城市戰場無人機傾斜攝影三維建模應用

張利龍 殷學豐 周宇羲

關鍵詞：城市戰場；無人機；傾斜攝影；三維建模

無人機傾斜攝影憑借先進的定位技術、豐富的影像信息和精準的地理信息，可實現快速、低成本、高效的空間測繪和三維建模，廣泛應用于城市規劃、搶險救災、資源勘察等多個領域。美陸軍利用先進的戰場無人機測繪技術，能夠在戰場上掃描、制作全動態視頻并繪制三維模型地圖，創建實時的城市戰場三維模型，具備較高的分辨率，以滿足單兵和較小作戰對城市戰場的測繪需求。

1 城市戰場面臨的挑戰

城市作為經濟科技中心必將成為未來戰爭的重要戰略打擊目標，特別是超大城市的龐大規模和沿海城市河流、水灣、港口等綜合復雜的戰場環境，需要具備登陸作戰、街道戰、垂直突擊戰等綜合作戰能力，構成了城市戰的重要挑戰。自古以來，各軍事家都避免直接在城市展開戰斗。公元前500年，孫子就說過“其下攻城”，稱用兵的下策是攻打城池。第二次世界大戰以后，各軍事學說都建議避開或繞過城市，避免在城市開戰。然而經濟科技發達城市必將成為未來戰爭的重點打擊對象，應緊前謀劃做好一系列作戰準備。從俄烏沖突中可以看出，幾乎所有知名的保衛戰和攻堅戰都是在城市或者圍繞著城市進行，這意味著城市作戰在未來戰爭當中將具有非常重要的戰略意義。

當前城市戰場的新形勢和軍事信息化背景下，城市精準定位打擊和特戰反恐、人質解救等作戰行動，傳統二維地形圖的空間地理展現不夠直觀立體，而實體沙盤缺乏可視化分析、全景式展現、人機交互等功能，也不便于戰場環境更新。利用城市三維地形圖，通過海量數據可視化和作戰行動要素分析，有利于輔助城市作戰指揮決策，構建虛擬仿真訓練場景。然而城市地域規模大、地形復雜，采用人工測繪建模、紋理制作等系列流程，需要耗費很大的人力、物力和時間成本，特別是在突發作戰場景需要時效性的情形下，需要一種快速、便捷的三維建模手段，來滿足當下面臨的三維地形圖構建需要。

2 三維建模技術及流程

無人機傾斜攝影通過搭載攝像頭獲取四個方位傾斜和正射影像數據，如圖1所示。數據包含POS數據、GPS數據、無人機飛行姿態、速度等信息，通過融合解析各方位數據信息，結合控制點坐標，自動完成空中三角測量，生成三維重建模型，適合建筑物較多、街道復雜的城市場景。

2.1 航攝參數

為了對基準地形建模，首先將目標飛行區域網格化，即根據一定精度劃分為投影等間距的曲面網格， 使得飛行區域內的地形在水平面上的投影切分為若干個小正方形單元[1]。根據測量區域和無人機航行范圍，合理分片劃分航行區域，同時規劃要充分考慮測區的地形環境，周邊山區及建筑物高度空間分布，以確保飛行安全。一般用作城市場景傾斜測量的精度要求，飛行高度選擇在50～100m之間，但按這個飛行高度無法完成超高建筑的傾斜攝影，無法滿足超高樓棟的航行重疊度，導致超高建筑模型質量差，飛行安全也難以保障。

城市建筑三維場景的難點是高低落差大，樓棟密度高，這些因素會導致傾斜攝影航行難度增加、安全風險高、建模效果差和精度低。為解決此問題，在進行無人機選型時，盡量選擇長焦距鏡頭無人機。本文選擇大疆M600pro無人機搭載的DG4pros進行測試，因為鏡頭焦距比一般傾斜鏡頭焦距長，以保證無人機在安全的高度，保障攝影分辨率和精度要求。同時全畫幅的鏡頭能在高密度的高樓棟飛行時，拍攝到更多角度，盡可能提升模型的重建精度和片區拼接質量。航攝前，選擇天氣晴朗、能見度大、風力較小的時間段進行航測，確保航飛數據采集準確。通常設置無人機飛行速度為3m/s，定時拍照2s/張，云臺角度30°左右。

無人機沿預設線路飛行時，相鄰航線之間的地物會在多個攝站中同時成像，即圖像會產生重疊，其中飛行方向上的重疊為航向重疊，相鄰航線間的重疊為旁向重疊。航向重疊又稱“縱向重疊”。在航空攝影中，由于相鄰像片是從空中不同位置拍攝的，隨著投影距離的變化，投影傾斜、地形起伏都會產生投影距離誤差，為保證航測的精度，應盡可能利用接近垂直投影的部分，這就要求保持部分航向重疊。在進行傾斜攝影測量時，為了保證拍攝質量，航向重疊度設置不低于80%，旁向重疊度設置為80%左右為宜。

2.2 模型實現

Context Capture軟件是Bentley公司收購的一款功能齊全的專業三維實景建模軟件，分為Viewer、Set?ting、Master、Engine四個程序端。Master是三維建模主模塊，主要完成導入數據、進行空中三角測量以及模型重建的功能；Engine是一個運行引擎，它不依賴Master主程序，可在執行數據處理時單獨運行；Setting 是中間媒介，幫助Engine指向任務的路徑，將Master 與Engine連接起來，主要任務是環境和運行設置以及幫助Engine任務的路徑；Viewer可預覽生成的三維場景和模型，基本建模流程如圖2所示。

