萬麗娟

（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣州 510000）

1 引言

城市的建設(shè)離不開規(guī)劃，規(guī)劃過程中對城市地形地貌進行三維建模一直是重要的研究項目。由于傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)成本很高，因此，從低空遙感無人機航測技術(shù)改進而來的無人機傾斜攝影的重要性得到凸顯。無人機測量成本相對較低，且它的多個傳感器共同形成的三維數(shù)據(jù)解決了建模過程中的難題，成為城市規(guī)劃中實現(xiàn)三維建模的重要手段。本文立足于我國當前對無人機傾斜測量的應用，在論述無人機數(shù)據(jù)處理過程的同時對其技術(shù)含量以及其應用價值做出客觀評價。

2 無人機傾斜攝影測量與數(shù)據(jù)處理原理

2.1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)原理

對無人機航測技術(shù)、攝影技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的結(jié)合與應用是在2010年被引入我國并逐漸發(fā)揚光大的[1]。傾斜攝影技術(shù)是在無人機低空遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上改良而來的，這兩種技術(shù)下的無人機都不會進行超高空作業(yè)，畢竟以無人機的質(zhì)量，在面對高空的低溫和亂流時都有可能直接導致設(shè)備損壞。雖然有一定的局限性，但不可否認的是，無人機傾斜攝影技術(shù)融合了常規(guī)航測和低空航測的優(yōu)勢，且相比二者又有了技術(shù)方面的創(chuàng)新。傾斜攝影指的是在無人機上搭載具有多個傳感器的多頭攝像機，一個正射攝像頭搭配4個傾斜的攝像頭，從而提升測量效果。垂直攝像頭和常規(guī)航測攝像頭一樣用于4D攝影，而另外4個傾斜攝像頭則著重捕捉地面紋理（見圖1），利用多個攝像頭之間的對比和結(jié)合，可以對地面紋理和起伏物的高度等都有比較精準的測量。無人機傾斜攝影測量了遠遠超過傳統(tǒng)航測的信息精準度，全面提升了城市規(guī)劃過程中三維建模的實用性。

圖1 無人機傾斜測量示意圖

2.2 無人機傾斜攝影測量三維建模技術(shù)流程

無人機傾斜攝影測量在三維建模工作中主要以這樣的方式發(fā)揮作用：首先，將無人機作為搭載傳感器的可移動飛行平臺，在無人機上根據(jù)測繪的具體需求安裝具有相應技術(shù)含量的攝像頭。目前，比較常用的是有5個感應頭的攝像機。其次，對無人機上的攝像設(shè)備等進行檢測，確保其性能無問題，能夠勝任接下來的勘測工作。再次，對無人機進行航線和飛行高度等方面的設(shè)定，確保無人機的安全和數(shù)據(jù)測量質(zhì)量。最后，在航測過程中通過航飛和像控測量實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工作。在無人機返航后，就可以利用多視角三維空中三角測量、真三維模型自動生產(chǎn)等技術(shù)手段將通過無人機攝像取得的數(shù)據(jù)進行高速處理，初步生成三維模型（見圖2），從而完成測量工作。

圖2 無人機傾斜攝影初步生成的三維模型

2.3 無人機傾斜攝影測量航線規(guī)劃

在數(shù)據(jù)采集之前進行航線規(guī)劃是一個非常關(guān)鍵的步驟，它可以很好地保證數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量。無人機的影像數(shù)據(jù)采集和普通的拍照工作大不一樣，普通的拍照工作可以人工控制無人機對目標進行隨意無規(guī)律的拍照，而在無人機傾斜攝影測量的工作中，飛機的飛行要保證一定的平穩(wěn)性，并且要根據(jù)實際情況規(guī)劃路線，并且在此航線中無人機的航高要在一定的允許范圍內(nèi)。對于無人機來說，如果需要其飛行具有一定規(guī)則的航空路線，在不借助航線規(guī)劃的前提下，單靠人工通過遙控控制無人機得以操作飛行方向是不容易實現(xiàn)的。除此之外，數(shù)據(jù)采集的過程中還要保證飛行速度保持勻速，以便影像采樣率均勻且影像穩(wěn)定[2]。

再則，在空中作業(yè)過程中，會受到空氣流速度的影響，使無人機的平衡性被打破，導致得到的影像數(shù)據(jù)模糊。建模對于像片的采樣率和重疊率有比較高的要求，光靠人工操作遙控器飛行不好把握，導致飛行獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量不高，從而致使需要重飛等操作，降低工作效率，所以，在數(shù)據(jù)采集前進行航線規(guī)劃是很有必要的。一般，理想的測區(qū)形狀為矩形,也就是傳統(tǒng)航空攝影中所使用的測區(qū)形狀。矩形測區(qū)的航線規(guī)劃較為簡單，采用平行航線折返拍攝即可。但實際情況中，測區(qū)的形狀很可能是非規(guī)則的多邊形甚至是長條帶形狀，這會增加航線規(guī)劃和執(zhí)行的難度。

