无人机倾斜摄影技术在长城保护维修工程中的应用

代 路

(河北水文工程地质勘察院 河北 石家庄 050000)

一、引言

传统三维建模的方法主要采用外业人员手工拍照的方法，通过内业人员结合正射影像、测区平面矢量图等进行数据处理。该方法虽然能在模型精细度上有很好控制，但存在生产工艺复杂，生产成本高，工作强度大，模型生产效果不确定等不利因素。倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。目前，通过倾斜摄影技术进行三维建模主要是采用Smart3D软件进行全自动正摄影像和倾斜影像的联合空中三角测量，全自动化构建三维模型，全自动化贴纹理形成最终三维真实场景。

本文以河北省迁西县喜峰口西潘家口段长城为例，通过合理布设像控点，设计航线，采用无人机搭载5个镜头同时从垂直角度和多个倾斜角度采集影像，避免传统航拍的拍摄遮挡和拍摄死角问题，很好地采集了建筑物侧面的纹理信息，利用Smart3D进行全自动正摄影像和倾斜影像的联合空中三角测量，完成该区域的三维模型构建。为后续设计施工提供直观准确数据，业为后续修复提供了一种实用的、快捷高效的长城修复建模方案。

二、测区概况

潘家口长城位于河北省迁西县北部，包括明、清两朝修缮，1975年国家兴修潘家口水库，1984年底竣工蓄水，潘家口长城没入水中，形成了独特的水下长城。本次测区范围为潘家口长城地上部分。

三、数据采集

(一)数据采集流程

图1 倾斜摄影作业流程图

(二)像控点布设

测区范围内长城高差约160m，长城中段和上段两侧地形陡峭，灌木丛生，植被覆盖很好，对长城本体遮挡严重。长城下段地势相对平缓，根据现场踏勘情况与工程需求，为了保证精度，在长城两侧均匀布设。同时按照要求，禁止在长城墙体做标记，因此，提前将准备好的靶纸固定在长城上。共布设像控点26个。

(三)航线设计

由于无人机工作底图存在偏差，同时考虑航拍地物(长城)为线状且宽度比较窄，在航线设计前，利用航空摄影资料画出西潘家口段长城城墙中心线,同时利用做像控点时GPS设备实地测量各个角点坐标信息,并对中心线位置进行调整,以得到准确的中心线位置坐标和长城顶点距低点的高差。

航线可设计平行于长城走向和垂直于长城走向设计，由于本项目需获取长城城墙纹理，若平行于长城走向，可能存在部分区域角度过高，无法获取纹理数据的情况，故本次航线设计垂直于长城走向设计，避免出现航拍地物在两条航线之间。由于长城存在高差骤变的情况，根据现场条件，高差每降低40m设置一个航高，共设置4个航次。拍照间距设置为10m，行间距设置为15m，相对航高设置为50m，以获取长城城墙纹理信息。由于本项目需要获取高质量的航片,因此航飞时必须要具备好的天气条件，同时由于城墙有很多树木遮盖,在航飞该处航线时要在中午太阳高度角最好、阴影最小的时候。

(四)数据获取

数据获取前需进行无人机测试，包括：无人机较磁、通电测试、通信测试、相机测试、起飞环境观察等，在满足GPS信号的PDOP值低于0.5且周围无阻碍无人机起飞的障碍物等条件下起飞作业。

每个航次作业完成，首先导出无人机POS数据；然后根据POS数据检查每个镜头相片张数，检查每个镜头相片张数与POS数据个数一致；其次查看相片有无曝光过度或其他瑕疵；最后查看被摄物体是否完全拍摄。如有一个步骤有问题，重新规划航线再次执行航拍任务。

四、三维建模

首先进行相片与POS数据的整理，分别倒入各个镜头影像数据及POS数据后，降低分辨率，提交空三概算，验证数据是否满足空三解算。空三概算完成后进行刺点及数据建模工作，建模过程中将数据划分为30m×30m的区块进行处理，以提高处理效率。模块处理完成后对数据进行检查，查看区块之间是否有拼接缝隙、模型纹理是否清晰。如拼接有缝隙则对像控点重新刺点，增加模型间的控制点重新进行空三解算，直至模型之间缝隙满足要求为止；如果模型纹理模糊则检查相片与POS数据对应关系十分一致，分析原因重新解算，如有必要重新进行外业航测，直至模型符合相关要求为止。三维模型如下图所示：

图2 三维成果示意图

五、成果应用

根据三维模型提取，长城本体平立面、外立面、剖立面、剖面、损坏位置等空间信息，制作相关施工图。

结束语

此次对长城进行的倾斜摄影应用，实现了具有真实感三维场景的快速构建，获取长城相关信息，为长城修复设计提供了精确的三维空间量测数据，虽然目前三维模型信息自动提取还存在不足之处，但相信随着倾斜技术的发展，无人机倾斜摄影将会应用在更多的领域中。