文/孫懷木

當(dāng)今城市的飛速發(fā)展離不開科學(xué)的規(guī)劃，而為了更好地開展城市規(guī)劃工作，相關(guān)部門必須對(duì)所在城市的地形地貌進(jìn)行三維建模。傳統(tǒng)的建模技術(shù)成本較高，因此無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。該技術(shù)不僅可以輔助相關(guān)部門開展測(cè)量工作，為三維模型的構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)，還能大幅降低投入成本。此外，此類無人機(jī)通常由多個(gè)傳感器組成，可以提供較為全面的三維數(shù)據(jù)，幫助解決三維建模過程中的各種問題，它是目前城市規(guī)劃中最為重要的技術(shù)手段之一?；诖耍疚闹饕獓@無人機(jī)傾斜攝影三維實(shí)景技術(shù)展開探討。

如今，三維建模技術(shù)已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的二維平面設(shè)計(jì)，成為城市規(guī)劃的重要組成部分。同時(shí)，三維建模中的元數(shù)據(jù)普遍具有多樣性，其包含近景攝影數(shù)據(jù)、航拍數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)等，因而對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度要求更高。簡(jiǎn)而言之，無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)具備建模速度快、精準(zhǔn)度高、拍攝范圍廣等多種優(yōu)勢(shì)，并且運(yùn)行成本相對(duì)較低，能夠有效滿足城市規(guī)劃的多種需求。

一、無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的工作原理

2010年，我國(guó)引進(jìn)數(shù)據(jù)處理攝影技術(shù)以及無人機(jī)航測(cè)技術(shù)，并將二者結(jié)合應(yīng)用，經(jīng)過多年的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)日趨成熟。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)是從傳統(tǒng)的無人機(jī)低空遙感技術(shù)發(fā)展演變而來的，并且普遍應(yīng)用于超高空作業(yè)。需要注意的是，在高空亂流和低溫條件下，無人機(jī)設(shè)備在工作過程中很有可能會(huì)出現(xiàn)損壞。無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的工作原理是：在無人機(jī)上搭載多個(gè)傳感器攝像頭，例如一個(gè)正攝像頭搭配4個(gè)傾斜攝像頭，以有效增強(qiáng)實(shí)際測(cè)量效果。其中，常規(guī)攝像頭和垂直攝像頭均適用于4D拍攝，傾斜攝像頭則更注重對(duì)地面紋理的捕捉。通過多個(gè)攝像頭的組合利用，無人機(jī)可以對(duì)地面的起伏物、紋理等進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。與傳統(tǒng)的航測(cè)技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度更高，由此構(gòu)建的城市規(guī)劃三維建模的實(shí)用性也更加顯著。[1]

二、無人機(jī)硬件選擇

（一）飛行設(shè)備的選擇

就目前來看，市場(chǎng)上的無人機(jī)種類繁多，若根據(jù)其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行分類，則可以分為電池動(dòng)力和內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力兩種類型；若根據(jù)飛行方式進(jìn)行分類，則可以分為旋翼和固定翼兩種類型。由于無人機(jī)在飛行過程中普遍存在機(jī)身震動(dòng)等問題，所以單就成像質(zhì)量來看，電池動(dòng)力型無人機(jī)明顯要高于內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力型無人機(jī)；在續(xù)航時(shí)間以及作業(yè)效率方面，固定翼型無人機(jī)的作業(yè)效率更高；在飛行穩(wěn)定方面，旋翼型無人機(jī)的飛行穩(wěn)定性明顯更高。相關(guān)部門應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，謹(jǐn)慎選擇。

