王星捷，杜 華，袁偉強(qiáng)

（1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川樂(lè)山 614007；2.四川經(jīng)準(zhǔn)檢驗(yàn)檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司，四川廣安638500）

0 引言

傾斜攝影技術(shù)具備了傳統(tǒng)的航攝相片和地面影像的雙重優(yōu)勢(shì)，在測(cè)量的過(guò)程中，不僅能獲取頂面紋理，同時(shí)其搭載的傾斜相機(jī)能夠獲取地物的側(cè)面紋理信息。伴隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，成本低、操作靈活、數(shù)據(jù)地面分辨率髙、受天氣影響小等特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面將發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［1］。

傾斜攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在很多方面正逐步取代傳統(tǒng)的測(cè)量，目前已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。在三維建模領(lǐng)域的研究有高陡崖三維建模［2］、古建筑三維建模［3］、城市精細(xì)化三維建模［4］等。在數(shù)字測(cè)圖上的研究有三維模型測(cè)圖［5］、城區(qū)攝影測(cè)量［6］和礦區(qū)線狀地物的構(gòu)建［7］等。在礦產(chǎn)資源方面的研究有礦產(chǎn)資源監(jiān)測(cè)應(yīng)用［8］等。在自然災(zāi)害方面的研究有崩塌隱患調(diào)查評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［9］等。在工程方面的應(yīng)用研究有大型水利工程及BIM 建設(shè)中的應(yīng)用［10］等。鑒于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的重要性，國(guó)內(nèi)大多數(shù)高校設(shè)置了攝影測(cè)量學(xué)的課程，由于場(chǎng)地有限以及航飛成本高，導(dǎo)致了該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)法開(kāi)展。當(dāng)前傾斜攝影實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的研究相對(duì)較少，僅有李培榮等［11］研究的傾斜攝影測(cè)量教學(xué)模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。模擬系統(tǒng)無(wú)法給學(xué)生帶來(lái)真實(shí)的效果，以及無(wú)法達(dá)到無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技能培養(yǎng)的效果。本文研究市場(chǎng)主流的傾斜攝影無(wú)人機(jī)參數(shù)特點(diǎn)和性能分析，結(jié)合學(xué)校校園場(chǎng)地條件，設(shè)計(jì)了傾斜攝影教學(xué)無(wú)人機(jī)，彌補(bǔ)了傾斜攝影實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白。

1 商用產(chǎn)品在教學(xué)應(yīng)用上的問(wèn)題

1.1 起飛前檢查流程繁瑣

大多數(shù)的商用傾斜攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)的體積大，自重大，不便于攜帶。野外作業(yè)中，需要借助于交通工具進(jìn)行運(yùn)輸，而校內(nèi)教學(xué)不具備汽車(chē)運(yùn)輸這個(gè)條件。另外在任務(wù)開(kāi)始前，需要尋找適合起飛的場(chǎng)地、架設(shè)天線、拼裝飛機(jī)、清理周?chē)痫w場(chǎng)地及疏散人群等繁瑣的工作。老師的重點(diǎn)是教導(dǎo)學(xué)生航測(cè)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，如何規(guī)劃航線，如何設(shè)置高度、如何收集數(shù)據(jù)以及如何處理數(shù)據(jù)，而不是將精力放在一整套航測(cè)工作上面。

1.2 商用產(chǎn)品在校內(nèi)飛行條件不具備

市場(chǎng)上多用固定翼或垂直起降固定翼機(jī)型來(lái)執(zhí)行航測(cè)任務(wù)，然而學(xué)校場(chǎng)地對(duì)于專(zhuān)業(yè)的傾斜攝影無(wú)人機(jī)的起降來(lái)說(shuō)還是相對(duì)較小，空曠的場(chǎng)地較少，大型場(chǎng)地只有運(yùn)動(dòng)場(chǎng)。學(xué)校運(yùn)動(dòng)場(chǎng)能為無(wú)人機(jī)起降提供安全的距離僅100 m，而專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品中，相對(duì)小型的傾斜攝影無(wú)人機(jī)的安全起降距離一般要大于100 m（見(jiàn)表1）。

通過(guò)表1 中的產(chǎn)品的參數(shù)對(duì)比，學(xué)校場(chǎng)地?zé)o法滿足起降的條件要求。而且校園內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，校內(nèi)樹(shù)木、房屋較多，教學(xué)樓密集，飛行器容易與這些障礙發(fā)生碰撞，造成安全事故。

表1 商用傾斜攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)起降參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)成本高

對(duì)于教學(xué)來(lái)說(shuō)，專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品的購(gòu)置成本較高（見(jiàn)表2），不利于用于日常的教學(xué)任務(wù)中。

