潘 芳

（江蘇東交智控科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210002）

低空傾斜攝影技術(shù)通過多臺(tái)傳感器從不同角度進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)來源豐富多樣，滿足現(xiàn)代對(duì)于三維圖像信息的高要求。以無人機(jī)搭載低空傾斜攝影傳感器，將拍攝到的信息傳輸回三維建模平臺(tái)，平臺(tái)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、多視影像平差、幾何糾正、數(shù)據(jù)分塊、點(diǎn)云匹配、紋理貼圖、模型修改、模型單體化、3D模型輸出等操作完成對(duì)傾斜攝影拍攝到的目標(biāo)直接測(cè)量。

1 無人及組件及功能要求

1.1 無人機(jī)平臺(tái)選擇

具備一定續(xù)航能力保證拍攝工作的連續(xù)進(jìn)行和無人機(jī)的安全返航，一般要求標(biāo)準(zhǔn)荷載條件下續(xù)航時(shí)間≥25 min；針對(duì)圖像采集的特點(diǎn)，無人機(jī)平臺(tái)應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性和抗干擾能力，抗風(fēng)等級(jí)≥5級(jí)（10 m/s），通信距離≥2 km；具備穩(wěn)定的相機(jī)云臺(tái)；具備有效荷載能力，有效任務(wù)荷載≥6 kg；為了進(jìn)一步降低野外作業(yè)的事故風(fēng)險(xiǎn)，無人機(jī)平臺(tái)應(yīng)具備自動(dòng)避障系統(tǒng)。

結(jié)合管理的需求，本項(xiàng)目選擇多旋翼無人機(jī)作為平臺(tái)，搭載攝影設(shè)備進(jìn)行傾斜攝影。

多旋翼無人機(jī)如圖1所示。

圖1 多旋翼無人機(jī)

1.2 傾斜攝影相機(jī)選擇

經(jīng)過調(diào)研比選，五鏡頭攝像機(jī)符合本次課題的要求，如圖2所示。

圖2 五鏡頭攝像機(jī)

1.3 功能模塊選擇

（1）自動(dòng)返航模塊。

自動(dòng)返航模塊可以自主判斷控制信號(hào)是否丟失，針對(duì)丟失情況做出失控保護(hù)處理。執(zhí)行全自動(dòng)飛行任務(wù)時(shí)，信號(hào)丟失無人機(jī)會(huì)繼續(xù)完成預(yù)定的航線飛行任務(wù)；執(zhí)行手動(dòng)控制任務(wù)時(shí)，無人機(jī)會(huì)在丟失信號(hào)的地方自主懸停，10 s無響應(yīng)會(huì)自動(dòng)飛到航線開始地點(diǎn)，有安全保障。

（2）告警及處置功能。

針對(duì)信號(hào)弱、電量低、風(fēng)力變化大等問題模塊會(huì)自主報(bào)警，并做出相應(yīng)的應(yīng)急措施。

（3）自動(dòng)避障系統(tǒng)。

采用視覺傳感導(dǎo)航系統(tǒng)，可感知附近障礙物，使飛行器主動(dòng)躲避，配備視覺超聲波組合傳感器，結(jié)合機(jī)器視覺算法保證飛行全程的安全。

（4）高精度視覺定位。

系統(tǒng)支持高精度立體視覺算法，算法精度達(dá)厘米級(jí)，即使是地形復(fù)雜的情況下依然能夠準(zhǔn)確定位，定位的有效高度可以達(dá)到20 m。

（5）檢測(cè)航線規(guī)劃。

對(duì)圖像采集進(jìn)行航線規(guī)劃，結(jié)合包含地理信息數(shù)據(jù)地圖，針對(duì)需要檢測(cè)的路段對(duì)飛行航線進(jìn)行規(guī)劃。

2 三維建模過程

（1）影像預(yù)處理。

影像預(yù)處理包括畸變校正、勻光勻色處理。

（2）多視影像聯(lián)合平差和密集匹配。

傾斜攝影獲取的影像數(shù)據(jù)包括大量側(cè)面方向的圖像數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建影像圖庫，采用由粗到細(xì)的匹配策略，進(jìn)行自動(dòng)連接點(diǎn)提取、行區(qū)域網(wǎng)平差，采用POS輔助數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)坐標(biāo)的方法，建立多視影像間的平差方程，保證平差精度。采用多視影像密集匹配模型快速提取多視影像點(diǎn)坐標(biāo)并自動(dòng)匹配，獲取地物的三維信息。

