無人機測量在三維模型建設方面的應用

趙 豪

（福建山和科技有限公司，福建 福州 350000）

通過在工程建設當中構成必要的三維模型，可以在工程建設質量和效率中發揮應有的作用。為了能夠保證建模效果，可以將無人機技術與傾斜攝影技術有效結合起來，通過測量技術構建三維模型，在這個過程中需要保證傳感器中問題信息的精度，保證相關數據傳輸效率。

1 三維數字化模型建設中無人機傾斜攝影測量技術的基本內容

（1）傾斜攝影技術屬于一種非常先進的技術，通過應用飛行平臺完成相關攝影工作。在實際攝影中，技術人員需要采用多角度攝影，如傾斜與垂直等，將物體的各類信息有效呈現出來，保證相關信息的準確性和全面性，避免單一角度拍攝帶來的各種問題。

（2）技術人員在開展特征提取工作過程中，需要對各種影像信息合理進行應用，合理對圖形類型進行劃分，通過獨立點和相連曲線完成歸類工作，并及時提出其中控的相關信息，實現與測量區域情況的結合，從而有效提取出其中的固定位置[1]。

（3）在開展無人機傾斜攝影測量過程中，需要技術人員合理對相關影像進行融合，利用同名點完成相關內容的識別工作，并配合相關算法完成數字影像的識別。通過視覺計算與圖像融合有效結合起來，完成相關目標的檢測工作，從而最終完成相關準備工作。隨著傾斜攝影測量技術的不斷發展，其在攝影測量、地圖學和遙感技術中的應用不斷增加，技術使用非常靈活。通過與內部特征點匹配與測量，可以讓DOM、CEM數字與匹配點的分辨率有效聯系起來，不同的測量影像特征需要對應不同的匹配算法。

2 三維數字城市建模中無人機傾斜測量技術的應用

無人機航測是傳統航空攝影測量手段的有力補充，具有機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等特點，在小區域和飛行困難地區高分辨率影像快速獲取方面具有明顯優勢。隨著無人機與數碼相機技術的發展，基于無人機平臺的數字航攝技術已顯示出其獨特的優勢，無人機與航空攝影測量相結合使得“無人機數字低空遙感”成為航空遙感領域的一個嶄新發展方向，無人機航拍可廣泛應用于國家重大工程建設、災害應急與處理、國土監察、資源開發、新農村和小城鎮建設等方面，尤其在基礎測繪、土地資源調查監測、土地利用動態監測、數字城市建設和應急救災測繪數據獲取等方面具有廣闊前景。

2.1 無人機航測外業流程

在開展無人機外業流程過程中，需要認真做好各種控點的布設工作，然后對航測線路進行規劃，最后再開展航測作業。在開展工程空中點布設過程中，由于地勢環境比較復雜，直接使用傳統測量技術，難以保證測量精度，需要采用無人機航測技術，利用1∶2 000的比例尺進行測量，然后使用先進的科學技術完成工程點的布設工作，通常需要每隔300 m布置一個控制點，并根據工程的實際情況設定合理的控制點數量。此外，在開展航線規劃過程中，應該根據工程的具體情況，認真做好飛行高度和航測路線的規劃工作，充分保證航測過程的飛行高度、畫面清晰度。如果整個飛行路線非常長，可以直接將飛行高度設定在300 m以上，并將規劃好的飛行路線導入飛控系統當中，并保證無人機飛控區域的凈空效果，提升無人機航測工作開展的安全性和準確性。最后，根據設計好的航測路線開展航測工作，直到最后獲得各種工程數據信息。

2.2 無人機航測內業處理

在開展無人機航測工作中，應該認真做好數據準備和解算工作。在開展數據準備工作中，應該能夠及時將航測數據導出來。及時對航拍位置和影像數據進行處理，及時對航向和旁向傾斜角進行調整，及時對航測數據進行處理，根據之前布設的控制點確定具體的坐標數據。在開展數據解算工作中，應該建立在新建項目基礎之上，直接導出無人機的相關數據，在數據位置上建立具體的坐標圖，與工程實際情況有效匹配起來，做好相關參數的處理和規劃工作，根據控制點位置選擇合適的坐標體系，最終完成數據處理工作[2]。

2.3 提升環境體驗的真實感

隨著傾斜攝影測量技術的不斷發展，其在三維城市建模中的應用不斷增加，通過對相關模型的合理應用，可以保證城市環境體驗感受。隨著城市化的高速發展，城市當中各種建筑的數量正在不斷增加，為了觀察其整體面貌，很多時候需要采用更加細微的角度，通過對傾斜攝影技術的應用，可以搭建一套地區模型，利用虛擬漫游技術觀察城市變化。為了提升虛擬空間的真實性，技術人員需要搭建一套三維數字模型，不僅可以營造一種身臨其境的感覺，還可以通過采用相關技術實現三維環境的還原，提升人們體驗感受。

2.4 改進城市建設

在城市高速發展的今天，越來越多的城市開始不斷升級城市的功能，智慧型城市已經成為主要發展方向。在制定城市發展規劃過程中，需要采用三維技術搭建智慧型城市，需要相關人員著重研究傾斜攝影技術，提升攝影測量水平，保證城市建設效果。在相關人員開展工作過程中，需要合理對傾斜攝影技術進行應用，通過將其應用到三維模型當中，有效實現相關信息的提煉，并利用電子信息完成三維建模工作，為后續開展城市建設奠定良好的基礎。

