不夠清晰的，但是利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)就可以近距離的拍攝出建筑物的實(shí)際情況，而且這樣得出數(shù)據(jù)的三維建模。相較于其他的測(cè)量方式可以在很大程度上降低成本，如果采用儀器測(cè)量那么必不可少的會(huì)使用到各種精密的儀器，那么儀器的購(gòu)入就是不小的成本，在建模的過(guò)程中還要結(jié)合各種儀器的數(shù)據(jù)。但是利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)集成電路的特點(diǎn)，在測(cè)量的過(guò)程中就可以得出更加精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，而且再聯(lián)合后臺(tái)的云計(jì)算平臺(tái)就可以進(jìn)行建模，這就從根本上降低了成本[5]。

2.4 數(shù)據(jù)量小，易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布

相較于三維 GIS 技術(shù)應(yīng)用龐大的三維數(shù)據(jù)，應(yīng)用傾斜提影技術(shù)獲取的影像的數(shù)據(jù)量要小得多,其影像的數(shù)據(jù)格式可采用成熟的技術(shù)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布,實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用。對(duì)于各種地形和建筑物的數(shù)據(jù)，由于其具有一定的時(shí)效性，因此并不是每需要1次就到當(dāng)?shù)厝y(cè)量1次，而是在一定的時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)不會(huì)更新。如果采用三維GIS技術(shù)，每次上傳到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量或許龐大，不僅會(huì)浪費(fèi)很多資源，而且還會(huì)浪費(fèi)很多不必要的時(shí)間。但是應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，每次獲取的影像數(shù)據(jù)量相較而言就要小很多，這樣一來(lái)上傳到網(wǎng)絡(luò)上的速度也就比較快，而且也不會(huì)消耗大量的流量，針對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還可以有一個(gè)明確的保障。在建模的過(guò)程中也可以應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影的數(shù)據(jù)，在一定程度上結(jié)合 GIS的三維數(shù)據(jù)來(lái)得出更加準(zhǔn)確的模型，這樣一來(lái)就可以從根本上提高模型建立的速度，還可以得到實(shí)際有效的信息。而且無(wú)人機(jī)傾斜攝影的數(shù)據(jù)量比較小，容易在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布，也可以更容易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互享，為數(shù)據(jù)的應(yīng)用提供很大的便利，也為測(cè)量人員省去了很多不必要麻煩[6]。

3 傾斜攝影生成三維模型測(cè)繪地圖的流程分析

3.1 空三精度

因?yàn)樵谙嚓P(guān)的測(cè)繪規(guī)范中，對(duì)于無(wú)人機(jī)攝影的相片連接點(diǎn)數(shù)量和測(cè)量誤差都沒(méi)有明確的規(guī)定，因此在測(cè)量的過(guò)程中就不能夠根據(jù)傳統(tǒng)的垂直攝影的方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量。如果想要提高三維建模測(cè)量技術(shù)的精度，那么就要從物和地兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行建模評(píng)價(jià)。最常用的方式就是物方精度評(píng)定。在攝影的過(guò)程中要對(duì)密點(diǎn)和檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，而向方精度評(píng)定主要是利用匹配點(diǎn)在反投影過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差來(lái)進(jìn)行的[7]。

3.2 傾斜攝影的三維建模

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中有一部分是總體建模。在總體建模中會(huì)應(yīng)用到一系列的公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，如，在傾斜攝影的過(guò)程中影片和實(shí)際的距離比是1∶1000，在測(cè)量的過(guò)程中，由于是傾斜攝影，所以要測(cè)算出垂直高度，也就是三角形a2+b2=c2。通過(guò)比例來(lái)代入公式，然后得出垂直測(cè)量高度，進(jìn)而在電腦上再進(jìn)行等比縮小就能夠進(jìn)行建模。而且在將3dsMax插件開(kāi)發(fā)技術(shù)和傾斜攝影技術(shù)相融合的過(guò)程中可以通過(guò)空中測(cè)量的方式來(lái)提高地形測(cè)量的精確程度。這樣一來(lái)也就能夠得到更加準(zhǔn)確的位置參數(shù)。在進(jìn)行多方位測(cè)量以后，無(wú)人機(jī)就可以將所得到的影像資料傳輸?shù)?dsMax當(dāng)中，這樣得出的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，而且還可以對(duì)每個(gè)傳感器的紋理進(jìn)行信息處理，這不僅能夠進(jìn)行紋理自動(dòng)映射，還能夠完善三維建模[8]。