（3）高精度DSM自動(dòng)提取。

經(jīng)過多視影像平差和密集匹配后，獲取成像區(qū)域地物的超高密度點(diǎn)云，根據(jù)超高密度點(diǎn)云進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑即可完成高精度高分辨率的DSM自動(dòng)提取。

（4）三維建模和成果優(yōu)化。

基于傾斜影像對(duì)建筑物進(jìn)行自動(dòng)紋理映射，針對(duì)每個(gè)三角面對(duì)應(yīng)的實(shí)際紋理區(qū)域，實(shí)現(xiàn)紋理影像與三維TIN模型的配準(zhǔn)。

利用空三加密成果，通過拉伸方法制作三維模型實(shí)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始模型缺陷明顯的目標(biāo)區(qū)域的修復(fù)工作。

3 基于低空傾斜攝影三維建模的管理平臺(tái)開發(fā)

3.1 Rising fly GIS平臺(tái)簡(jiǎn)介

完成航空攝影、地理信息技術(shù)的拓展，具有厘米級(jí)高分辨率、任意標(biāo)注、任意測(cè)量、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)載入、地形數(shù)據(jù)分析等實(shí)用功能，載入圖文數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)區(qū)域或行業(yè)的大數(shù)據(jù)管理。具有圖文并茂、簡(jiǎn)單直觀、精準(zhǔn)全面的特點(diǎn)，可隨時(shí)調(diào)取各種數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)為領(lǐng)導(dǎo)提供精準(zhǔn)決策依據(jù)的目的。

3.2 管理平臺(tái)功能介紹

支持影像數(shù)據(jù)載入、支持CAD、地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)載入；二維、三維同時(shí)瀏覽管理；任意位置任意標(biāo)注、測(cè)量，多種分析功能；準(zhǔn)確的經(jīng)緯度坐標(biāo)定位；支持各種傳感器接入，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理；支持網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行、用戶名密碼登錄和U盾授權(quán)登陸；實(shí)景影像化資產(chǎn)管理平臺(tái)集成多種地圖資源；支持多種通用格式地形、影像、矢量數(shù)據(jù)的瀏覽和輸出；支持的地理數(shù)據(jù)格式包括影像、地形、矢量數(shù)據(jù)和文本數(shù)據(jù)等；快速瀏覽三維模型，支持大批量數(shù)據(jù)的三維場(chǎng)景瀏覽；多類型標(biāo)繪功能；多類型空間分析；多類型量測(cè)功能；飛行瀏覽模式；可直接在球上進(jìn)行自定義設(shè)置取點(diǎn)密度和等高線間距提取等高線，也可根據(jù)自有的高程數(shù)據(jù)提取；云端數(shù)據(jù)；在PC端、安卓端都可以從云端同步到本地，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)和云共享；可以轉(zhuǎn)換各種格式的GPS。

3.3 平臺(tái)部分功能演示

與三維地形精準(zhǔn)貼合、輕松獲得地形海拔高程，可以提取導(dǎo)出。

海拔高程采集如圖3所示。

圖3 海拔高程采集

屬性標(biāo)注編輯及單體化功能：支持標(biāo)注點(diǎn)、線、面、體繪制，模型導(dǎo)入，編輯屬性，可插入鏈接、圖片、文字、視頻等內(nèi)容，對(duì)傾斜攝影數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)單體化功能，如圖4所示。

圖4 屬性標(biāo)注編輯

測(cè)量功能：測(cè)量地表距離、空間距離、空間面積、投影面積、地表高度、空間高度、坐標(biāo)點(diǎn)等，如圖5所示。

圖5 尺寸測(cè)量

雙屏對(duì)比剖面分析：支持雙屏對(duì)比不同時(shí)期影像，通過肉眼或剖面分析查找不同，查處違建，如圖6所示。

圖6 雙屏對(duì)比

4 結(jié)語

本項(xiàng)目選擇多旋翼無人機(jī)作為平臺(tái)，搭載五鏡頭攝影設(shè)備進(jìn)行傾斜攝影硬件組合設(shè)計(jì)。對(duì)于采集的傾斜攝影圖像明確了通過影像預(yù)處理、多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、高精度DSM自動(dòng)提取及三維建模，形成真三維模型的數(shù)據(jù)分析流程。結(jié)合公路管理的需求，開發(fā)傾斜攝影建模的管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入、屬性標(biāo)注、測(cè)量、比對(duì)等功能。