表2 傾斜攝影無(wú)人機(jī)價(jià)格

通過(guò)價(jià)格對(duì)比，可知專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品非常昂貴，如果在教學(xué)中，出現(xiàn)意外，損失較大。在教學(xué)中，對(duì)無(wú)人機(jī)的使用比較頻繁，采用專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品，維護(hù)成本相對(duì)較高。因此，專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品在高校教學(xué)中并不適合。

2 傾斜攝影測(cè)量教學(xué)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)

對(duì)于高校教學(xué)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是常見(jiàn)的固定翼還是新型的垂起固定翼，都顯得過(guò)于巨大，并且使用環(huán)境也受到了諸多限制［12］。因此，采用多旋翼無(wú)人機(jī)為基礎(chǔ)的飛行設(shè)計(jì)平臺(tái)［13］。

傾斜攝影測(cè)量教學(xué)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分。

傾斜攝影測(cè)量教學(xué)無(wú)人機(jī)硬件系統(tǒng)是航測(cè)的基本硬件設(shè)備，基礎(chǔ)是無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)，搭載高像素高分辨率相機(jī)，完成對(duì)測(cè)區(qū)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

傾斜攝影測(cè)量教學(xué)無(wú)人機(jī)軟件系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、起飛航線規(guī)劃系統(tǒng)、航片數(shù)據(jù)檢測(cè)以及地面站飛行控制系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)基本上包辦了航測(cè)無(wú)人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃、航線設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集與傳輸和航測(cè)區(qū)域規(guī)劃等功能。

傾斜攝影測(cè)量教學(xué)無(wú)人機(jī)硬件平臺(tái)由機(jī)體載物平臺(tái)、飛行動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、地面操控系統(tǒng)、影像拍攝系統(tǒng)和定位導(dǎo)航系統(tǒng)組成。具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如表3。

表3 自制傾斜攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)表

2.1 機(jī)體載物平臺(tái)

采用六旋翼作為飛行平臺(tái)的基本架構(gòu)，六旋翼無(wú)人機(jī)具有6 個(gè)電動(dòng)機(jī)，雖然本身重量較大，但是其可靠性及抗風(fēng)性都遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人機(jī)。該機(jī)使用碳纖維作為機(jī)體主要材料，機(jī)臂使用21 mm空心碳管制作，重量輕、強(qiáng)度高。機(jī)臂與機(jī)體之間采用卡扣連接方式，能快速組裝或拆卸，極大地方便教學(xué)人員的操作。連接件采用6 系鋁合金材料制造。

2.2 飛行動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)采用破風(fēng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有價(jià)格低，使用時(shí)間長(zhǎng)，可靠性高和較為省電的優(yōu)勢(shì)，并且螺旋槳與電動(dòng)機(jī)的連接件為M3 螺絲，杜絕了由于轉(zhuǎn)動(dòng)速度過(guò)快，槳葉突然脫落的危險(xiǎn)情況發(fā)生，提高了飛行安全性。電子調(diào)速器使用好盈40 A電調(diào)，該電調(diào)采用Dshot125 電調(diào)協(xié)議，電磁干擾更低、油門(mén)響應(yīng)速度更快。

2.3 飛行控制系統(tǒng)

飛行控制系統(tǒng)采用通用的Pixhawk 開(kāi)源飛控系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，目前多數(shù)的飛控系統(tǒng)采用了該系統(tǒng)。飛控板采用IMU分離技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免了在飛行過(guò)程中，飛控內(nèi)部電流之間的干擾，同時(shí)減震效果較好，大幅降低飛行平臺(tái)帶來(lái)的高頻振動(dòng)，極大地提高飛行穩(wěn)定性，保障了無(wú)人機(jī)的安全。為了保證精度要求，飛控板內(nèi)置了LSM303D 型號(hào)的三軸加速度計(jì)、L3GD20 型號(hào)的三軸數(shù)字陀螺儀及MPU6000 型號(hào)的磁力計(jì)，同時(shí)配備MS5611 高精度氣壓計(jì)，以滿足±10 cm高精度的定高需求。

2.4 電力系統(tǒng)

電源系統(tǒng)采用22.2 V、16 Ah 鋰聚合物電池為動(dòng)力源，采用雷迅精準(zhǔn)高壓電流計(jì)，通過(guò)板載降壓模塊（UBEC）將電力分配給飛控和6 個(gè)電動(dòng)機(jī)以提供動(dòng)力。這套電源系統(tǒng)可以為無(wú)人機(jī)提供20 min 左右的續(xù)航時(shí)間。

2.5 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)采用915 MHz 數(shù)傳電臺(tái)，功率為100 MW，可在使用mavlink 協(xié)議時(shí)與無(wú)人機(jī)在1 km 內(nèi)有效通信，本校內(nèi)最易干擾飛機(jī)的信號(hào)源（對(duì)講機(jī)），大多采用433 MHz 頻段，對(duì)數(shù)傳信號(hào)干擾較大，所以采用915 MHz頻段的數(shù)傳電臺(tái)。

