杭 芬12

(1.信息工程大學(xué)，鄭州 450000； 2.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 450000)

0 引言

我國(guó)對(duì)于海島有著明確的監(jiān)管方式，但是由于海島眾多，且遠(yuǎn)離大陸，很難及時(shí)準(zhǔn)確地掌握海島信息，因此對(duì)海島進(jìn)行監(jiān)視監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。測(cè)算海島建筑物高度數(shù)據(jù)是海島監(jiān)視的任務(wù)之一，通過海島建筑物高度數(shù)據(jù)，可以構(gòu)造出完整真實(shí)的三維海島模型圖[1]。近年來，遙感技術(shù)飛速發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，目前使用的測(cè)算方式多是利用遙感技術(shù)設(shè)計(jì)的，但是在測(cè)量海島建筑物高度時(shí)，依舊存在著一定的局限。目前的海島建筑物高度測(cè)算遙感技術(shù)擁有的弊端主要是訪問周期長(zhǎng)、時(shí)效性差、分辨率低，尤其是在多霧天氣，雷達(dá)難以拍攝到分辨率高的影像資料，難以完成高度測(cè)算[2]。

無人機(jī)包括機(jī)體、動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)等電子設(shè)備，具有很高的自動(dòng)化程度，花費(fèi)成本低，操作過程簡(jiǎn)單，在航空拍攝、巡視偵查、災(zāi)害搜救等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[3]。無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)可以利用遙感技術(shù)測(cè)算海島建筑物的高度，獲取海島的動(dòng)態(tài)，為查詢海島信息、制定決策提供有效的資料來源，通過無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行海島建筑物高度測(cè)算，不僅可以實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的自動(dòng)化，同時(shí)可以確保調(diào)度決策的自動(dòng)化[4]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有部分研究所針對(duì)海島建筑物高度測(cè)算進(jìn)行研究，但是卻鮮少有利用無人機(jī)實(shí)際開展測(cè)算的報(bào)導(dǎo)[5]。本文基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)研究了一種新的海島建筑物高度測(cè)算技術(shù)，利用無人機(jī)拍攝遙感影像，分析遙感影像建筑物的圖像，建立三維模型，將建立的三維模型從圖像空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地空間坐標(biāo)系中，根據(jù)與島上建筑物實(shí)際高度的對(duì)比結(jié)果，判斷測(cè)算的精確度。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該測(cè)算技術(shù)的有效性，本研究對(duì)于更好地實(shí)現(xiàn)海島管理和海島開發(fā)工作有重要意義，設(shè)計(jì)的測(cè)算技術(shù)可以為各項(xiàng)工作提供理論支撐。

1 海島建筑物高度測(cè)算關(guān)鍵技術(shù)

本文研究的基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的海島建筑物高度測(cè)算技術(shù)主要使用了兩種關(guān)鍵技術(shù)，分別是無人機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)和三維重建技術(shù)。

在海島建筑物高度測(cè)算中，無人機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)占據(jù)著核心地位，在無人機(jī)內(nèi)部搭載云臺(tái)和攝像頭，無人機(jī)通過云臺(tái)和攝像頭在高空獲取不同位置的地面影像圖。在自動(dòng)獲取地面影像圖時(shí)，無人機(jī)很可能受到人為干擾，產(chǎn)生誤差，無人機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)可以很好地解決這一問題，降低拍攝難度[6]。通過遙控器將地面站規(guī)劃的飛行任務(wù)傳給無人機(jī)，無人機(jī)根據(jù)固定地軌跡飛行，拍攝照片，通過控制飛行速度來把握拍照速度，使無人機(jī)可以自動(dòng)獲取海島建筑物影像，實(shí)現(xiàn)測(cè)量[7]。

三維重建技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺的延伸技術(shù)，主要負(fù)責(zé)處理航空攝影測(cè)量得到的照片數(shù)據(jù)，利用立體攝影測(cè)量原理在多張具有重疊度的照片中找出相同特征點(diǎn)，并對(duì)這些特征點(diǎn)實(shí)施追蹤，進(jìn)而分析出測(cè)量目標(biāo)的三維空間坐標(biāo)，根據(jù)確定的三維空間坐標(biāo)合成三維模型。在海島建筑物中設(shè)立控制點(diǎn)，根據(jù)相似變換的方法將圖像空間坐標(biāo)系的三維模型提取出來，放置到大地空間坐標(biāo)系中。無人機(jī)具有很強(qiáng)的記錄能力，在進(jìn)行攝影測(cè)量時(shí)，拍攝每張照片的相機(jī)位置和云臺(tái)姿態(tài)都能很好地被記錄下來，這些信息可以有效提高數(shù)據(jù)處理精度，使得到的三維重建模型更加精準(zhǔn)，從而提高解析速度和測(cè)量質(zhì)量。

