無人機航攝與實景建模技術在工程中的應用研究

樊軍　片笑

摘要：行業的發展促進技術的進步，技術的進步又不斷革新行業的生產方式。無人機技術的發展及民業應用化，使得工程建設中，地理數據的采集越來越快速、高效，多維度、全方位的信息采集模式也促進了在高精度的基礎上多樣化的數據成果形式。本文針對當前民用小型無人機所開展的攝影測量及其數據成果的工程應用，從航線設計、鏡頭選擇、質量控制、像控測量及影像攝影測量處理等方面結合常見的幾類工程外業實際進行了方案闡述，分析了各類型項目特點，綜合數據質量和作業效率等關鍵因素提出了建議。

關鍵詞：元人機；實景建模；方案設計

引言：現代社會中，遙感技術已成為人類獲取地理環境及其變化信息的必備高科技手段，而隨著無人機技術的發展，其成為了遙感技術的有效補充，小型無人機不僅在飛控軟件、續航時間、飛行品質上有了明顯的突破，其還具備體型小攜帶便捷、作業機動、高分辨率影像、高密度測量數據等優勢，具備數據質量和作業效率兩重重要因素，也由此成為近幾年新興的工程建設外業數據采集的優選手段。

無人機技術優化所帶動的數據采集質量的提高，另一方面也為數據成果的多樣化提供了可能，現代計算機技術的發展也使得計算機得以提供強大的運算能力等的支持，在這樣的條件下，基于計算機視覺算法和計算機幾何算法的實景建模技術實現了無人機數據的三維信息化，這是工程領域基礎數據從形式到內容的革新，也為更優質的工程建設提供了扎實的基礎。

隨著無人機及實景建模技術的成熟和工業化應用，在測繪地理信息、BIM應用、水利電力工程建設、鐵路、公路帶狀選線工程等諸多領域發揮了積極作用。技術的進步往往等價于解放生產力，本文根據對幾種主流小型無人機的作業特點、主要參數、技術規格等的實踐總結，結合具體工程實際的側重點，做出了針對性的方案建議，在很大程度上實現了作業質量與作業效率的最優結合，使得技術更好的落腳于工程實踐。

1無人機、實景建模技術介紹

1.1無人機技術

無人機（unmarmedaerialvehicle，UAV）是一種機上無人駕駛的航空器，其具有動力裝置和導航模塊，在一定范圍內靠無線電遙控設備或計算機預編程序自主控制飛行。無人機的技術組成包括無人駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通信技術、Dos定位定姿技術、GPS差分定位技術和遙感應用技術等。

本文所提到幾種無人機，主要針對常見的工程建設，綜合安全與作業需求考慮，包括電動單鏡頭固定翼、電動雙鏡頭固定翼、電動五鏡頭旋翼，基本上涵蓋了大部分的工程應用。

1.2實景建模技術

實景建模技術廣義來講指以照片數據作為基礎數據，通過影像預處理、區域網聯合平差、空中三角測量、像點匹配、DSM點云生成、TIN構建、紋理映射等技術處理，生成逼近真實場景的高分辨率三維模型。綜合性能各方面指標本文選擇在實景建模軟件領域處于領先地位的ContextCapture軟件進行實景建模。

2工程作業條件分析及方案設計

實景模型由無人機數據解算而來，在不同的工程建設中，對實景模型質量要求的側重各有不同，這也就對無人機的不同技術參數提出了著重要求。為滿足工程質量要求，為高效作業，本文針對項目側重點的不同設計了技術參數側重不同的無人機及相關作業方案。

2.1工程作業條件分析

無人機數據質量決定著實景模型質量是否滿足工程建設需求。追根溯源，控制無人機數據質量顯得尤為重要。無人機數據質量主要由兩方面的因素決定，一是內因，包括無人機飛控、pos、差分等硬性參數，取決于我們所選擇無人機類型；二是外因，包括地形條件、大氣狀況、障礙物，以及無人機航高、旁向、航向重疊度等的設置。