1） 導入素材。從無人機導出五向飛行數據，新建工程名稱以英文或數字命名，素材保存路徑最好也是英文或數字。點擊添加影像，添加整個素材文件夾，導入五個方向飛行數據。2） 空中三角測量。待數據導入完畢，打開Engine運行引擎，點擊概要，提交空中三角測量。根據需要修改調整相關參數，無特殊需要一般默認即可，提交后等待系統自動分析測量數據，處理進度與計算機算力和圖形顯卡性能密切相關，建議選配專業的圖形工作站處理數據。3） 控制點刺點。對三角測量關鍵數據進行刺點，以提高測量精度和準確度。選擇測量添加控制點文件，選擇空間參考系統，輸入關鍵字搜索，找到對應的坐標系選擇控制點，在潛在匹配項選擇相應影像，長按中鍵拖動和鼠標左鍵拖動是移動相片，鼠標中鍵滾輪是放大、縮小，shift+鼠標左鍵刺點。數據量少的每個點刺6～8張，數據量大的每個點刺10～20張。刺點完畢，再次空中三角測量，等待運算完畢，查看質量報告。4） 三維重建。新建重建項目，選擇空間參考系統，與控制點的空間參考系統一致，也可以點擊編輯興趣區域。選擇切塊模式，一般選擇規則平面網格，處理設置選擇填充除瓦片邊界處以外的所有孔洞。5） 輸出模型。選擇三維網格選取OSGB、OBJ、FBX格式的數據，選擇輸出模型的坐標，等待建模完成，如圖3所示。生產模型可導入Unity3D、3Dmax 等平臺進一步開發或精修處理。

3 城市戰場三維建模應用

當前，信息革命進入加速和深化發展的新階段，大數據、物聯網、智能芯片等前沿科技不斷創新，人類社會正走向人機協同、萬物智能的智慧時代。未來戰爭形態也正向信息化智能化嬗變，需要研究把握未來信息化、智能化軍事發展的趨勢。城市在高速發展，城市三維場景需要不斷更新，它已經無法滿足信息化條件下對三維城市戰場立體模型的快速構建，以及海量數據可視化呈現和各項作戰行動要素的分析[2]。

3.1 空間測量與可視化分析

從城市作戰的地形圖需求出發，將模型加載在其他平臺，能夠快速實現模型瀏覽、測量、分析和標注，如假設某棟樓是敵占領點，通過空間測量和智能分析周圍環境，快速有效布控作戰點位和狙擊手；通過劃定區域通視分析，可快速判斷兩位置之間是否通視，同時可顯示空間距離，以供臨陣指揮決策提供有力輔助支撐。將城市重要位置如疏散出口、防空地點、港口、戰略目標等，在模型上以特定形式進行標注并涵蓋相關信息，便于作戰人員快速便捷熟悉城市戰場信息。為指揮員處置應急突發事件、正確分析情況、判定態勢定下決心，提供有力的支撐[3]。

3.2 虛擬仿真戰場環境

地理環境是戰場要素的載體和基礎，是作戰行動的展開區域，在虛擬戰場環境中的表現就是地形、戰斗模型、特殊效果模型等。特殊效果模型包括氣象要素模型和戰場效果模型，氣象環境在一定條件下起著確定作戰時刻表的作用，氣象要素模型在虛擬戰場環境中的表現為雨雪、沙暴、濃霧等天氣模擬效果；戰場效果模型包括煙霧、聲音、實時態勢等。戰斗模型包括單兵模型、車輛模型、無人機、戰斗機模型及任務目標，便于展示空間立體戰爭態勢，設計進攻路線、精準打擊路線等。

3.3 三維交互式電子沙盤

三維交互式電子沙盤是在傳統沙盤的基礎上融入了圖像處理、全息投影、智能分析等功能模塊，如圖4所示。相比傳統物理沙盤更加直觀生動，具有以下比較優勢：1） 可以準確地按比例還原物體形態，解決了傳統沙盤模型或電子地圖顯示全局時看不到細節，彌補了傳統沙盤模型的功能缺陷；2） 通過虛擬現實VR、人機交互融合運用，可以更加生動地模擬三維城市戰場環境，如同身臨其境帶來浸入式作戰體驗，作為模擬仿真訓練和戰場演訓活動的虛擬仿真場景，可以淬煉心理素質、鍛煉臨場反應能力與危機處理能力；3） 三維交互式電子沙盤更加系統化，具備信息檢索、分析和量算、設施立體化、屬性查詢、集成定位系統等更多的功能，能快速獲取關聯信息，適應戰場環境的實時性和多變性；4） 操作靈活、簡單、便于維護和修改，可進行任意縮放和漫游，對目標進行全方位的觀察分析，突破傳統沙盤占地面積大、攜帶不方便、表現內容單調且難以更新等缺點，相關技術更新快，可擴展性強。

4 小結

運用無人機傾斜攝影快速構建城市戰場三維建模，采用三維視圖與虛擬現實技術、人工智能相結合，實現全景式、超精細、超大范圍地形展示，以最優方式實現戰場環境可視化和戰場態勢顯示。同時提供視線分析、地形分析，在作戰瞬息萬變的環境中，快速適應轉變，真正做到運籌帷幄，決勝千里。