2 基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的海島建筑物高度測(cè)算

在利用無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行海盜建筑物高度測(cè)算時(shí)，通常無人機(jī)航拍任務(wù)需要飛行5架次。首先設(shè)計(jì)測(cè)量方案，然后準(zhǔn)備測(cè)繪需要的材料，接著進(jìn)行無人機(jī)外業(yè)飛行，通過無人機(jī)獲取多點(diǎn)多角度照片，對(duì)拍攝的照片進(jìn)行篩選，根據(jù)篩選的結(jié)果構(gòu)建三維模型，在完成三維模型修正之后，輸出測(cè)算數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)算工作。從無人機(jī)飛行拍攝到三維模型修正的過程中，地面都需要布設(shè)控制點(diǎn)[8]。

本文選用的無人機(jī)為拓普康獵鷹8號(hào)八旋翼無人機(jī)，該無人機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拓普康獵鷹8號(hào)八旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)

觀察圖1可知，拓普康獵鷹8號(hào)八旋翼無人機(jī)呈“V”字型，具有監(jiān)控、測(cè)繪等多方面功能，無人機(jī)內(nèi)部加入了頂級(jí)傳感器、自主減震裝置、IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)，使用的拍攝相機(jī)是由索尼公司生產(chǎn)的α7R高分辨率數(shù)碼相機(jī)，該相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)360°全方位、無死角拍攝，從多個(gè)維度和多個(gè)視向獲得海島建筑物照片。拓普康獵鷹8號(hào)八旋翼無人機(jī)自身重量?jī)H為940 g，輕便靈活，可以載荷的任務(wù)重量為1 200 g，最高可以飛行高度為1 000 m，在環(huán)境風(fēng)力≤6級(jí)的情況下，該無人機(jī)的飛行時(shí)間可以達(dá)到20分鐘。

2.1 海島建筑物多點(diǎn)多角度照片拍攝

由于海島建筑物地形復(fù)雜，所以無人機(jī)每次飛行的軌跡也不同，為了更好地適應(yīng)海島環(huán)境，設(shè)置了兩種不同的飛行拍攝方案，分別是折線形飛行方案和環(huán)繞型飛行方案，如圖2所示。

圖2 無人機(jī)測(cè)算飛行方案

如圖2所示，折線形飛行方案的無人機(jī)飛行軌跡為折線，在整個(gè)測(cè)算過程中，無人機(jī)的機(jī)頭朝向始終保持在一個(gè)方向上，航向的重疊率為65%，旁向的重疊率為50%，每隔2s無人機(jī)完成1次拍攝。通過5次航行執(zhí)行拍攝任務(wù)，每次航行相機(jī)的角度都不同，第一次航行相機(jī)的鏡頭角度為豎直向下角度；第二次航行相機(jī)的鏡頭角度為向前傾斜45°；第三次航行相機(jī)的鏡頭角度為向后傾斜45°；第四次航行相機(jī)的鏡頭角度為向左傾斜45°；第五次航行相機(jī)的鏡頭角度為向右傾斜45°。

環(huán)繞型飛行拍攝方案無人機(jī)的飛行軌跡為弧形，在飛行拍攝過程中，飛機(jī)的機(jī)頭始終對(duì)著島嶼的正中心，軌跡旁向重疊率高于折線形飛行方案的旁向重疊率，可以達(dá)到60%，拍攝的時(shí)間間隔為2 s。5次飛行過程，無人機(jī)內(nèi)部的相機(jī)鏡頭始終面向與豎直方向和水平方向呈現(xiàn)45°的島嶼中心，不同拍照間隔得到的圖像集為島嶼環(huán)繞圖像集。環(huán)繞型飛行的攝影原理為傾斜攝影原理，傾斜攝影可以從多個(gè)視點(diǎn)和多個(gè)視角獲得影像，使側(cè)面信息更加詳盡[9]。

