赫宗堯，左萍萍，李 帥

（信陽(yáng)航空職業(yè)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464100）

0 引言

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及機(jī)場(chǎng)建設(shè)的需求增加，如何利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)三維重建已成為研究的焦點(diǎn)之一[1]。傾斜測(cè)量技術(shù)是一種先進(jìn)的攝影測(cè)量技術(shù)，具有高精度、高分辨率的特點(diǎn)。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載傾斜攝影測(cè)量設(shè)備，可以獲取機(jī)場(chǎng)的大范圍高分辨率影像數(shù)據(jù)，為后續(xù)的三維重建提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。機(jī)場(chǎng)三維重建的流程包括航線規(guī)劃和飛行控制、圖像處理和特征匹配以及三維重建算法的應(yīng)用[2]。借助無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行全方位攝影，然后通過(guò)圖像處理和特征匹配算法，提取出機(jī)場(chǎng)影像的特征信息。最后，利用三維重建算法，將特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為機(jī)場(chǎng)的三維模型，并進(jìn)行質(zhì)量控制和精度評(píng)定。

基于無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)的機(jī)場(chǎng)三維重建技術(shù)可以在機(jī)場(chǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理中發(fā)揮重要作用。在機(jī)場(chǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，可以利用該技術(shù)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)地形分析、跑道和停機(jī)坪的布局設(shè)計(jì)等。在機(jī)場(chǎng)管理和維護(hù)中，可以利用該技術(shù)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)設(shè)施檢查和監(jiān)測(cè)，提高機(jī)場(chǎng)的安全性和運(yùn)行效率，為機(jī)場(chǎng)建設(shè)和管理帶來(lái)了新思路和方法[3]。

1 無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)研究

1.1 傾斜測(cè)量技術(shù)概述

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)興起于20 世紀(jì)90 年代，憑借搭載平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)可以獲取大范圍區(qū)域內(nèi)的多角度、高分辨率影像數(shù)據(jù)，借助相關(guān)軟件可構(gòu)建高分辨率三維地形模型和實(shí)景三維模型，具有其他數(shù)據(jù)獲取技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。因此成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，并將其應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如變形監(jiān)測(cè)、三維建模、地形圖測(cè)繪等領(lǐng)域[4]。傾斜攝影是一種通過(guò)在飛行中傾斜攝影機(jī)拍攝連續(xù)影像來(lái)獲取地面信息的技術(shù)。相比傳統(tǒng)的航空攝影，傾斜攝影能夠提供更加真實(shí)、精確的地面影像，提供了可靠的數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、飛行系統(tǒng)、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理組成。通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載傾斜攝影測(cè)量設(shè)備，可以獲取機(jī)場(chǎng)的大范圍高分辨率影像數(shù)據(jù)，為后續(xù)的三維重建提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 三維激光掃描系統(tǒng)

傾斜測(cè)量技術(shù)主要通過(guò)三維激光掃面系統(tǒng)進(jìn)行攝影，三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域的一種新技術(shù)，能夠以每秒幾百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的速度采集三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且密度較高、紋理信息豐富，能夠反映更多的細(xì)節(jié)信息，數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以得到被測(cè)物體或區(qū)域的完整信息。三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：（1）采集速度快，且數(shù)據(jù)信息豐富，如色彩信息、反射率等；（2）點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高；（3）不需要接觸被測(cè)目標(biāo)即可獲取數(shù)據(jù)，增大了測(cè)量范圍，且夜間也可以工作。

目前，比較常見(jiàn)的三維激光掃描儀采用的測(cè)距方法有脈沖式測(cè)距法、相位式測(cè)距法及激光三角法，使用的Trimble TX8 三維激光掃描儀采用脈沖式測(cè)距法。其基本原理是：首先安置好三維激光掃描儀，開(kāi)機(jī)自檢；三維激光掃描儀發(fā)射激光到達(dá)被測(cè)物體，經(jīng)反射返回三維激光掃描儀，并計(jì)錄時(shí)間差t；三維激光掃描儀內(nèi)部的傳感器測(cè)得目標(biāo)點(diǎn)P與儀器中心的距離S和目標(biāo)點(diǎn)P與坐標(biāo)軸之間的夾角；最終三維激光掃描儀內(nèi)置的計(jì)算機(jī)計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)值[5]。目標(biāo)點(diǎn)的精確坐標(biāo)算式為：

