无人机倾斜摄影实景三维技术研究

文/孙怀木

当今城市的飞速发展离不开科学的规划，而为了更好地开展城市规划工作，相关部门必须对所在城市的地形地貌进行三维建模。传统的建模技术成本较高，因此无人机倾斜摄影测量技术得以广泛应用。该技术不仅可以辅助相关部门开展测量工作，为三维模型的构建提供科学依据，还能大幅降低投入成本。此外，此类无人机通常由多个传感器组成，可以提供较为全面的三维数据，帮助解决三维建模过程中的各种问题，它是目前城市规划中最为重要的技术手段之一。基于此，本文主要围绕无人机倾斜摄影三维实景技术展开探讨。

如今，三维建模技术已经逐步取代了传统的二维平面设计，成为城市规划的重要组成部分。同时，三维建模中的元数据普遍具有多样性，其包含近景摄影数据、航拍数据、卫星影像数据等，因而对数据的精准度要求更高。简而言之，无人机倾斜摄影实景三维技术具备建模速度快、精准度高、拍摄范围广等多种优势，并且运行成本相对较低，能够有效满足城市规划的多种需求。

一、无人机倾斜摄影实景三维技术的工作原理

2010年，我国引进数据处理摄影技术以及无人机航测技术，并将二者结合应用，经过多年的发展，相关技术日趋成熟。无人机倾斜摄影技术是从传统的无人机低空遥感技术发展演变而来的，并且普遍应用于超高空作业。需要注意的是，在高空乱流和低温条件下，无人机设备在工作过程中很有可能会出现损坏。无人机倾斜摄影实景三维技术的工作原理是：在无人机上搭载多个传感器摄像头，例如一个正摄像头搭配4个倾斜摄像头，以有效增强实际测量效果。其中，常规摄像头和垂直摄像头均适用于4D拍摄，倾斜摄像头则更注重对地面纹理的捕捉。通过多个摄像头的组合利用，无人机可以对地面的起伏物、纹理等进行精准测量。与传统的航测技术相比，无人机倾斜摄影测量结果的精准度更高，由此构建的城市规划三维建模的实用性也更加显著。[1]

二、无人机硬件选择

（一）飞行设备的选择

就目前来看，市场上的无人机种类繁多，若根据其动力系统进行分类，则可以分为电池动力和内燃机动力两种类型；若根据飞行方式进行分类，则可以分为旋翼和固定翼两种类型。由于无人机在飞行过程中普遍存在机身震动等问题，所以单就成像质量来看，电池动力型无人机明显要高于内燃机动力型无人机；在续航时间以及作业效率方面，固定翼型无人机的作业效率更高；在飞行稳定方面，旋翼型无人机的飞行稳定性明显更高。相关部门应根据实际需要，谨慎选择。

（二）摄像头的选择

在采用无人机倾斜摄影实景三维技术时，相关部门必须注意以下几点。航测标准要求无人机摄像头的像素不得低于3500万，进行倾斜摄影时不能对单一摄像头的像素进行限定，但是需要控制一次曝光获取的像素。在性能方面，航测标准要求明确倾斜摄像头的作业时间、续航时间、影像能力、曝光功能以及POS记录等多个方面的表现。第一，倾斜摄影一次曝光采集的像素应越高越好，且单个摄像头的像素不得低于2000万，一次曝光应超过1亿像素。[2]第二，倾斜摄影作业时间至少在90分钟以上，且最好具备全天候作业的能力。第三，优先选择具备定点曝光功能的定焦镜头，且对焦距离能够满足重叠度的测量需求。

三、无人机倾斜摄影实景三维技术的应用要点

（一）规划航线

工作人员在规划航线时，应将无人机的飞行高度控制在合理范围内。如果在测量过程中，无人机缺乏航线规划的指导，将很难按照规律路线飞行，并且在飞行过程中，单纯依靠人工操作是很难对无人机的飞行方向进行掌控的。另外，工作人员要想确保采集数据的准确性，就需要保障无人机匀速飞行，均匀稳定地采集数据。考虑到无人机在开展空中作业时，很有可能会受到空气流速等多种因素的影响，进而出现失衡、失稳、影像数据模糊等问题。[3]同时，三维建模等对影像数据的采样率和重叠率有着非常高的要求，若单纯依靠人工操作，将很难保证影像数据的采集质量，甚至不得不二次补测，严重降低工作效率。因此，在采集实景数据之前，工作人员必须落实航线规划工作。在通常情况下，最理想的测区大多为矩形，这与传统航空摄影过程中所设置的矩形测区相类似。其规划相对简单，工作人员只需要设定平行航线后，操纵无人机折返拍摄即可。但在实际工作中，测区形状很有可能是不规则的多边形或者长条形，进而在一定程度上加大了航线规划以及执行的难度。

