基于无人机技术构建三维实景智慧园区的应用研究

马德明，付 帅，任宁宁，付 蓉，王廷刚

（兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730207）

1 相关技术介绍

1.1 无人机技术及其在地理信息数据采集中的应用

无人机技术是指通过遥控或自主控制的方式操纵无人飞行器进行目标实现的技术。随着科技的发展和不断完善，无人机已经成为一种高效准确的地理信息数据采集工具。无人机可以配备多种传感器，如摄像头、激光雷达等，可在较短时间内获取较为丰富的地理信息数据。例如，在城市规划中，无人机可快速准确地获取现场三维坐标信息，以及建筑物、道路、绿化、水系等地理信息，对城市规划有着非常重要的指导意义。在地理信息采集中，无人机可以完成很多传统方法难以完成的任务，例如，对危险地形区域的调查、对大片森林的监测等。相较于传统的地面测量，无人机具有高效、节省人力和物力、定位精度高等优点，不仅能够减少人力资源和时间成本，还能保证数据的准确性和完整性。然而，无人机也存在一些局限性，如受限于电量和载荷的限制，其持续飞行时间和承载能力亟待提升[1]。

1.2 三维激光扫描技术及其在三维建模中的应用

三维激光扫描技术是一种利用激光、光学技术，将物体表面的三维几何信息数字化的技术。通过三维激光扫描技术可以快速、高精度地获取物体表面的三维坐标数据，其应用范围非常广泛，包括工业设计、工程制作、文化遗产保护、医学等领域。其中，在三维建模方面，三维激光扫描技术也具有广泛的应用。在三维建模中，传统的建模方法需要手动测量并记录物体的各种参数和数据，然后再进行建模。而采用三维扫描技术可以直接获得物体的三维坐标数据，快速、精确地完成三维建模过程。此外，三维激光扫描技术还能够捕捉物体的表面细节，可以更加真实地展示物体的形态和外貌，使得建模结果更加逼真。

1.3 智慧园区概念、特点和发展趋势

智慧园区是应用物联网、人工智能、大数据分析等技术，将园区内的各种信息、设备、系统等有机融合，实现管理和服务智能化的一种新型城市空间。智慧园区具有多元化、智能化、可持续性和开放性等特点，可以广泛应用于生态环境保护、交通运输、城市安全、公共服务等多个领域。在未来，智慧园区的发展趋势主要有数据价值化、产城融合、数据安全和开放合作等方向。智慧园区将通过数字技术等手段，提升城市的生产力和管理效率，推动城市可持续发展，成为未来城市发展的重要形态。

2 基于无人机技术的三维实景智慧园区构建流程

2.1 数据采集及处理阶段

2.1.1 无人机飞行路径和参数优化

无人机飞行路径和参数优化是无人机应用领域中的重要研究方向之一。在实际应用中，针对不同的任务需求和环境情况，可以设置不同的飞行路径和参数，并通过优化来提高飞行效率和任务执行能力。对于飞行路径的设置，一般分为固定路径和动态路径两种模式。固定路径模式适用于需要按照预设的路径进行巡检或调查的任务，如工业园区或城市街道的巡检等。在这种模式下，可以通过预设的飞行路径来实现自主飞行，同时可以利用遥控器等方式进行手动控制。而动态路径模式则适用于需要根据实时变化的环境情况进行调整的任务，如搜索救援、灾害评估等。在这种模式下，无人机可以根据任务需要实时调整飞行路径，以提高任务执行效率和准确性。本研究由于是针对高层建筑的巡检，我们可以采用固定路径模式，设置一个环绕全建筑的长方形飞行路径。在具体实践中，这个路径可以由预设的GPS坐标点、标志物等进行标记。在参数设置与优化方面，首先，我们需要确定无人机巡检时的最佳速度。在此条件下，需要考虑到任务时间和空气阻力两个因素。假设我们将无人机的速度设置为6米/秒，这能够在30分钟内完成全面的巡视任务；如果将速度提高到8米/秒，则只需要20分钟就可以完成任务。但是，速度过快会导致空气阻力增大、飞行稳定性降低等问题，因此需要适当平衡速度和其他因素。其次，我们需要确定无人机巡检时的最佳高度。在此条件下，需要考虑图像分辨率和安全性两个因素。假设我们将无人机的高度设置为50米，这在保证图像清晰度的同时也足够避免撞击高层建筑物。同时，也需要考虑天气和风力等环境因素，根据实际情况进行适当调整[2]。

2.1.2 影像数据处理及拼接

影像数据处理及拼接是无人机应用中非常重要的一步。经过摄像头拍摄得到的多个影像片段需要进行处理和拼接，以得到全景图或三维模型等更有价值的结果。在影像处理中，首先需要对原始影像进行预处理，包括镜头畸变校正、图像去噪和颜色校正等。这可以提高影像质量，减少后续处理所需时间。其次，将预处理后的影像进行分割，按照场景、拍摄角度等因素进行分组，方便后续处理。再次，对每组影像进行特征提取，例如提取出每张影像的SIFT特征点等。第四，对特征进行匹配，得到影像之间的对应关系，并进行对齐操作，使不同影像的角度、尺度、光照等因素保持一致。最后，对已对齐的影像进行融合，得到一个完整的全景图或三维模型。在拼接过程中，首先需要将多张影像在水平方向进行拼接，得到一张覆盖范围更广、角度更宽的全景图。其次，还需要将不同角度或高度拍摄得到的影像进行立体拼接，得到一个三维模型。需要说明的是，拼接过程中可能会出现一些问题，如图像重叠度低、光照变化等，这需要通过对数据进行分析和优化来解决。