3 無人機傾斜測量數(shù)據(jù)處理

3.1 無人機空中三角測量點的加密方式

在使用無人機搭載的5攝像頭相機進行測量的時候，攝像系統(tǒng)會對數(shù)據(jù)進行自動加密，之所以將這種測量方式稱之為三角測量點，是因為攝像過程中的投影中心點、地面點以及像點三者之間構(gòu)成了三角形，以這3個點連接而成的線條構(gòu)成了封閉三角形，每張單獨提取出的像片都是一個解算單元。每個像片之間會存在公共點，在公共點和野外控制點的共同參照下，將所有像片中的光束都連接在一起，隨后進行整體平差并加密坐標，這就是無人機空中三角測量點的主要加密方式。在需要使用坐標的時候，根據(jù)不同像點的觀測值得到與之對應的誤差方程，然后利用最小二乘法解方程進行平差，最終在每個像片中獲取的不同的6個待定參數(shù)就是使用者需要的坐標。

3.2 無人機數(shù)據(jù)解密處理后的DSM生成

為了盡可能消除在無人機航測過程中風力等因素對圖像的幾何形變方面的影響，在利用解密后的數(shù)據(jù)進行三維建模之前就要先進行幾何方面的粗調(diào)整，其中包括對角度和比例尺的適當修改。完成初步修改后還要建立影像金字塔，然后通過Harris算子等實用性工具按照不同層級逐步提取數(shù)據(jù)特征。為確保數(shù)據(jù)的準確性，需要時刻注意特征點分布是否均勻。接下來將逐級處理過的數(shù)據(jù)用金字塔匹配、多視匹配以及邊緣特征匹配等不同方式進行密集匹配處理，最終得到的就是精準度相對較高的DSM點云。為了進一步消除拍攝和數(shù)據(jù)處理中可能存在的誤差，對DSM點云的處理還有特征濾波處理以及通過影像紋理處理的地理識別等。

3.3 三維模型的建立與精度分析

在使用無人機進行傾斜測量并對坐標等數(shù)據(jù)完成加密和解密等操作之后，還需要建立坐標模型。在這一環(huán)節(jié)中，用來建立坐標模型并進行數(shù)據(jù)處理的常見工具是Bentley Context Capture，使用Bentley Context Capture工具可以使得數(shù)據(jù)在被加工處理為三維模型的時候具有更高的真實性。與其他同類型的軟件相比，Bentley Context Capture工具還原度更高、誤差率更低，在城市三維建模工作中能夠發(fā)揮巨大作用。這一建模軟件的應用范圍很廣，除了對城市規(guī)劃中的低空遙感拍攝數(shù)據(jù)進行三維建模處理外，在一些施工單位以及礦山等地形的勘測與地形圖繪制中也得到應用。極高的分辨率使得這一軟件飽受好評，更重要的是，Bentley Context Capture能夠?qū)υ跋裰械臈l紋等微小細節(jié)進行深度還原，能夠?qū)D像的邊緣位置處理得更加真實與平滑，能夠滿足不同行業(yè)對建模的多樣化需求[3]。

4 實景三維模型的精度分析

根據(jù)過往的經(jīng)驗來看，通過無人機傾斜測量在城市勘測中實現(xiàn)三維取景的目的，是可以獲取更加直觀的坐標信息，包括能夠通過比例尺用肉眼直接得到各建筑以及其他起伏物的長、寬、高等數(shù)據(jù)。根據(jù)三維建模技術(shù)中關(guān)于視域等方面的技術(shù)應用，對三維模型的精確度分析要以分辨率為主。當然，城市的規(guī)劃與建設(shè)是百年大計，需要考慮的因素有很多，除了攝影成像本身清晰與否外，對城市中各種建筑在構(gòu)成數(shù)字模型之后的數(shù)學精度也要格外注意，畢竟無人機航測中可能存在一定的偏差，但由于在消除誤差的過程中目前還沒有權(quán)威方法，因此，在考慮數(shù)學模型問題的時候多使用數(shù)學精度消差法。

建立三維模型的時候，可以在模型上直接獲取城市中的建筑物等的各項參數(shù)，因此，控制測量誤差并在數(shù)據(jù)處理過程中盡最大可能消除誤差非常重要。同時，基于實景和模型兩方面共同進行數(shù)學消差是很有必要的，換句話說，測量和處理工作都要非常精準。目前，影響模型最終的數(shù)學精度的主要是測量時候的誤差，這就對后續(xù)處理數(shù)據(jù)的工作提出了更高要求。不過目前城市規(guī)劃中的無人機傾斜測量技術(shù)進步很快，雖然無法完全消除測量過程中外在因素導致的誤差，但是可以根據(jù)影響因素大約估計誤差率，由此也大大提升了測量的整體精度。

5 結(jié)語

無人機傾斜測量在城市地形勘測與三維建模中應用廣泛，經(jīng)常通過重新拍攝固定區(qū)域和彩色處理等方式處理數(shù)據(jù)，然后利用無人機上的多臺傳感器得到的數(shù)據(jù)進行三維化還原，最終完成對城市地形地貌的三維建模，在全面提升模型真實感的同時有利于節(jié)約成本。而且隨著無人機技術(shù)和攝像設(shè)備的不斷更新，目前相對生活化的無人機航測也能夠?qū)D像精準到亞米級別。隨著科技的不斷進步，無人機傾斜測量技術(shù)會對城市規(guī)劃中的三維建模產(chǎn)生更大幫助。