無論是使用折線形飛行方案，還是環(huán)繞型飛行方案，無人機(jī)都會(huì)記錄下飛行高度、飛行速度、航向重疊、旁向重疊、坐標(biāo)等重要參數(shù)，利用這些參數(shù)建立三維模型，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)算。

2.2 基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的海島建筑物三維建筑模型

由于海島建筑物環(huán)境復(fù)雜，所以需要在不同位置和不同高度設(shè)置多個(gè)地面影像控制點(diǎn)，本文的測(cè)量技術(shù)選擇了5個(gè)位置，并對(duì)每個(gè)位置的GPS坐標(biāo)和相對(duì)高度進(jìn)行記錄。地面影像點(diǎn)布置的方位如圖3所示。

圖3 地面影像點(diǎn)布置方位

布設(shè)的像控點(diǎn)必須與平高區(qū)域的網(wǎng)航線保持一致，當(dāng)平面點(diǎn)和高程點(diǎn)不在一個(gè)位置時(shí)，要聯(lián)測(cè)成平高點(diǎn)，設(shè)置的布控標(biāo)志必須要清晰明了，使無人機(jī)在高空可以直接觀測(cè)到，黑白反差度小的區(qū)域也不可以作為布控點(diǎn)。

無人機(jī)外業(yè)成員通過航拍得到各個(gè)海島區(qū)域的特征圖像。通過采集的照片特征數(shù)據(jù)建立三維建筑模型，所得到的照片必須要具備極高的分辨率、重疊度和清晰度，并且得是在光照條件好的情況下拍攝的。針對(duì)海島建筑物建立三維模型，建筑物的每一個(gè)部位都要有都要有3個(gè)以上的視點(diǎn)，得到的影像資料重疊度要大于80%，旁向重疊要大于50%，如果局部部位拍攝不全，還要進(jìn)行補(bǔ)拍。下圖為海島建筑物中的某一建筑物，針對(duì)這一建筑物進(jìn)行影像拍攝，拍攝過程如圖4所示。

圖4 筑物拍攝過程

在得到目標(biāo)建筑物的影像信息后，利用Smart3D建模軟件進(jìn)行建模，該軟件是一款全自動(dòng)軟件，可以實(shí)現(xiàn)高清建模，內(nèi)部的人機(jī)交互界面十分方便友好，除此之外，Smart3D建模軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)兼容性和數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，對(duì)于硬件的配置要求較低，操作簡(jiǎn)單，建立的三維場(chǎng)景模型生動(dòng)逼真，分辨率高，與真實(shí)信息十分接近。Smart3D建模軟件可以將無人機(jī)硬件中的各種原始數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行還原，打造最為真實(shí)接近的海島建筑物模型。軟件處理后得到osbg格式的模型，對(duì)周邊建筑物進(jìn)行矢量信息化處理，從而加快測(cè)量速度，提高測(cè)量精度。

在利用Smart3D建模軟件完成建模后，通過設(shè)定地面影像控制點(diǎn)對(duì)后期制作的三維模型進(jìn)行修正，去除模型中的雜質(zhì)邊緣、孔洞和不連續(xù)點(diǎn)，使建立的三維模型更加生動(dòng)逼真。得到的海島建筑物三維模型如下圖5所示：

圖5 海島建筑物三維模型

分析照片中特征點(diǎn)的經(jīng)緯度，根據(jù)分析結(jié)果建立將建立的三維模型從圖像空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地空間坐標(biāo)系中，通過圖3中的影像控制點(diǎn)對(duì)模型實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步修正。對(duì)于特征較弱的建筑區(qū)域可以直接過濾，利用圖6地面測(cè)量控制點(diǎn)靶標(biāo)圖像修正海島建筑物的三維模型。當(dāng)三維模型的分辨率可以達(dá)到0.25 m時(shí)，測(cè)算出來的海島建筑物高度與精度要求相同。

圖6 地面測(cè)量控制點(diǎn)靶標(biāo)圖像

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為檢測(cè)基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)研究的海島建筑物高度測(cè)算技術(shù)的測(cè)算精度，與傳統(tǒng)海島建筑物測(cè)算技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