在影響無人機數據質量的主要因素中，工程建設地點的地形條件、障礙物狀況等是無法選擇的，因此方案設計以此為分類依據：

1.地形等級低、離市區等空域干擾單位遠、作業面積較大。

2.地形等級中等、離市區等空域干擾單位近、作業面積較大。

3.在市區，機場等空域干擾因素較近、作業面積較小。

2.2方案設計

首先針對地形等級低、離市區等空域干擾單位遠、作業面積較大此類的航測項目。

其特點主要在于地形起伏較緩，無高大建筑且低矮建筑較為稀疏，作業面積較大。根據空中三角測量的解算特點，其連接點較少，需要較多的控制點提高坐標高程精度。旋翼五鏡頭雖側面紋理豐富但無差分配置在該環境下難以發揮其優勢，固定翼無人機配置兩鏡頭及PPK差分技術，在滿足紋理要求的同時，利用PPK差分技術保證大面積作業的數據精度，在確保數據質量的同時也提升了作業效率。

其次針對地形等級中等、離市區等空域干擾單位近、作業面積較大此類的航測項目。

其特點主要在于地形起伏較大或村莊較密集，作業面積較大。對于建筑密集區域，采用旋翼五鏡頭結合像控點布置的方案，在控制作業困難的地區可敷設構架航線：針對地形起伏較大的山區等區域，首先模型坐標高程精度差于平原地區，此外像控點也布置困難，需采用RTK或PPK差分技術才能保證較好的高程精度，而現有旋翼無人機基本上無差分配置，因此為保證數據精度及照片重疊度，采用帶差分固定翼井字飛行，布置部分像控點，在保證數據精度的同時保證模型結構。

最后針對在市區，機場等空域干擾因素較近、作業面積較小此類的航測項目。

其特點主要在于建筑密集，高大建筑、信號塔、飛行管制等障礙較多。要求無人機機動性強，飛行高度低，且側面紋理豐富，旋翼五鏡頭無人機既能保證其紋理要求又能保證作業機動性。

3航攝及實景建模作業流程

依據航空攝影規范和飛行有關規定，根據項目要求和作業區實際情況，從攝區的自然地理情況、技術設備情況、資金情況、飛行空域概況等方面，結合本文提出的作業類型，進行系統的分析，選擇作業方案。

3.1航攝環境條件

測區航線敷設時，荒漠、高山區隱蔽地區等和測圖控制作業比較困難的地區，可以選擇敷設構架航線，構架航線根據測圖控制布點設計的要求設置：航線敷設要保證架次之間相鄰航線重疊度；水域、海區航攝時，航線敷設要考慮到像主點落水對重疊度的影響，保證地物完整覆蓋。

航攝時間的確定主要考慮：其一既要保證充足的光照度，又要避免過大的陰影：其二避開霧或霧霾天，保證一個好的大氣透明度；其三水面、砂礫等反光強烈的地物面積較大時，應避開光照強烈的正午前后；此外，風較大的時候適當降低航高或取消航飛計劃。

3.2實景建模條件

數據準備，首先內外業數據交接，包括架次、航線布設，航高、重疊度設置，風力、陰晴等天氣狀況，建筑物、植被、水面等地物狀況，實測控制點等相關文件；此外，控制點TGO平差，靜態數據TBC平差。

數據檢查，對控制點數據，照片質量等進行檢查。一方面避免控制點偶然誤差：另一方面將類似水面上反光嚴重的照片等影響成像質量的照片摘選出來，保證實景模型質量。

3.3內外業流程

無人機航攝及實景建模內外業整體作業流程如圖3所示。

結束語：無人機技術的迅速發展給后數據處理帶來了更多的可能。本文僅以無人機技術與實景建模技術在工程應用中的實踐進行了分析與方案建議，結合了自身數年來對航測三維項目的實踐經驗，針對項目特點綜合考慮了現有無人機的技術參數及性能特點，結合差分、像控保證工程精度的同時最大限度的提高作業效率。此外，部分工程項目受限于現有無人機性能，實施困難，相信隨著民用無人機市場的蓬勃發展，未來無人機性能將會解決或簡化大部分現有技術問題。endprint