2.6 操控系統(tǒng)

采用國(guó)產(chǎn)遙控器天地飛9。采用的是成熟的FHSS調(diào)頻和DSSS 擴(kuò)頻技術(shù)，能應(yīng)對(duì)各種情況下的干擾性，保證飛行操控的穩(wěn)定性。使用9 通道PCMS 接收機(jī)，遙控半徑為1 km。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、價(jià)格低廉。

2.7 定位導(dǎo)航系統(tǒng)

采用市面上成熟的M8N導(dǎo)航模塊，該模塊可以同時(shí)接受3 種衛(wèi)星信號(hào)，這里只需要常用的GPS 和北斗衛(wèi)星信號(hào)即可。M8N導(dǎo)航模塊中內(nèi)置了電子羅盤(pán)，與飛控板的內(nèi)置陀螺儀互相配合，保障了無(wú)人機(jī)導(dǎo)航的安全性。

2.8 影像拍攝系統(tǒng)

影像拍攝系統(tǒng)采用鷹眼飛瑩8S運(yùn)動(dòng)相機(jī)，選購(gòu)無(wú)畸變鏡頭版本，鏡頭直徑12 mm，焦距32 mm，為定焦鏡頭。使用5 臺(tái)運(yùn)動(dòng)相機(jī)組成一個(gè)5 鏡頭傾斜攝影設(shè)備，利用快門(mén)線連接5 臺(tái)相機(jī)，接入飛控。

傾斜影像拍攝系統(tǒng)由1 個(gè)下視方位相機(jī)和4 個(gè)傾斜方位相機(jī)組成。下視方位相機(jī)垂直對(duì)地觀測(cè)，獲取垂直影像。與該相機(jī)4 個(gè)正交方位分別以一定的傾角放置一個(gè)相機(jī)。針對(duì)多種排布可能，通過(guò)對(duì)地物覆蓋范圍、傾斜影像分辨率等因素進(jìn)行計(jì)算與仿真，確定較優(yōu)的排布模式為下視影像長(zhǎng)邊跨航線、前視、后視影像長(zhǎng)邊跨航線、左視、右視影像短邊跨航線。5 鏡頭位置設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 5個(gè)鏡頭的位置示意圖

2.9 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)采用了Mission Planer地面控制軟件，控制航飛和數(shù)據(jù)采集；采用Smart3D［14-15］數(shù)據(jù)處理傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云建模軟件對(duì)三維點(diǎn)云模型進(jìn)行三維建模。

3 教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 任務(wù)區(qū)域

教學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)主要使用傾斜攝影無(wú)人機(jī)對(duì)學(xué)校內(nèi)部分區(qū)域進(jìn)行傾斜攝影測(cè)量、空三測(cè)量，三維點(diǎn)云模型生成。

實(shí)驗(yàn)飛行的區(qū)面積約為121 352 m2。西起學(xué)院工程訓(xùn)練中心，東至第4 教學(xué)樓外圍，北到第8 教學(xué)樓外圍，南到沫若廣場(chǎng)。地形大多為平地，地物多為教學(xué)樓和綠化樹(shù)木，地勢(shì)東西起伏明顯，高度由東向西逐步遞減。

根據(jù)H=（f×GSD）/ɑ計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)irefly6s運(yùn)動(dòng)相機(jī)的參數(shù)，進(jìn)行行高計(jì)算，計(jì)算得出行高為110 m。

國(guó)家地形航空攝影規(guī)范中，要求飛行過(guò)程中，航向要保證60%～65%的重疊，特殊情況下最低的不能小于56%，最大的不能超過(guò)75%；旁向的重疊率也有規(guī)定的要求，一般在30%～35%之間，像片傾角一般情況下不能大于2°，特殊的不能超過(guò)4°；旋偏角規(guī)定不能大于10°，特殊的不大于12°。

在國(guó)家低空數(shù)字航空攝影規(guī)范中，要求飛行中，其航向重疊率一般在60%～80%之間，特殊的情況下不小于53%；旁向重疊率要保證在15%～60%之間，特殊的情況下不低于8%；像片傾角在5°～12°之間，保證超過(guò)8°的航片數(shù)量不能超過(guò)總航片的10%。

參照國(guó)家規(guī)范要求，設(shè)計(jì)了傾斜攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在本次實(shí)驗(yàn)中，飛行約為10 min。

3.2 數(shù)據(jù)采集

航飛測(cè)量區(qū)域范圍內(nèi)，可以觀察到航帶數(shù)量，控制點(diǎn)基線數(shù)為6 條，控制點(diǎn)數(shù)量為12 個(gè)。通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)和GPS采集控制點(diǎn)信息?？刂泣c(diǎn)與航線位置見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)區(qū)航帶分布圖