式中S為三維激光掃描儀中心O至目標(biāo)點(diǎn)P的距離，其求解式為：

式中，Δt為激光脈沖信號(hào)從發(fā)出到接收的時(shí)間差；c為光在真空中傳播的速度。

1.3 傾斜測(cè)量技術(shù)在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出許多以無(wú)人機(jī)為載體的測(cè)繪解決方案。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展無(wú)人機(jī)技術(shù)在飛行平臺(tái)、控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)圖傳系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及操作等各方面都得到了大幅提升，使得無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。輕型無(wú)人機(jī)以其輕巧靈活、高分辨率、高效、低成本、易于轉(zhuǎn)場(chǎng)和受天氣因素影響小等優(yōu)勢(shì)受到廣大從業(yè)者和研究學(xué)者的青睞，并在測(cè)繪調(diào)查領(lǐng)域取得諸多良好的理論成果和應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)搭載的可見(jiàn)光傳感器可以獲取目標(biāo)物的多角度影像構(gòu)建真實(shí)場(chǎng)景的三維模型，同時(shí)獲得海量的密集匹配點(diǎn)云，并且能夠提供可靠的精度及測(cè)區(qū)內(nèi)的光譜信息，但是受無(wú)人機(jī)飛行高度與相機(jī)像素、角度的限制，獲取的影像信息不完整或不清晰，尤其是當(dāng)拍攝對(duì)象被遮擋時(shí)，重建的模型會(huì)出現(xiàn)拉花、變形等問(wèn)題，因此這是迫切需要解決的問(wèn)題[6]。

2 基于無(wú)人機(jī)傾斜技術(shù)的機(jī)場(chǎng)三維重建過(guò)程研究

在采集完整的機(jī)場(chǎng)傾斜攝影信息圖像之后，首先對(duì)采集的圖像進(jìn)行質(zhì)量處理檢查，補(bǔ)充不合格區(qū)域，直到滿足要求合理的圖像。其次再通過(guò)多視角影像匹配、空三解算、區(qū)域網(wǎng)平差等處理。最后，賦予每章圖像三維虛擬空間位置和姿態(tài)坐標(biāo)，最終生成所需要的各種模型，如正射影像、數(shù)字高程模型、三維模型等。無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量的建模技術(shù)流程如圖1 所示，其具體流程由有以下幾點(diǎn)組成。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)流程

2.1 機(jī)場(chǎng)影像特征點(diǎn)提取和匹配

影像匹配是數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)同名像點(diǎn)的提取及匹配，實(shí)現(xiàn)影像間的匹配。影像特征通常指的是影像在某些特性方面有明顯差異的特征，且能夠作為標(biāo)志、匹配的區(qū)域。影像匹配過(guò)程的第一步是提取特征，第二步是對(duì)提取的特征利用某種方法進(jìn)行描述，最后利用特征之間的相關(guān)系數(shù)完成匹配，而特征提取是影像匹配過(guò)程中最基礎(chǔ)也是最重要的一步。SIFT（Scale Invariant Feature Transformation）算法，是以機(jī)器視覺(jué)的算法來(lái)提取與描述影像中的局部特征，并且可以在尺度縮放、旋轉(zhuǎn)、亮度變化時(shí)保持不變，同時(shí)在仿射變換、噪聲等方面也具有良好的穩(wěn)定。SIFT 算法提取特征主要包括3 個(gè)步驟。

（1）檢測(cè)極值點(diǎn)

計(jì)算機(jī)視覺(jué)并不能判斷影像數(shù)據(jù)中的地物大小、長(zhǎng)短，因此需要利用高斯卷積完成轉(zhuǎn)換，尺度空間定義和高斯函數(shù)分別由式（3）和式（4）計(jì)算：

（2）精確定位關(guān)鍵點(diǎn)及主方向

需要先確定關(guān)鍵點(diǎn)，上述得到的極值點(diǎn)處于離散空間當(dāng)中，其中還包含有錯(cuò)誤的極值點(diǎn)，這里利用DOG（Difference Of Gaussian）函數(shù)對(duì)其進(jìn)行過(guò)濾即可以得到正確的極值點(diǎn)。確定關(guān)鍵點(diǎn)后，利用關(guān)鍵點(diǎn)的圖像梯度確定局部梯度結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定方向，以使關(guān)鍵點(diǎn)具有旋轉(zhuǎn)不變性。

（3）描述關(guān)鍵點(diǎn)特征

關(guān)鍵點(diǎn)的位置、方向確定后，以關(guān)鍵點(diǎn)為中心，選取鄰域內(nèi)8×8 的區(qū)域?yàn)椴蓸哟翱?，利用SIFT 特征向量描述關(guān)鍵點(diǎn)及鄰域的特征信息，這個(gè)過(guò)程稱為關(guān)鍵點(diǎn)特征的描述，影像的SIFT 特征向量的歐式距離作為關(guān)鍵點(diǎn)的相似性判定測(cè)度。