3 三維數字城市建模中無人機傾斜攝影機測量技術的應用

三維數字城市建模如圖1所示。在實際使用無人機傾斜攝影技術往前，相關人員應該明確各種影像數據信息的采集流程，認真做好周邊環境的探測工作，為后續開展航測工作奠定良好的基礎。在實際開展現場作業中，為了保證測量數據的準確性，需要認真做好控制點的挑選工作，合理選擇飛行航線。為了打造更加準確的模型，需要認真做好相關信息的收集工作，在得到控制點的平面坐標之后，再使用專業的測量儀器完成相關數據的測定工作。很多地形的外貌信息非常復雜，為了有效記錄相關信息，需要利用數碼相機對現場進行拍照，方便后續開展比對與查找工作。工作人員還可以直接遙控傾斜攝影技術來獲得跟蹤高程與地理紋理信息，攝影測量系統主要包括地面設備、傳輸系統、飛控系統與地面監控系統等。在實際開展拍攝前，需要能夠合理對航攝高度、飛行路線進行測量，根據相關規劃開展影像拍攝，然后及時調整拍攝后的數據，對數據整體質量進行檢查，然后對通過審核的信息進行預處理，最大程度保證數據信息的準確性。在航拍取得照片之后，就需要對各種航片數據信息進行排列，并對每張照片相機位置完成定位工作，然后根據定位情況對航片進行排列，并最終生成疏點云模型，然后根據稀疏點云模型計算特征點與連接點之間的關系表達式，并將最終的結果生成密集點云模型。傾斜攝影技術如圖2所示。

圖1 三維數字城市建模

3.1 影像匹配

在本次航拍作業過程中，使用了五向航拍技術，在影像匹配過程中需要在不同角度尋找相同的特征，其屬于最為基礎的圖像處理步驟，會對三維模型精度造成非常直接的影響。其影像特征主要包括幾何特征、顏色特征及紋理特征等，需要確定其在航片中的位置，并能夠以數字化的方式呈現出來，并利用相似性度量方法判斷同名特征是否匹配，然后利用空間變換模型進行求解計算，最終得到影像之間的幾何變換關系。在這個過程中，通常需要完成特征提取，會使用到SIFT算法，屬于一種非常主流的特征提取方法。其最為常用的點特征提取屬于不變量特征變換。SIFT算法在實際使用過程中，具有如下特點：①特征的穩定性相對較好，圖像在旋轉、平移和縮放過程中，并不會對匹配造成不良的影響，在視角變換和圖像噪聲處理中，也具有非常好的魯棒性。②可以完成多個維度信息的提取，能夠有效處理各種圖像特征的匹配。③整個算法相對比較復雜，對影像匹配計算量相對較大。

3.2 項目實施過程

為了有效探尋傾斜攝影技術在三維模型中的應用效果，相關人員專門開展了測量項目，有必要針對某圖書館建立必要的三維數字模型。在本項目中使用了多旋翼無人機，采用了5臺傾斜攝影模塊，無人機的飛行高度在100 m左右，航向的重疊度在65%，影像分辨率為0.02 m，受到無人機飛行時間的限制，試驗需要試飛2次，飛行航測路線為6條。

3.3 建模效果

在實際完成飛行測量工作后，取得了670張現場的圖片，通過使用專業軟件對這些圖片進行處理，直接得到了傾斜與垂直相關的影像數據。為了保證相關數據使用的準確性，在實際開展該項目前，相關項目監管人員專門開展了數據整合工作，對其中的數據嚴格進行了審查，并對發現的問題進行了處理，對相關數據信息進行了整合，為后續開展檢測工作奠定了良好的基礎。在完成初步建模之后，就需要對實景建模效果進行校驗，并對三維實景結果進行校正，其主要包括對重疊度和相機的位置誤差進行校正。通常情況下，照片覆蓋數目應該能夠達到9張以上，并通過特殊的數據處理提取出其中的各種數據信息。為了保證數據的精度，需要將相機的位置誤差控制在±3.5 cm的范圍之內，其誤差相對較低，能夠滿足對精度的一般要求。相機在X、Y向和Z向的經緯度總誤差在4 cm以內，可以保證足夠的定位精度（見表1）。

表1 平面相機位置點誤差

3.4 檢測DEM數據

在使用傾斜攝影測量技術完成航測數據的拍攝之后，工作人員需要及時開展DEM數據的檢測工作，及時發現該測試區域的高程點，然后根據相關公式計算相關數據的誤差。以某個高程數據為例，該檢查點的高程為40.4 m，在對數據進行校正之后，其高程數值為40.4 m，二者的差值為0.001 m。為了保證數據的可靠性，可以多取幾個測試點，經過與真實值進行比對，其誤差為-0.001 m和0.026 m，在獲得11組數據之后，得到的平均誤差值為0.042 m，該數值在標準誤差范圍之內，表明傾斜攝影技術應用的可行性，可以直接依靠相關數據完成圖像的拼接，不論是像數據還是影像都滿足實際要求[3]。

3.5 誤差改進措施

在實際采用無人機傾斜攝影技術過程中，技術人員發現不論采用何種技術，都會存在測試誤差，其中很大一部分來源于無人機自身的誤差，其內部帶有成像系統，成像會存在一定的畸變。在實際采用無人機飛行測量作業中，往往會受到天氣因素的制約，為了將誤差降低到合理的區間范圍，不僅需要保證檢測設備的使用精度，還需要合理選擇航拍模式，采用更加高效率的攝影技術獲得影像信息或者圖像信息，為開展三維城市建模工作奠定良好的基礎，提升城市測量工作效果。

4 結語

隨著城市的不斷發展，人們對開展三維測量作業提出了更高的要求。針對當前三維測量作業中出現的問題，測量人員應該引起足夠的重視，認真分析相關問題發生的原因，然后及時采取必要的措施，將先進的無人機測量技術應用其中，提升測量工作開展效率和質量。