无人机测量在三维模型建设方面的应用

2022-02-20赵豪

企业科技与发展 2022年10期

关键词：建模摄影测量

赵豪

（福建山和科技有限公司，福建福州 350000）

通过在工程建设当中构成必要的三维模型，可以在工程建设质量和效率中发挥应有的作用。为了能够保证建模效果，可以将无人机技术与倾斜摄影技术有效结合起来，通过测量技术构建三维模型，在这个过程中需要保证传感器中问题信息的精度，保证相关数据传输效率。

1 三维数字化模型建设中无人机倾斜摄影测量技术的基本内容

（1）倾斜摄影技术属于一种非常先进的技术，通过应用飞行平台完成相关摄影工作。在实际摄影中，技术人员需要采用多角度摄影，如倾斜与垂直等，将物体的各类信息有效呈现出来，保证相关信息的准确性和全面性，避免单一角度拍摄带来的各种问题。

（2）技术人员在开展特征提取工作过程中，需要对各种影像信息合理进行应用，合理对图形类型进行划分，通过独立点和相连曲线完成归类工作，并及时提出其中控的相关信息，实现与测量区域情况的结合，从而有效提取出其中的固定位置[1]。

（3）在开展无人机倾斜摄影测量过程中，需要技术人员合理对相关影像进行融合，利用同名点完成相关内容的识别工作，并配合相关算法完成数字影像的识别。通过视觉计算与图像融合有效结合起来，完成相关目标的检测工作，从而最终完成相关准备工作。随着倾斜摄影测量技术的不断发展，其在摄影测量、地图学和遥感技术中的应用不断增加，技术使用非常灵活。通过与内部特征点匹配与测量，可以让DOM、CEM数字与匹配点的分辨率有效联系起来，不同的测量影像特征需要对应不同的匹配算法。

2 三维数字城市建模中无人机倾斜测量技术的应用

无人机航测是传统航空摄影测量手段的有力补充，具有机动灵活、高效快速、精细准确、作业成本低、适用范围广、生产周期短等特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势。随着无人机与数码相机技术的发展，基于无人机平台的数字航摄技术已显示出其独特的优势，无人机与航空摄影测量相结合使得“无人机数字低空遥感”成为航空遥感领域的一个崭新发展方向，无人机航拍可广泛应用于国家重大工程建设、灾害应急与处理、国土监察、资源开发、新农村和小城镇建设等方面，尤其在基础测绘、土地资源调查监测、土地利用动态监测、数字城市建设和应急救灾测绘数据获取等方面具有广阔前景。

2.1 无人机航测外业流程

在开展无人机外业流程过程中，需要认真做好各种控点的布设工作，然后对航测线路进行规划，最后再开展航测作业。在开展工程空中点布设过程中，由于地势环境比较复杂，直接使用传统测量技术，难以保证测量精度，需要采用无人机航测技术，利用1∶2 000的比例尺进行测量，然后使用先进的科学技术完成工程点的布设工作，通常需要每隔300 m布置一个控制点，并根据工程的实际情况设定合理的控制点数量。此外，在开展航线规划过程中，应该根据工程的具体情况，认真做好飞行高度和航测路线的规划工作，充分保证航测过程的飞行高度、画面清晰度。如果整个飞行路线非常长，可以直接将飞行高度设定在300 m以上，并将规划好的飞行路线导入飞控系统当中，并保证无人机飞控区域的净空效果，提升无人机航测工作开展的安全性和准确性。最后，根据设计好的航测路线开展航测工作，直到最后获得各种工程数据信息。

2.2 无人机航测内业处理

在开展无人机航测工作中，应该认真做好数据准备和解算工作。在开展数据准备工作中，应该能够及时将航测数据导出来。及时对航拍位置和影像数据进行处理，及时对航向和旁向倾斜角进行调整，及时对航测数据进行处理，根据之前布设的控制点确定具体的坐标数据。在开展数据解算工作中，应该建立在新建项目基础之上，直接导出无人机的相关数据，在数据位置上建立具体的坐标图，与工程实际情况有效匹配起来，做好相关参数的处理和规划工作，根据控制点位置选择合适的坐标体系，最终完成数据处理工作[2]。

2.3 提升环境体验的真实感

随着倾斜摄影测量技术的不断发展，其在三维城市建模中的应用不断增加，通过对相关模型的合理应用，可以保证城市环境体验感受。随着城市化的高速发展，城市当中各种建筑的数量正在不断增加，为了观察其整体面貌，很多时候需要采用更加细微的角度，通过对倾斜摄影技术的应用，可以搭建一套地区模型，利用虚拟漫游技术观察城市变化。为了提升虚拟空间的真实性，技术人员需要搭建一套三维数字模型，不仅可以营造一种身临其境的感觉，还可以通过采用相关技术实现三维环境的还原，提升人们体验感受。

2.4 改进城市建设

在城市高速发展的今天，越来越多的城市开始不断升级城市的功能，智慧型城市已经成为主要发展方向。在制定城市发展规划过程中，需要采用三维技术搭建智慧型城市，需要相关人员着重研究倾斜摄影技术，提升摄影测量水平，保证城市建设效果。在相关人员开展工作过程中，需要合理对倾斜摄影技术进行应用，通过将其应用到三维模型当中，有效实现相关信息的提炼，并利用电子信息完成三维建模工作，为后续开展城市建设奠定良好的基础。