2.2 光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量

空中三角測(cè)量解算是指以POS（Position and Orientation System）數(shù)據(jù)和少量控制點(diǎn)坐標(biāo)為基準(zhǔn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，最終解算出被測(cè)物體的精確三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)?？罩腥菧y(cè)量根據(jù)平差數(shù)學(xué)模型的不同可分為航帶法、獨(dú)立模型法和光束法三種，目前光束法區(qū)域網(wǎng)空中三角測(cè)量是最嚴(yán)密并且最常用的方法。光束法區(qū)域網(wǎng)平差以單張像片組成的單束光線作為平差基本單元，以中心投影的共線方程作為平差的基礎(chǔ)方程，對(duì)模型公共點(diǎn)光束進(jìn)行空間旋轉(zhuǎn)和平移，從而達(dá)到公共點(diǎn)光束最佳的交會(huì)，經(jīng)平差就可以解算出目標(biāo)地物的三維坐標(biāo)。

2.3 點(diǎn)云構(gòu)網(wǎng)及紋理映射

空中三角測(cè)量后生成較稀疏的點(diǎn)云，需要結(jié)合多視影像密集匹配技術(shù)進(jìn)而生成高密度的點(diǎn)云，利用泊松算法則可以將高密度點(diǎn)云構(gòu)建為不規(guī)則三角網(wǎng)模型，也叫白膜模型，三角網(wǎng)的密集程度反映地形起伏情況。此時(shí)的白膜模型雖然可以憑借經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)單識(shí)別，但是缺少本身的色彩即紋理信息，此時(shí)需要對(duì)白膜模型進(jìn)行紋理映射。紋理映射本質(zhì)上就是尋找影像與白膜模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而將真實(shí)的色彩紋理信息賦予給對(duì)應(yīng)位置的白膜模型，生成還原真實(shí)場(chǎng)景的三維模型。

3 機(jī)場(chǎng)三維重建技術(shù)實(shí)驗(yàn)分析

3.1 像控點(diǎn)布設(shè)和測(cè)量

像控點(diǎn)布設(shè)和量測(cè)為數(shù)據(jù)處理提供絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而將內(nèi)業(yè)處理后的成果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系。一般情況下，像控點(diǎn)均勻分布于測(cè)區(qū)，保證在4 個(gè)角及中心區(qū)域都有像控點(diǎn)，避免像控點(diǎn)共線的情況。像控點(diǎn)可以選用人工像控點(diǎn)，如紅白棋盤(pán)紙或噴漆。本研究選用的像控點(diǎn)即為標(biāo)靶紙，此外也可以選擇明顯的地物標(biāo)志作為像控點(diǎn)，如道路標(biāo)志的角點(diǎn)、地磚的接縫處等。針對(duì)研究的內(nèi)容，利用RTK 測(cè)量布設(shè)像控點(diǎn)的坐標(biāo)，坐標(biāo)系為國(guó)家坐標(biāo)系。

3.2 結(jié)果分析

各個(gè)檢查點(diǎn)實(shí)測(cè)坐標(biāo)與模型量測(cè)坐標(biāo)的差值見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)計(jì)算，地形模型誤差結(jié)果為：X、Y方向上的中誤差分別為±1.5 cm、±1.5 cm，平面中誤差、高程中誤差分別為±1.8 cm、±1.8 cm。由上述誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，地形模型和實(shí)景三維模型都具有較高的位置精度，究其原因是基于傾斜攝影測(cè)量的模型重建方法獲取的研究區(qū)域的傾斜較多，因此重建效果較好，另外是由于測(cè)區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)分布較為密集的原因。

表1 機(jī)場(chǎng)三維重建模型精度統(tǒng)計(jì)

3.3 實(shí)例應(yīng)用

所處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以進(jìn)行模型構(gòu)建，包括機(jī)場(chǎng)實(shí)景三維模型和機(jī)場(chǎng)地形模型。數(shù)據(jù)不僅包含地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還有地面上的附屬物的非地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，要構(gòu)建地形模型需要去除成果點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的非地面點(diǎn)云。截取研究區(qū)域內(nèi)的飛機(jī)停機(jī)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)用于地形模型的構(gòu)建，得到用于構(gòu)建地形模型的區(qū)域地面點(diǎn)云并構(gòu)建的地形模型，如圖2 所示，可以清晰地區(qū)分各種建筑物模型的輪廓。

圖2 機(jī)場(chǎng)三維重建模型局部信息圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)的三維重建，以為機(jī)場(chǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理提供有效的數(shù)據(jù)支持。具體而言，包括深入研究?jī)A斜測(cè)量技術(shù)、詳細(xì)介紹機(jī)場(chǎng)三維重建的流程、探討機(jī)場(chǎng)三維重建技術(shù)的應(yīng)用，并總結(jié)研究的主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)。通過(guò)本研究，希望為機(jī)場(chǎng)建設(shè)和管理帶來(lái)新的思路和方法，并為未來(lái)的機(jī)場(chǎng)規(guī)劃和管理提供廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。該方法能夠有效解決傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)場(chǎng)三維模型的快速、準(zhǔn)確生成，對(duì)于機(jī)場(chǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和管理具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。