基于無人機技術構建三維實景智慧園區的應用研究

馬德明，付 帥，任寧寧，付 蓉，王廷剛

（蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730207）

1 相關技術介紹

1.1 無人機技術及其在地理信息數據采集中的應用

無人機技術是指通過遙控或自主控制的方式操縱無人飛行器進行目標實現的技術。隨著科技的發展和不斷完善，無人機已經成為一種高效準確的地理信息數據采集工具。無人機可以配備多種傳感器，如攝像頭、激光雷達等，可在較短時間內獲取較為豐富的地理信息數據。例如，在城市規劃中，無人機可快速準確地獲取現場三維坐標信息，以及建筑物、道路、綠化、水系等地理信息，對城市規劃有著非常重要的指導意義。在地理信息采集中，無人機可以完成很多傳統方法難以完成的任務，例如，對危險地形區域的調查、對大片森林的監測等。相較于傳統的地面測量，無人機具有高效、節省人力和物力、定位精度高等優點，不僅能夠減少人力資源和時間成本，還能保證數據的準確性和完整性。然而，無人機也存在一些局限性，如受限于電量和載荷的限制，其持續飛行時間和承載能力亟待提升[1]。

1.2 三維激光掃描技術及其在三維建模中的應用

三維激光掃描技術是一種利用激光、光學技術，將物體表面的三維幾何信息數字化的技術。通過三維激光掃描技術可以快速、高精度地獲取物體表面的三維坐標數據，其應用范圍非常廣泛，包括工業設計、工程制作、文化遺產保護、醫學等領域。其中，在三維建模方面，三維激光掃描技術也具有廣泛的應用。在三維建模中，傳統的建模方法需要手動測量并記錄物體的各種參數和數據，然后再進行建模。而采用三維掃描技術可以直接獲得物體的三維坐標數據，快速、精確地完成三維建模過程。此外，三維激光掃描技術還能夠捕捉物體的表面細節，可以更加真實地展示物體的形態和外貌，使得建模結果更加逼真。

1.3 智慧園區概念、特點和發展趨勢

智慧園區是應用物聯網、人工智能、大數據分析等技術，將園區內的各種信息、設備、系統等有機融合，實現管理和服務智能化的一種新型城市空間。智慧園區具有多元化、智能化、可持續性和開放性等特點，可以廣泛應用于生態環境保護、交通運輸、城市安全、公共服務等多個領域。在未來，智慧園區的發展趨勢主要有數據價值化、產城融合、數據安全和開放合作等方向。智慧園區將通過數字技術等手段，提升城市的生產力和管理效率，推動城市可持續發展，成為未來城市發展的重要形態。

2 基于無人機技術的三維實景智慧園區構建流程

2.1 數據采集及處理階段

2.1.1 無人機飛行路徑和參數優化

無人機飛行路徑和參數優化是無人機應用領域中的重要研究方向之一。在實際應用中，針對不同的任務需求和環境情況，可以設置不同的飛行路徑和參數，并通過優化來提高飛行效率和任務執行能力。對于飛行路徑的設置，一般分為固定路徑和動態路徑兩種模式。固定路徑模式適用于需要按照預設的路徑進行巡檢或調查的任務，如工業園區或城市街道的巡檢等。在這種模式下，可以通過預設的飛行路徑來實現自主飛行，同時可以利用遙控器等方式進行手動控制。而動態路徑模式則適用于需要根據實時變化的環境情況進行調整的任務，如搜索救援、災害評估等。在這種模式下，無人機可以根據任務需要實時調整飛行路徑，以提高任務執行效率和準確性。本研究由于是針對高層建筑的巡檢，我們可以采用固定路徑模式，設置一個環繞全建筑的長方形飛行路徑。在具體實踐中，這個路徑可以由預設的GPS坐標點、標志物等進行標記。在參數設置與優化方面，首先，我們需要確定無人機巡檢時的最佳速度。在此條件下，需要考慮到任務時間和空氣阻力兩個因素。假設我們將無人機的速度設置為6米/秒，這能夠在30分鐘內完成全面的巡視任務；如果將速度提高到8米/秒，則只需要20分鐘就可以完成任務。但是，速度過快會導致空氣阻力增大、飛行穩定性降低等問題，因此需要適當平衡速度和其他因素。其次，我們需要確定無人機巡檢時的最佳高度。在此條件下，需要考慮圖像分辨率和安全性兩個因素。假設我們將無人機的高度設置為50米，這在保證圖像清晰度的同時也足夠避免撞擊高層建筑物。同時，也需要考慮天氣和風力等環境因素，根據實際情況進行適當調整[2]。

2.1.2 影像數據處理及拼接

影像數據處理及拼接是無人機應用中非常重要的一步。經過攝像頭拍攝得到的多個影像片段需要進行處理和拼接，以得到全景圖或三維模型等更有價值的結果。在影像處理中，首先需要對原始影像進行預處理，包括鏡頭畸變校正、圖像去噪和顏色校正等。這可以提高影像質量，減少后續處理所需時間。其次，將預處理后的影像進行分割，按照場景、拍攝角度等因素進行分組，方便后續處理。再次，對每組影像進行特征提取，例如提取出每張影像的SIFT特征點等。第四，對特征進行匹配，得到影像之間的對應關系，并進行對齊操作，使不同影像的角度、尺度、光照等因素保持一致。最后，對已對齊的影像進行融合，得到一個完整的全景圖或三維模型。在拼接過程中，首先需要將多張影像在水平方向進行拼接，得到一張覆蓋范圍更廣、角度更寬的全景圖。其次，還需要將不同角度或高度拍攝得到的影像進行立體拼接，得到一個三維模型。需要說明的是，拼接過程中可能會出現一些問題，如圖像重疊度低、光照變化等，這需要通過對數據進行分析和優化來解決。