（二）攝像頭的選擇

在采用無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)時(shí)，相關(guān)部門必須注意以下幾點(diǎn)。航測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求無人機(jī)攝像頭的像素不得低于3500萬，進(jìn)行傾斜攝影時(shí)不能對(duì)單一攝像頭的像素進(jìn)行限定，但是需要控制一次曝光獲取的像素。在性能方面，航測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求明確傾斜攝像頭的作業(yè)時(shí)間、續(xù)航時(shí)間、影像能力、曝光功能以及POS記錄等多個(gè)方面的表現(xiàn)。第一，傾斜攝影一次曝光采集的像素應(yīng)越高越好，且單個(gè)攝像頭的像素不得低于2000萬，一次曝光應(yīng)超過1億像素。[2]第二，傾斜攝影作業(yè)時(shí)間至少在90分鐘以上，且最好具備全天候作業(yè)的能力。第三，優(yōu)先選擇具備定點(diǎn)曝光功能的定焦鏡頭，且對(duì)焦距離能夠滿足重疊度的測(cè)量需求。

三、無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

（一）規(guī)劃航線

工作人員在規(guī)劃航線時(shí)，應(yīng)將無人機(jī)的飛行高度控制在合理范圍內(nèi)。如果在測(cè)量過程中，無人機(jī)缺乏航線規(guī)劃的指導(dǎo)，將很難按照規(guī)律路線飛行，并且在飛行過程中，單純依靠人工操作是很難對(duì)無人機(jī)的飛行方向進(jìn)行掌控的。另外，工作人員要想確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，就需要保障無人機(jī)勻速飛行，均勻穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)。考慮到無人機(jī)在開展空中作業(yè)時(shí)，很有可能會(huì)受到空氣流速等多種因素的影響，進(jìn)而出現(xiàn)失衡、失穩(wěn)、影像數(shù)據(jù)模糊等問題。[3]同時(shí)，三維建模等對(duì)影像數(shù)據(jù)的采樣率和重疊率有著非常高的要求，若單純依靠人工操作，將很難保證影像數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，甚至不得不二次補(bǔ)測(cè)，嚴(yán)重降低工作效率。因此，在采集實(shí)景數(shù)據(jù)之前，工作人員必須落實(shí)航線規(guī)劃工作。在通常情況下，最理想的測(cè)區(qū)大多為矩形，這與傳統(tǒng)航空攝影過程中所設(shè)置的矩形測(cè)區(qū)相類似。其規(guī)劃相對(duì)簡(jiǎn)單，工作人員只需要設(shè)定平行航線后，操縱無人機(jī)折返拍攝即可。但在實(shí)際工作中，測(cè)區(qū)形狀很有可能是不規(guī)則的多邊形或者長(zhǎng)條形，進(jìn)而在一定程度上加大了航線規(guī)劃以及執(zhí)行的難度。

（二）布設(shè)像控點(diǎn)及測(cè)量

像控點(diǎn)的布設(shè)通常會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生極大的影響。為全面提升像控點(diǎn)布置的科學(xué)性和合理性，工作人員應(yīng)嚴(yán)格按照以下幾點(diǎn)原則來開展工作。第一，在不設(shè)像控點(diǎn)的情況下，應(yīng)盡量選擇不具備爭(zhēng)議的參照物，例如墻角、田地等；在選擇像控點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡量選擇在地形有明顯起伏的區(qū)域。第二，一般像控點(diǎn)的布設(shè)邊距不能小于1～1.5厘米，以有效避免在攝影測(cè)量過程中發(fā)生數(shù)據(jù)匹配失誤的情況。第三，為確保無人機(jī)攝影工作的順利推進(jìn)，像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)盡量選擇視野比較開闊的區(qū)域，而不能布設(shè)在有較大遮擋物的地方。[4]第四，像控點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)綜合考慮交通便利、容易保存等實(shí)際需要，以便為后續(xù)影像數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的驗(yàn)證工作提供科學(xué)依據(jù)。