（二）布设像控点及测量

像控点的布设通常会对测量结果产生极大的影响。为全面提升像控点布置的科学性和合理性，工作人员应严格按照以下几点原则来开展工作。第一，在不设像控点的情况下，应尽量选择不具备争议的参照物，例如墙角、田地等；在选择像控点时，应尽量选择在地形有明显起伏的区域。第二，一般像控点的布设边距不能小于1～1.5厘米，以有效避免在摄影测量过程中发生数据匹配失误的情况。第三，为确保无人机摄影工作的顺利推进，像控点的布设应尽量选择视野比较开阔的区域，而不能布设在有较大遮挡物的地方。[4]第四，像控点的布设应综合考虑交通便利、容易保存等实际需要，以便为后续影像数据精准度的验证工作提供科学依据。

（三）测量空中三角

无人机在航拍过程中会自动存储POS数据，因此，工作人员可以在实际测量过程中，使用空中三角测量技术进行加密测量，同时注意以下几点：第一，在完成数据资料预处理的前提下，建立相应的工程文件，并且添加无人机航拍获得的影像资料；第二，将无人机自动存储的POS数据传导至相应的软件系统中；第三，进行同名点的匹配，以获得相应位置的空中三角测量点云，然后再结合无人机倾斜摄影测量过程中系统自动存储的实景影像数据对绝对定位做平差处理，处理完成后及时对空中三角数据进行加密结算；第四，导入控制点，重新匹配并优化相应定位，输出包含自检相机误差、控制点精度以及空中三角误差等在内的质量报告。

（四）制作地形图

以大比例尺地图的制作为例，在制作过程中，采集的数据将成为构建三维模型的基础。因此，工作人员必须操控无人机采集地貌、地物以及各个标记点的影像数据。如果因存在遮挡物而无法采集地貌信息，工作人员需要对无法采集的区域单独标注，然后及时反馈给外业测量人员，督促其使用全站仪进行补录，从而确保采集数据的全面性、准确性。另外，在采集线状地物的影像数据时，工作人员需确保无人机的采集方向与线状地物的实际走向相一致，并且线状地物能够准确接触到边线。在保证各项数据没有误差的前提下，工作人员应使用CASS10.1软件平台自动化处理数据，生成被测区域的数字规划图，然后再人工标注各个采集点，例如水系、建筑物、高程、地名等。需要注意的是，各个标记点的疏密程度须与地图的比例尺保持一致，以保证地图的精准度和美观性。

（五）提高三维模型的精度

当前，处理数字模型问题的常用方法是数字精度消除法。考虑到用于城市规划的三维模型需要展示所在城市内部各个建筑物的相关参数，因此在测量过程中，工作人员必须严格控制测量误差，并在数据处理过程中尽量消除数据误差，以确保数据处理和测量结果的精准度。目前，影响无人机倾斜摄影三维建模精准度的主要因素便是测量误差。因此，在使用无人机倾斜摄影实景三维技术过程中，工作人员必须尽可能规避外界因素引起的误差，科学控制误差率，以有效提升测量结果和三维模型的整体精准度。

四、结语

综上所述，无人机倾斜摄影实景三维技术在地形勘测、三维建模等领域应用广泛，该技术能够在全面提升三维模型精准度的同时，大幅节约运行成本。工作人员可操控无人机拍摄固定区域并采集相关数据资料，再利用无人机上的多台传感器获得并还原相应数据信息，最终生成所在城市的三维模型。随着摄影技术以及无人机技术的全面发展，在不远的将来，无人机倾斜摄影实景三维技术的图像精准度有望达到亚米级别。届时，无人机倾斜摄影实景三维技术必将为城市规划提供更大的帮助，促进城市规划设计水平的进一步提升。