4 無(wú)人機(jī)傾斜攝影在地形成圖中的實(shí)踐分析

4.1 技術(shù)應(yīng)用實(shí)施

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中進(jìn)行可以利用五個(gè)鏡頭航拍來(lái)獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)。在每個(gè)鏡頭的設(shè)置方面焦距都是24 mm，橫向重疊度通常都在76%到85%之間，攝影地面分辨率超過(guò)3.4，然后再通過(guò)和無(wú)人機(jī)相連的無(wú)線網(wǎng)站來(lái)計(jì)算出相關(guān)的數(shù)據(jù)。在實(shí)際測(cè)算的過(guò)程中相關(guān)負(fù)責(zé)人員要設(shè)置4個(gè)或者4個(gè)以上的飛行架次，絕對(duì)行高為189 m，極限長(zhǎng)度為11 m，每條航線之間的距離為24 m，總航線數(shù)量為26條，橫線長(zhǎng)度大約在21 km左右。在無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量攝影技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中要利用空三加密，并且通過(guò)smart3D軟件，把傾斜攝影所得到的資料導(dǎo)入到其中，空三加密以后進(jìn)行信息匹配，生成相應(yīng)的三維模型。除此之外，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)還能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)氐牡匦螖?shù)字規(guī)劃圖進(jìn)行收集，通過(guò)采集適量圖中的數(shù)據(jù)信息，能夠獲得相應(yīng)的影像資料，從而提高地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度[9]。

4.2 優(yōu)化及研究測(cè)量誤差

在應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的過(guò)程中，不可避免地會(huì)存在相應(yīng)的影片分辨率誤差，而在實(shí)際生成地形圖的過(guò)程中，對(duì)于當(dāng)?shù)氐牡匦螖?shù)據(jù)，精確程度也是有一定要求的。但是利用實(shí)際建筑規(guī)劃，影像分辨率很難符合這樣的要求。但是在應(yīng)用無(wú)人機(jī)的過(guò)程中可以通過(guò)更換鏡頭或者是降低行高等方式來(lái)獲取分辨率更高的影像，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)的精確程度。尤其是在利用空三加密對(duì)影像測(cè)量的過(guò)程中，smart3D軟件會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行這一過(guò)程，如果沒(méi)有出現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)匹配，就會(huì)采用人工干預(yù)的方式來(lái)優(yōu)化控制精確程度。

4.3 生產(chǎn)率對(duì)比研究

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，相較于人工技術(shù)而言，可以在很大程度上提高地形圖的生成效率，這就可以在一定程度上節(jié)約測(cè)量時(shí)間。尤其是對(duì)于一些工程設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)?shù)氐匦斡袊?yán)格要求的工程當(dāng)中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以在一定程度上提高設(shè)計(jì)效率，盡量減少工程的施工周期。而且相較于其他技術(shù)而言，無(wú)人機(jī)受天氣因素的影響較小，如果出現(xiàn)云層過(guò)低或者是其他狀況，就可能會(huì)影響到垂直拍攝的生產(chǎn)率，但是無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)就不存在這一問(wèn)題。因?yàn)樗梢詮亩鄠€(gè)角度觀察地面的情況，在建模的過(guò)程當(dāng)中，所應(yīng)用的數(shù)據(jù)也是多方面的。除了最傳統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)以外，它還有對(duì)實(shí)際的地形規(guī)劃進(jìn)行結(jié)合，因此就不需要重復(fù)的去采集信息，這就在很大程度上提高了測(cè)量效率。

5 結(jié)語(yǔ)

在測(cè)量的過(guò)程中，相關(guān)負(fù)責(zé)人對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的原理以及無(wú)人機(jī)傾斜攝影的優(yōu)勢(shì)一定要有明確的認(rèn)識(shí)。針對(duì)于技術(shù)實(shí)施以及優(yōu)化研究過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差也要注意，要通過(guò)對(duì)比生產(chǎn)率以及獲取傾斜影像資料來(lái)對(duì)無(wú)人機(jī)攝影在地形成圖中進(jìn)行實(shí)踐分析。未來(lái)，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)會(huì)越來(lái)越發(fā)達(dá)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影在地形成圖中的作用也將會(huì)越來(lái)越大。