3 三维数字城市建模中无人机倾斜摄影机测量技术的应用

三维数字城市建模如图1所示。在实际使用无人机倾斜摄影技术往前，相关人员应该明确各种影像数据信息的采集流程，认真做好周边环境的探测工作，为后续开展航测工作奠定良好的基础。在实际开展现场作业中，为了保证测量数据的准确性，需要认真做好控制点的挑选工作，合理选择飞行航线。为了打造更加准确的模型，需要认真做好相关信息的收集工作，在得到控制点的平面坐标之后，再使用专业的测量仪器完成相关数据的测定工作。很多地形的外貌信息非常复杂，为了有效记录相关信息，需要利用数码相机对现场进行拍照，方便后续开展比对与查找工作。工作人员还可以直接遥控倾斜摄影技术来获得跟踪高程与地理纹理信息，摄影测量系统主要包括地面设备、传输系统、飞控系统与地面监控系统等。在实际开展拍摄前，需要能够合理对航摄高度、飞行路线进行测量，根据相关规划开展影像拍摄，然后及时调整拍摄后的数据，对数据整体质量进行检查，然后对通过审核的信息进行预处理，最大程度保证数据信息的准确性。在航拍取得照片之后，就需要对各种航片数据信息进行排列，并对每张照片相机位置完成定位工作，然后根据定位情况对航片进行排列，并最终生成疏点云模型，然后根据稀疏点云模型计算特征点与连接点之间的关系表达式，并将最终的结果生成密集点云模型。倾斜摄影技术如图2所示。

图1 三维数字城市建模

3.1 影像匹配

在本次航拍作业过程中，使用了五向航拍技术，在影像匹配过程中需要在不同角度寻找相同的特征，其属于最为基础的图像处理步骤，会对三维模型精度造成非常直接的影响。其影像特征主要包括几何特征、颜色特征及纹理特征等，需要确定其在航片中的位置，并能够以数字化的方式呈现出来，并利用相似性度量方法判断同名特征是否匹配，然后利用空间变换模型进行求解计算，最终得到影像之间的几何变换关系。在这个过程中，通常需要完成特征提取，会使用到SIFT算法，属于一种非常主流的特征提取方法。其最为常用的点特征提取属于不变量特征变换。SIFT算法在实际使用过程中，具有如下特点：①特征的稳定性相对较好，图像在旋转、平移和缩放过程中，并不会对匹配造成不良的影响，在视角变换和图像噪声处理中，也具有非常好的鲁棒性。②可以完成多个维度信息的提取，能够有效处理各种图像特征的匹配。③整个算法相对比较复杂，对影像匹配计算量相对较大。

3.2 项目实施过程

为了有效探寻倾斜摄影技术在三维模型中的应用效果，相关人员专门开展了测量项目，有必要针对某图书馆建立必要的三维数字模型。在本项目中使用了多旋翼无人机，采用了5台倾斜摄影模块，无人机的飞行高度在100 m左右，航向的重叠度在65%，影像分辨率为0.02 m，受到无人机飞行时间的限制，试验需要试飞2次，飞行航测路线为6条。

3.3 建模效果

在实际完成飞行测量工作后，取得了670张现场的图片，通过使用专业软件对这些图片进行处理，直接得到了倾斜与垂直相关的影像数据。为了保证相关数据使用的准确性，在实际开展该项目前，相关项目监管人员专门开展了数据整合工作，对其中的数据严格进行了审查，并对发现的问题进行了处理，对相关数据信息进行了整合，为后续开展检测工作奠定了良好的基础。在完成初步建模之后，就需要对实景建模效果进行校验，并对三维实景结果进行校正，其主要包括对重叠度和相机的位置误差进行校正。通常情况下，照片覆盖数目应该能够达到9张以上，并通过特殊的数据处理提取出其中的各种数据信息。为了保证数据的精度，需要将相机的位置误差控制在±3.5 cm的范围之内，其误差相对较低，能够满足对精度的一般要求。相机在X、Y向和Z向的经纬度总误差在4 cm以内，可以保证足够的定位精度（见表1）。

表1 平面相机位置点误差

3.4 检测DEM数据

在使用倾斜摄影测量技术完成航测数据的拍摄之后，工作人员需要及时开展DEM数据的检测工作，及时发现该测试区域的高程点，然后根据相关公式计算相关数据的误差。以某个高程数据为例，该检查点的高程为40.4 m，在对数据进行校正之后，其高程数值为40.4 m，二者的差值为0.001 m。为了保证数据的可靠性，可以多取几个测试点，经过与真实值进行比对，其误差为-0.001 m和0.026 m，在获得11组数据之后，得到的平均误差值为0.042 m，该数值在标准误差范围之内，表明倾斜摄影技术应用的可行性，可以直接依靠相关数据完成图像的拼接，不论是像数据还是影像都满足实际要求[3]。

3.5 误差改进措施

在实际采用无人机倾斜摄影技术过程中，技术人员发现不论采用何种技术，都会存在测试误差，其中很大一部分来源于无人机自身的误差，其内部带有成像系统，成像会存在一定的畸变。在实际采用无人机飞行测量作业中，往往会受到天气因素的制约，为了将误差降低到合理的区间范围，不仅需要保证检测设备的使用精度，还需要合理选择航拍模式，采用更加高效率的摄影技术获得影像信息或者图像信息，为开展三维城市建模工作奠定良好的基础，提升城市测量工作效果。