（三）測(cè)量空中三角

無人機(jī)在航拍過程中會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)POS數(shù)據(jù)，因此，工作人員可以在實(shí)際測(cè)量過程中，使用空中三角測(cè)量技術(shù)進(jìn)行加密測(cè)量，同時(shí)注意以下幾點(diǎn)：第一，在完成數(shù)據(jù)資料預(yù)處理的前提下，建立相應(yīng)的工程文件，并且添加無人機(jī)航拍獲得的影像資料；第二，將無人機(jī)自動(dòng)存儲(chǔ)的POS數(shù)據(jù)傳導(dǎo)至相應(yīng)的軟件系統(tǒng)中；第三，進(jìn)行同名點(diǎn)的匹配，以獲得相應(yīng)位置的空中三角測(cè)量點(diǎn)云，然后再結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量過程中系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)的實(shí)景影像數(shù)據(jù)對(duì)絕對(duì)定位做平差處理，處理完成后及時(shí)對(duì)空中三角數(shù)據(jù)進(jìn)行加密結(jié)算；第四，導(dǎo)入控制點(diǎn)，重新匹配并優(yōu)化相應(yīng)定位，輸出包含自檢相機(jī)誤差、控制點(diǎn)精度以及空中三角誤差等在內(nèi)的質(zhì)量報(bào)告。

（四）制作地形圖

以大比例尺地圖的制作為例，在制作過程中，采集的數(shù)據(jù)將成為構(gòu)建三維模型的基礎(chǔ)。因此，工作人員必須操控?zé)o人機(jī)采集地貌、地物以及各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的影像數(shù)據(jù)。如果因存在遮擋物而無法采集地貌信息，工作人員需要對(duì)無法采集的區(qū)域單獨(dú)標(biāo)注，然后及時(shí)反饋給外業(yè)測(cè)量人員，督促其使用全站儀進(jìn)行補(bǔ)錄，從而確保采集數(shù)據(jù)的全面性、準(zhǔn)確性。另外，在采集線狀地物的影像數(shù)據(jù)時(shí)，工作人員需確保無人機(jī)的采集方向與線狀地物的實(shí)際走向相一致，并且線狀地物能夠準(zhǔn)確接觸到邊線。在保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)沒有誤差的前提下，工作人員應(yīng)使用CASS10.1軟件平臺(tái)自動(dòng)化處理數(shù)據(jù)，生成被測(cè)區(qū)域的數(shù)字規(guī)劃圖，然后再人工標(biāo)注各個(gè)采集點(diǎn)，例如水系、建筑物、高程、地名等。需要注意的是，各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的疏密程度須與地圖的比例尺保持一致，以保證地圖的精準(zhǔn)度和美觀性。

（五）提高三維模型的精度

當(dāng)前，處理數(shù)字模型問題的常用方法是數(shù)字精度消除法?？紤]到用于城市規(guī)劃的三維模型需要展示所在城市內(nèi)部各個(gè)建筑物的相關(guān)參數(shù)，因此在測(cè)量過程中，工作人員必須嚴(yán)格控制測(cè)量誤差，并在數(shù)據(jù)處理過程中盡量消除數(shù)據(jù)誤差，以確保數(shù)據(jù)處理和測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度。目前，影響無人機(jī)傾斜攝影三維建模精準(zhǔn)度的主要因素便是測(cè)量誤差。因此，在使用無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)過程中，工作人員必須盡可能規(guī)避外界因素引起的誤差，科學(xué)控制誤差率，以有效提升測(cè)量結(jié)果和三維模型的整體精準(zhǔn)度。

四、結(jié)語

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)在地形勘測(cè)、三維建模等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，該技術(shù)能夠在全面提升三維模型精準(zhǔn)度的同時(shí)，大幅節(jié)約運(yùn)行成本。工作人員可操控?zé)o人機(jī)拍攝固定區(qū)域并采集相關(guān)數(shù)據(jù)資料，再利用無人機(jī)上的多臺(tái)傳感器獲得并還原相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，最終生成所在城市的三維模型。隨著攝影技術(shù)以及無人機(jī)技術(shù)的全面發(fā)展，在不遠(yuǎn)的將來，無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)的圖像精準(zhǔn)度有望達(dá)到亞米級(jí)別。屆時(shí)，無人機(jī)傾斜攝影實(shí)景三維技術(shù)必將為城市規(guī)劃提供更大的幫助，促進(jìn)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)水平的進(jìn)一步提升。