選用的機(jī)載激光雷達(dá)型號(hào)為GL—70，參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)選用傳統(tǒng)的測(cè)算技術(shù)以及加入本文研究的基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的測(cè)算技術(shù)對(duì)10個(gè)海島建筑物高度進(jìn)行測(cè)算，比較得到的數(shù)據(jù)質(zhì)量，分析測(cè)算精度，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量測(cè)試。

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)于后期測(cè)算建筑物高度有著重要的影響，通常完整性強(qiáng)、匹配能力高的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模更加容易，得到的測(cè)算結(jié)果精準(zhǔn)度也更高。對(duì)比傳統(tǒng)測(cè)算技術(shù)和本文研究的測(cè)算技術(shù)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)最大密度和平均密度，得到結(jié)果如表2所示。

表2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

分析上表可知，基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)的海島建筑物高度測(cè)算技術(shù)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)最大密度和平均密度高于傳統(tǒng)測(cè)算技術(shù)得到的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)最大密度和平均密度。傳統(tǒng)測(cè)算技術(shù)通常僅是針對(duì)某一種特定的區(qū)域研發(fā)，適應(yīng)性差，在解決復(fù)雜的海島建筑物高度信息數(shù)據(jù)提取這一問題時(shí)，能力不強(qiáng)，尤其是面對(duì)復(fù)雜區(qū)域，這一局限更加明顯，利用無人機(jī)激光雷達(dá)研究的測(cè)算技術(shù)可以通過濾波技術(shù)將非建筑物中的地表信息數(shù)據(jù)從原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中清除，從而確保了數(shù)據(jù)的連續(xù)性，剔除掉異常數(shù)據(jù)后，激光云點(diǎn)信息將與真實(shí)信息更加接近。

2)測(cè)算精度測(cè)試。

由圖7可知，本文研究的測(cè)算技術(shù)測(cè)得的建筑物高度與海島建筑物的實(shí)際高度相似度高，在測(cè)算建筑物2、建筑物8和建筑物10時(shí)，都能得到與真實(shí)值完全相符的測(cè)算結(jié)果，而傳統(tǒng)的測(cè)算技術(shù)測(cè)算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于本文研究的基于無人機(jī)激光雷達(dá)的海島建筑物高度測(cè)算方法，誤差極大。

圖7 控制時(shí)間測(cè)試結(jié)果

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

海島是一個(gè)特殊的地理結(jié)構(gòu)，四面環(huán)水，地處偏僻，土地面積較小，因此測(cè)量海島上的建筑物高度變得更加困難。目前使用的海島建筑物高度技術(shù)多是利用單景衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行測(cè)算的，測(cè)算誤差大，且激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)最大密度和平均密度過小，很難保證測(cè)量精度。

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)作為一種新型遙感技術(shù)具有方便靈活的特點(diǎn)，可以利用拍攝地遙感影像分析建筑物的各項(xiàng)信息，根據(jù)分析結(jié)果在圖像空間坐標(biāo)系中進(jìn)行建模，在地面上布控地面影響點(diǎn)，將建立的三維模型從圖像空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地空間坐標(biāo)系中，從而得到更加精準(zhǔn)的測(cè)算結(jié)果。本文研究的海島建筑物測(cè)算技術(shù)不僅消耗成本低，而且測(cè)量速度快，測(cè)量精度高，能夠結(jié)合多種測(cè)算方法，完成三維可視化綜合性測(cè)算。

4 結(jié)束語

無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)是一種實(shí)用性很強(qiáng)的遙感技術(shù)，可以幫助無人機(jī)拍攝高分辨率、高質(zhì)量圖像。本文基于無人機(jī)機(jī)載激光雷達(dá)研究了一種針對(duì)海島建筑物高度的測(cè)算技術(shù)，對(duì)無人機(jī)獲取的多視影像圖進(jìn)行疊加，從而解決圖像失真問題，利用Smart3D建模軟件完成建模，將建立的三維模型從圖像空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到大地空間坐標(biāo)系，從而得到海島建筑物高度。本文研究的高度測(cè)算技術(shù)可以在低成本的條件下獲取高精度的測(cè)算結(jié)果，在保護(hù)海島建筑物、評(píng)估海島災(zāi)害、海島應(yīng)急指揮、監(jiān)測(cè)海島環(huán)境等方面都有著重要的意義。