無人機傾斜攝影技術(shù)在長城保護維修工程中的應(yīng)用

代 路 林亞衛(wèi) 曹文民 唐子奇

(1.河北省水文工程地質(zhì)勘查院 石家莊 050021；2.河北省地質(zhì)調(diào)查院 石家莊 050081)

傳統(tǒng)三維建模的方法主要采用外業(yè)人員手工拍照的方法，通過內(nèi)業(yè)人員結(jié)合正射影像、測區(qū)平面矢量圖等進行數(shù)據(jù)處理。該方法雖然能在模型精細度上有很好控制，但存在生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、工作強度大、模型生產(chǎn)效果不確定等不利因素。傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。目前，通過傾斜攝影技術(shù)進行三維建模主要是采用Smart3D軟件進行全自動正攝影像和傾斜影像的聯(lián)合空中三角測量，全自動化構(gòu)建三維模型，全自動化貼紋理形成最終三維真實場景。

1 概況

潘家口長城位于河北省遷西縣北部， 1975年國家興修潘家口水庫，1984年底竣工蓄水，潘家口長城沒入水中，形成了獨特的水下長城。本次測區(qū)范圍為潘家口長城地上部分。

本文以河北省遷西縣潘家口段長城為例，通過合理布設(shè)像控點，設(shè)計航線，采用無人機搭載5個鏡頭同時從垂直角度和多個傾斜角度采集影像，避免傳統(tǒng)航拍的拍攝遮擋和拍攝死角問題，很好地采集了建筑物側(cè)面的紋理信息，利用Smart3D進行全自動正攝影像和傾斜影像的聯(lián)合空中三角測量，完成該區(qū)域的三維模型構(gòu)建。為后續(xù)設(shè)計施工提供直觀準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，業(yè)為后續(xù)修復(fù)提供了一種實用的、快捷高效的長城修復(fù)建模方案。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 數(shù)據(jù)采集流程

根據(jù)實際情況，本次工作采用以下流程(圖1)。

圖1 無人機傾斜攝影作業(yè)流程圖

2.2 像控點布設(shè)

測區(qū)范圍內(nèi)長城高差約160 m，長城中段和上段兩側(cè)地形陡峭，灌木叢生，植被覆蓋很好，對長城本體遮擋嚴(yán)重。長城下段地勢相對平緩，根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況與工程需求，為了保證精度，在長城兩側(cè)均勻布設(shè)。同時按照要求，禁止在長城墻體做標(biāo)記，因此，提前將準(zhǔn)備好的靶紙固定在長城上。共布設(shè)像控點26個。

2.3 航線設(shè)計

由于無人機工作底圖存在偏差，同時考慮航拍地物(長城)為線狀且寬度比較窄，在航線設(shè)計前，利用航空攝影資料畫出西潘家口段長城城墻中心線，同時利用做像控點時GPS設(shè)備實地測量各個角點坐標(biāo)信息，并對中心線位置進行調(diào)整，以得到準(zhǔn)確的中心線位置坐標(biāo)和長城頂點距低點的高差。

航線可設(shè)計平行于長城走向和垂直于長城走向設(shè)計，但由于本項目需獲取長城城墻紋理，若平行于長城走向，可能存在部分區(qū)域角度過高，無法獲取紋理數(shù)據(jù)的情況，故本次航線設(shè)計垂直于長城走向設(shè)計，避免出現(xiàn)航拍地物在兩條航線之間。由于長城存在高差驟變的情況，根據(jù)現(xiàn)場條件，高差每降低40 m設(shè)置一個航高，共設(shè)置4個航次。拍照間距設(shè)置為10 m，行間距設(shè)置為15 m，相對航高設(shè)置為50 m，以獲取長城城墻紋理信息。由于本項目需要獲取高質(zhì)量的航片,因此航飛時必須要具備好的天氣條件，同時由于城墻有很多樹木遮蓋,在航飛該處航線時要在中午太陽高度角最好、陰影最小的時候(圖2)。

圖2 潘家口段長城無人機傾斜攝影技術(shù)像控點位置及航線示意圖

2.4 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取前需進行無人機測試，包括：無人機較磁、通電測試、通信測試、相機測試、起飛環(huán)境觀察等，在滿足GPS信號的PDOP值低于0.5且周圍無阻礙無人機起飛的障礙物等條件下起飛作業(yè)。

每個航次作業(yè)完成，首先導(dǎo)出無人機POS數(shù)據(jù)；然后根據(jù)POS數(shù)據(jù)檢查每個鏡頭相片張數(shù)，檢查每個鏡頭相片張數(shù)與POS數(shù)據(jù)個數(shù)一致；其次查看相片有無曝光過度或其他瑕疵；最后查看被攝物體是否完全拍攝。如有一個步驟有問題，重新規(guī)劃航線再次執(zhí)行航拍任務(wù)。

3 三維建模

首先進行相片與POS數(shù)據(jù)的整理，分別倒入各個鏡頭影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)后，降低分辨率，提交空三概算，驗證數(shù)據(jù)是否滿足空三解算。空三概算完成后進行刺點及數(shù)據(jù)建模工作，建模過程中將數(shù)據(jù)劃分為30 m×30 m的區(qū)塊進行處理，以提高處理效率。模塊處理完成后對數(shù)據(jù)進行檢查，查看區(qū)塊之間是否有拼接縫隙、模型紋理是否清晰。如拼接有縫隙則對像控點重新刺點，增加模型間的控制點重新進行空三解算，直至模型之間縫隙滿足要求為止；如果模型紋理模糊則檢查相片與POS數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系十分一致，分析原因重新解算，如有必要重新進行外業(yè)航測，直至模型符合相關(guān)要求的三維模型為止(圖3)。

圖3 潘家口段長城無人機傾斜攝影技術(shù)三維成果示意圖

4 成果應(yīng)用

根據(jù)三維模型提取，長城本體長度、面積、平立面、外立面、剖立面、剖面、損壞位置等空間信息，制作相關(guān)施工圖(圖4、圖5)。

圖4 潘家口段長城無人機傾斜攝影技術(shù)三維模型面積量算

此次對長城進行的傾斜攝影應(yīng)用，實現(xiàn)了具有真實感三維場景的快速構(gòu)建，獲取長城相關(guān)信息，為長城修復(fù)設(shè)計提供了精確的三維空間量測數(shù)據(jù)，雖然目前三維模型信息自動提取還存在不足之處，但相信隨著傾斜技術(shù)的發(fā)展，無人機傾斜攝影將會應(yīng)用在更多的領(lǐng)域中。

圖5 潘家口段長城無人機傾斜攝影技術(shù)三維模型距離量算

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