无人机倾斜摄影测量技术在智慧城市建设中的应用研究

宁利立

（北京中色地科测绘有限公司）

1 引言

近些年，我国城市化进程不断加快，而城市也逐渐成为了真正意义上的经济社会主导力量。在此背景下，劳动、资本、土地等传统意义上的城市增长驱动要素也逐渐转向了人才、知识、信息、技术等创新要素。换言之，城市发展更富创新活力，城市运行更具智慧性。智慧城市的新理念和新实践，已然成为国内外学术界和实业界所广泛关注的热点话题。我国也掀起了智慧城市的建设浪潮，而与智慧城市建设密切相关的城市测量技术也引发了全社会的讨论。本文将以无人机倾斜摄影测量实景真三维建模技术为主要研究对象，简要分析其在智慧城市建设中的应用。

2 无人机倾斜摄影系统介绍

倾斜摄影可通过同一平台搭载多台传感器，同时从垂直、侧视等不同角度进行影像采集。无人机倾斜摄影系统的飞行平台是无人机，任务设备则为倾斜摄影相机。相较而言，传统航空摄影仅能从垂直角度进行拍摄。因此在航空影像获取中，无人机倾斜摄影系统可有效弥补传统航空摄影的不足。但无人机倾斜摄影系统对飞行平台与倾斜相机的性能有一定的要求。

2.1 飞行平台的性能要求

目前，测量行业中应用的无人机种类非常多，按照动力系统可将其分为电池动力和内燃机动力两种，按照飞行实现方式则可分为固定翼与旋翼。电池动力无人机的成像质量优于内燃机动力，而固定翼的作业效率和续航时间则明显优于旋翼，但旋翼的飞行稳定性则优于固定翼。针对不同用途的无人机，其性能标准也不一样。测绘型无人机对飞行标准有着更高的要求，可针对其载重、安全性、抗风等级、巡航速度、续航时间以及实用升限等内容做出限定。如无人机最低载重为2kg，实用升限能达到1000m以上，但海拔高度不应低于3000m，抗风性要求不应低于4级风速；电池动力续航时间应大于25min，内燃机动力续航时间则应大于1h；多旋翼巡航速度应大于6m/s，而固定翼的巡航速度则应大于10m/s。

2.2 倾斜相机的性能要求

倾斜摄影系统其主要包括双镜头、三镜头、五镜头等多镜头相机以及可对相机拍摄角度进行调整的单相机系统，而获取不同角度影像的能力和单架次作业的广度与深度是倾斜相机的关键技术指标。在利用无人机进行航空测量时，相机像素不得低于3500万，由于倾斜摄影主要是对一次曝光获取的影像像素进行控制，因此不可对单一相机的像素加以限定。至于倾斜相机的性能要求，我们可从其作业时间、续航时间、曝光功能以及获取影像能力、POS记录功能等方面作出限定。尽管倾斜摄影一次曝光所采集的像素越高越好，但应对设备成本加以充分考量。一般而言，单个镜头像素不应低于2000万，一次曝光像素则不应低于1亿。相机作业时间需至少满足90min，为满足特殊测量作业的需求，有些相机最好具备全天候作业能力。此外，有定点曝光功能的相机才能满足影像重叠度的要求。

3 无人机倾斜摄影测量技术在智慧城市建设中的应用——以燕郊为例

3.1 燕郊智慧城市建设现状

燕郊镇是国家高新技术开发区，在数字城市、智慧城市建设、智慧管网建设方面一直处于国内领先地位，为燕郊智慧城市建设了详实、可靠的数据。下面笔者将基于燕郊智慧城市建设研究无人机倾斜摄影测量技术和其应用可行性。

3.2 技术路线与作业流程

3.2.1 技术路线

飞行平台、飞控系统、地面监控系统、地面保障设备以及任务设备、数据传输系统等组成了无人机倾斜摄影测量系统。飞行平台的主要功能在于搭载任务设备与进行航摄飞行；飞控系统的主要功能在于为无人机提供导航、定位和自主飞行控制；地面监控系统对无人机的高度、空速、低速、方位以及航向、航迹和飞行姿态等飞行数据进行接收、存储、显示与回访。任务设备即倾斜摄影相机，其主要任务在于获取并存储各类型航摄影像；地面监控系统与飞行控制系统及其他机载设备之间均通过数据传输系统进行数据和控制指令传输。此外，为保证无人机航摄作业的安全性与有效性，还需设置地面保障设备提供基本保障。

3.2.2 作业流程

首先对任务区域内的行政区数据、高程数据和遥感影像数据等进行收集与分析，选择适合的无人机系统，确定相对航高与航摄路线，并应选择合适的天气进行航摄。在航摄实施阶段，首先需按照预先设置好的航摄路线和时间前往现场进行实地勘探，确定好起降点后再执行飞行。飞行过程中一定要做好飞行控制工作，飞行结束后应对接收数据进行整理与检查，对不符合要求的数据进行补飞或重复飞行。

3.3 三维建模流程

依据无人机倾斜摄影测量系统获取的有效原始影像和POS数据，制作城市实景真三维模型流程如下：

1）对数据质量进行检查，查看原始影像的亮度、饱和度与色相，对数据进行预处理；

2）利用校验场或CORS站校验POS系统，对POS数据进行解算，获得每张航片的较精确的外方位元素；

3）利用POS数据、像控点数据以及影像数据开展空中三角测量，进行控制点加密处理，获得精确的外方位元素；

4）利用空中三角测量加密处理成果结合垂直影像、倾斜影像数据，运用影像密集匹配技术生产出DSM数据；

5）利用预处理和增强处理后的影像数据进行DSM数据纹理映射，将像素级别的分辨率纹理映射到实景DSM数据表面，利用软件一键式生成初级全要素的城市实景真三维模型；

6）为保证城市三维模型更为精细化，对模型数据进行补漏与修改；

7）检查并验收模型成果，符合要求后方可提交。

目前用于进行三维建模处理的软件较多，本研究选取了ContextCapture这一全自动三维建模处理软件对燕郊智慧城市建设中的实景真三维模型进行制作。这一软件仅需简单的照片即可生产具有高分辨率的真实三维模型，数据处理速度快，无须人工干预，所制作的三维模型极具真实感。本项目中的无人机系统共配备有一个垂直镜头、四个倾斜镜头，获取任务区不同角度的原始影像数据，运用ContextCapture所具备的快速三维场景运算功能，重构了地面景物的实景模型，全要素的城市地上实景真三维模型建设目的得以实现（图1）。

图1 实景真三维模型效图

4 结束语

较之传统航摄测量方式，无人机倾斜摄影测量影像精度更高，所制作出的模型也更加精细化、真实化，因此其可很好地满足智慧城市建设对实景真三维模型的需求。三维模型构建完成后，我们可通过其与地下管线应用系统的结合，借助GIS技术、可视化以及三维仿真技术建成具有查询分析、地下管线三维空间展示、漫游等功能的系统，进而可为智慧城市建设提供科学有力的数据。