將飛控原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過(guò)分析整理出所需外方位元素，外方位原始數(shù)據(jù)和原始圖像如圖3 和圖4所示。

圖3 部分原始數(shù)據(jù)

圖4 部分原始圖像

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

在本實(shí)驗(yàn)中主要使用Smart3D 軟件，這是目前傾斜攝影最常用的空三解算軟件，并可以自動(dòng)生成DSM和數(shù)字點(diǎn)云。實(shí)驗(yàn)在飛行過(guò)程中對(duì)角度的控制，以及風(fēng)速的影響，無(wú)法完全到達(dá)規(guī)范的要求。可能會(huì)產(chǎn)生畸變。

考慮到會(huì)有畸變的產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇了無(wú)畸變的運(yùn)動(dòng)相機(jī)，所以獲取到的影像的畸變差相對(duì)較小。本文設(shè)計(jì)的傾斜攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)采用的是運(yùn)動(dòng)相機(jī)，運(yùn)動(dòng)相機(jī)所搭載的鏡頭是焦距固定的鏡頭，也可以認(rèn)為該畸變差屬于系統(tǒng)誤差。可以在空三計(jì)算過(guò)程中，利用軟件算法解決。

將原始數(shù)據(jù)和原始圖像導(dǎo)入Smart3D 建模軟件，軟件默認(rèn)為WGS84 坐標(biāo)系，該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)采用的也為WGS84 坐標(biāo)系，坐標(biāo)系無(wú)需修改。一個(gè)控制點(diǎn)一般情況下會(huì)在2～3 張航片上同時(shí)被刺出，為了保證數(shù)據(jù)的精度，需要對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行修正處理，具體的修正數(shù)據(jù)點(diǎn)如表4 所示。

表4 部分修正數(shù)據(jù)

通過(guò)數(shù)據(jù)修正處理后，將修正的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Smart3D軟件，通過(guò)空三計(jì)算和生成密集點(diǎn)云模型。數(shù)據(jù)精度分析報(bào)告如圖5 所示。

圖5 精度分析報(bào)告

通過(guò)對(duì)質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告中的控制點(diǎn)誤差統(tǒng)計(jì)的分析，如點(diǎn)G03，其X、Y、Z誤差為30 mm，2 mm，9 mm，學(xué)校的地形基本屬于平地，對(duì)照國(guó)家的《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中對(duì)1∶2 000 測(cè)圖精度要求：平面位置誤差值小于0.7 m，圖5 中的數(shù)據(jù)X、Y、Z的誤差均小于0.7 m，證明本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度要求符合國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效。軟件生成密集點(diǎn)三維云模型如圖6 所示。

圖6 三維點(diǎn)云模型

從圖6 生成的三維點(diǎn)云模型，可以看出本次傾斜攝影測(cè)量生成的三維模型效果真實(shí)度高，模型精細(xì)程度較好，三維模型的紋理貼合度高，能很好地反映各類(lèi)地物，滿足了實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)處理的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

在分析了當(dāng)前傾斜攝影無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的特點(diǎn)、校園場(chǎng)地的特點(diǎn)以及在攝影測(cè)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的缺陷的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種低成本、高性能及高精度的傾斜攝影測(cè)量教學(xué)無(wú)人機(jī)。根據(jù)校園的場(chǎng)地情況和實(shí)習(xí)教學(xué)的需求，對(duì)傾斜攝影無(wú)人機(jī)的主要性能參數(shù)進(jìn)行了分析，綜合了高性能和低成本，選擇合適的硬件設(shè)備和設(shè)計(jì)合理的相機(jī)系統(tǒng)，完成了傾斜攝影測(cè)量教學(xué)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)，并選擇了合適的空三數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云模型處理軟件系統(tǒng)。根據(jù)傾斜攝影測(cè)量相關(guān)的國(guó)家規(guī)范要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了具體教學(xué)應(yīng)用。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、誤差處理、數(shù)據(jù)分析和三維模型處理，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得出的本次實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合國(guó)家《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》的要求，生成的三維點(diǎn)云模型，精度較高、紋理清晰、地物清晰可辨，完成了攝影測(cè)量實(shí)習(xí)教學(xué)的內(nèi)容。使用結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的傾斜攝影測(cè)量無(wú)人機(jī)可靠、實(shí)用，可有效滿足攝影測(cè)量實(shí)習(xí)教學(xué)的要求。

·名人名言·

想像力比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想像力概括著世界的一切，推動(dòng)著進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉。嚴(yán)格地說(shuō)，想像力是科學(xué)研究中的實(shí)在因素。

——愛(ài)因斯坦