2.1.3 三維建模及質量檢驗

本文中的三維建模需求是對某地區進行高精度建模，包括地形數據和建筑物模型等信息，采用的數據包括無人機拍攝的影像數據和激光雷達測量得到的點云數據。具體的建模方式包括對影像數據進行畸變校正和顏色校正，利用激光雷達測量得到的點云數據進行密集匹配，將點云數據轉換成三角面片從而得到表面拓撲結構的三維建模結果，結合數字高程模型得到高精度的地形數據建模，通過在已有建筑物數據庫中查找相關信息，將建筑物模型嵌入到三維建模結果中，從而得到高精度的建筑物模型。針對這些建模結果，可以采用四元數測量、最小二乘法以及局部誤差檢測等方式進行質量檢驗，評估地形數據和建筑物模型的精度、正確性、穩定性和擬合度，提高建模結果的精度和可靠性。

2.2 平臺開發及應用階段

2.2.1 智慧校園App服務平臺設計

智慧園區App服務平臺通過無人機低空傾斜攝影測量技術、Context Capture軟件平臺、高清數碼五拼相機系統等技術，并結合5G技術實現在線瀏覽三維實景智慧校園的功能。該平臺具體實現的功能包括：通過5G技術實現遠程查看實時監控視頻、繪制電子圍欄等安全防護措施、實時查詢公共設施使用情況、導航到目的地、在線查看校園地圖、查詢教學樓、宿舍樓等建筑物信息，以及實現聽取語音講解等多種功能。同時，該App平臺也提供在線反饋建議和問題解決服務，以提升用戶體驗。

2.2.2 多元化屬性與語音講解功能實現

多元化屬性和語音講解功能是三維實景智慧校園服務平臺的重要組成部分。為了實現這些功能，該平臺采用了多種技術，包括語音識別、人工智能、自然語言處理等。在實現多元化屬性方面，該平臺利用無人機低空傾斜攝影測量技術進行影像數據采集，通過Context Capture軟件平臺實現影像數據處理，并生成高精度、高清晰度、高分辨率的數字正射影像圖（DOM）和三維實景模型。通過對這些數據進行標注和分類，平臺實現了對建筑物、道路、綠化等多種屬性的標注和查詢功能。為了方便用戶使用，平臺還提供語音導航、搜索、評論等功能。在實現語音講解功能方面，平臺采用語音識別技術和自然語言處理技術。用戶可以通過平臺上的語音識別功能進行語音提問和語音控制，平臺通過將用戶的語音轉換為文本形式，再采用自然語言處理技術進行文本分析，最終完成相應的操作或回答用戶的問題。

2.2.3 智慧園區應用場景分析與實踐

智慧園區應用場景非常廣泛，可以應用于校園、工業園區、城市公共空間等多種場景。在校園應用方面，智慧園區可以通過建立實時監控系統、電子圍欄等安全防范措施，提高校園安全性；同時，實現公共設施的在線查詢和使用情況監測，提升設施利用率；并且利用三維實景技術，為師生提供更加可視化、直觀化的校園導航服務。在工業園區應用方面，智慧園區可以應用物聯網、大數據等技術，實現設備監測、生產自動化、能源管理等功能，提高工業園區效益和管理水平。同時，通過三維實景技術，可以實現園區規劃設計、建筑物檢測、安全巡檢等功能，提高工業園區的可持續發展能力。綜上，智慧園區在各個應用場景中都具有廣泛的應用前景。通過運用多種技術手段，如物聯網、大數據、三維實景等，可以實現對校園、工業園區的全方位監測、管理和服務，提高效率、降低成本、提升用戶體驗[3]。

3 板塊應用案例分析

以某高校校園為例，其針對智慧園區建設，利用物聯網和人工智能技術，實現了多個板塊的應用。首先，針對安全防范板塊，該校采用了智能安防系統，在校園內部和周邊設置多個安防監控點，使用大數據分析技術進行實時監測和預警，提高了校園安全保障水平。其次，針對教學與科研板塊，該校利用物聯網技術實現了智能化的實驗室管理，通過傳感器對實驗設備進行實時監測、維修和管理，實現了實驗室的自動化運行。同時，該校還開發了線上教學平臺，實現了在線教學、在線作業等功能，提高了教學效率和體驗。再次，針對生活服務板塊，該校采用了移動支付、智能門禁等技術，為師生提供了便捷的校園生活服務。同時，該校采用了三維實景技術，建立了校園數字化平臺，為師生提供準確的地圖位置、景點瀏覽等服務。以上各個板塊應用案例的實現，為該高校打造智慧園區提供了有效的管理和服務手段，優化了校園環境，提升了教學質量和師生體驗。

4 結束語

隨著科技的不斷進步，智慧園區App服務平臺已經成為推動校園現代化建設的重要工具。通過三維建模和質量檢驗等技術手段，智慧園區App服務平臺可以讓用戶在在線瀏覽三維實景智慧校園時獲得更高精度和可靠性的信息。同時，智慧園區App服務平臺還結合無人機低空傾斜攝影測量技術、激光雷達測量以及語音識別和自然語言處理技術等新興技術，為用戶提供更加便捷、快速的使用體驗。

未來，智慧園區App服務平臺還將繼續發揮其在校園現代化建設中的重要作用，不斷完善平臺功能，提升服務水平。同時，隨著學生對于校園環境和信息的需求逐漸增加，智慧園區App服務平臺也將不斷探索新的技術手段和應用場景，為廣大用戶提供更多元、豐富的校園服務。■