2.1.3 三维建模及质量检验

本文中的三维建模需求是对某地区进行高精度建模，包括地形数据和建筑物模型等信息，采用的数据包括无人机拍摄的影像数据和激光雷达测量得到的点云数据。具体的建模方式包括对影像数据进行畸变校正和颜色校正，利用激光雷达测量得到的点云数据进行密集匹配，将点云数据转换成三角面片从而得到表面拓扑结构的三维建模结果，结合数字高程模型得到高精度的地形数据建模，通过在已有建筑物数据库中查找相关信息，将建筑物模型嵌入到三维建模结果中，从而得到高精度的建筑物模型。针对这些建模结果，可以采用四元数测量、最小二乘法以及局部误差检测等方式进行质量检验，评估地形数据和建筑物模型的精度、正确性、稳定性和拟合度，提高建模结果的精度和可靠性。

2.2 平台开发及应用阶段

2.2.1 智慧校园App服务平台设计

智慧园区App服务平台通过无人机低空倾斜摄影测量技术、Context Capture软件平台、高清数码五拼相机系统等技术，并结合5G技术实现在线浏览三维实景智慧校园的功能。该平台具体实现的功能包括：通过5G技术实现远程查看实时监控视频、绘制电子围栏等安全防护措施、实时查询公共设施使用情况、导航到目的地、在线查看校园地图、查询教学楼、宿舍楼等建筑物信息，以及实现听取语音讲解等多种功能。同时，该App平台也提供在线反馈建议和问题解决服务，以提升用户体验。

2.2.2 多元化属性与语音讲解功能实现

多元化属性和语音讲解功能是三维实景智慧校园服务平台的重要组成部分。为了实现这些功能，该平台采用了多种技术，包括语音识别、人工智能、自然语言处理等。在实现多元化属性方面，该平台利用无人机低空倾斜摄影测量技术进行影像数据采集，通过Context Capture软件平台实现影像数据处理，并生成高精度、高清晰度、高分辨率的数字正射影像图（DOM）和三维实景模型。通过对这些数据进行标注和分类，平台实现了对建筑物、道路、绿化等多种属性的标注和查询功能。为了方便用户使用，平台还提供语音导航、搜索、评论等功能。在实现语音讲解功能方面，平台采用语音识别技术和自然语言处理技术。用户可以通过平台上的语音识别功能进行语音提问和语音控制，平台通过将用户的语音转换为文本形式，再采用自然语言处理技术进行文本分析，最终完成相应的操作或回答用户的问题。

2.2.3 智慧园区应用场景分析与实践

智慧园区应用场景非常广泛，可以应用于校园、工业园区、城市公共空间等多种场景。在校园应用方面，智慧园区可以通过建立实时监控系统、电子围栏等安全防范措施，提高校园安全性；同时，实现公共设施的在线查询和使用情况监测，提升设施利用率；并且利用三维实景技术，为师生提供更加可视化、直观化的校园导航服务。在工业园区应用方面，智慧园区可以应用物联网、大数据等技术，实现设备监测、生产自动化、能源管理等功能，提高工业园区效益和管理水平。同时，通过三维实景技术，可以实现园区规划设计、建筑物检测、安全巡检等功能，提高工业园区的可持续发展能力。综上，智慧园区在各个应用场景中都具有广泛的应用前景。通过运用多种技术手段，如物联网、大数据、三维实景等，可以实现对校园、工业园区的全方位监测、管理和服务，提高效率、降低成本、提升用户体验[3]。

3 板块应用案例分析

以某高校校园为例，其针对智慧园区建设，利用物联网和人工智能技术，实现了多个板块的应用。首先，针对安全防范板块，该校采用了智能安防系统，在校园内部和周边设置多个安防监控点，使用大数据分析技术进行实时监测和预警，提高了校园安全保障水平。其次，针对教学与科研板块，该校利用物联网技术实现了智能化的实验室管理，通过传感器对实验设备进行实时监测、维修和管理，实现了实验室的自动化运行。同时，该校还开发了线上教学平台，实现了在线教学、在线作业等功能，提高了教学效率和体验。再次，针对生活服务板块，该校采用了移动支付、智能门禁等技术，为师生提供了便捷的校园生活服务。同时，该校采用了三维实景技术，建立了校园数字化平台，为师生提供准确的地图位置、景点浏览等服务。以上各个板块应用案例的实现，为该高校打造智慧园区提供了有效的管理和服务手段，优化了校园环境，提升了教学质量和师生体验。

4 结束语

随着科技的不断进步，智慧园区App服务平台已经成为推动校园现代化建设的重要工具。通过三维建模和质量检验等技术手段，智慧园区App服务平台可以让用户在在线浏览三维实景智慧校园时获得更高精度和可靠性的信息。同时，智慧园区App服务平台还结合无人机低空倾斜摄影测量技术、激光雷达测量以及语音识别和自然语言处理技术等新兴技术，为用户提供更加便捷、快速的使用体验。

未来，智慧园区App服务平台还将继续发挥其在校园现代化建设中的重要作用，不断完善平台功能，提升服务水平。同时，随着学生对于校园环境和信息的需求逐渐增加，智慧园区App服务平台也将不断探索新的技术手段和应用场景，为广大用户提供更多元、丰富的校园服务。■