無人機傾斜攝影三維建模和應用

1 傾斜攝影技術優勢：

傾斜攝影技術優勢或者說最吸引用戶的，就是利用傾斜攝影技術可以全自動、高效率、高精度、高精細的構建地表全要素三維模型。

題目中“無人機傾斜攝影三維建模 和應用”有四重含義：一是無人機，二是傾斜攝影，三是三維建模，四是三維模型應用。

上述四個方面是傾斜攝影技術體系中最重要的內容，需要對每個方面都進行必要的研究，才能更好地推動傾斜攝影技術的進步和應用推廣。

傾斜攝影三維模型的質量主要取決于兩個因素：一是影像質量（影像地面分辨率和影像清晰度），二是照片數量（對同一區域的照片覆蓋度）。

從實際建模效果來看，要想獲得完整清晰、可供高精度量測的三維模型，建筑區傾斜影像的分辨率要達到2～3厘米、一般地區要達到5～6厘米，照片的平均覆蓋度要達到30度重疊以上。（注：這里可能只是項目當中的一些感悟總結，具體精度視項目需求而定）

》因此，多旋翼無人機是進行建筑區傾斜攝影的首選，一般地區的傾斜攝影則可選擇小型電動垂直起降固定翼無人機。

2.1 多旋翼無人機

先后調研、參與研制和使用了多款多旋翼無人機。四旋翼無人機因載荷指標不夠，可靠性極差，不滿足應用需求；六旋翼無人機在高頻次飛行作業時，經常出現非人為因素的故障，導致墜機或損壞，可靠性不 夠；八旋翼無人機有一定的動力冗余和飛行可靠性，可以提高作業的安全性和持續性，推薦使用。

八旋翼無人機的起飛重量應小于7公斤，作業續航時間20分鐘，使用遠景雙鏡頭擺動式傾斜攝影相機，每架次飛行可獲取有效面積0.3平方公里2厘米分辨率的照片約900張。

（注：飛機的選擇和使用沒有絕對，更多的是根據具體地理環境選擇合適的工具而已）

2.2 固定翼無人機

傾斜攝影飛行對固定翼無人機的基本要求是低空飛行、低速巡航、轉彎半徑小、操作便利、就近起降等。

使用油動固定翼無人機進行常規航空攝影，雖然飛行效率和性能都不錯，但使用和保養要求高，價格也居高不下。

近兩年市場上推出的電動/混合動力垂直起降固定翼無人機，無論是易用程度、單機價格、技術性能等方面，都有了較大的改進，使傾斜攝影技術可以在較大面積的三維建模方面發揮作用，有效地提高了傾斜攝影飛 行的作業效率。

考慮到操作便利、維修簡便、方便運輸、單機價格等綜合因素，推薦使用電動垂直起降固定翼無人機來進行一般地區的傾斜攝影飛行。

電動垂直起降固定翼無人機的有效載荷1～2公斤，續航時間60～90分鐘，相對飛行高度300米左右，影像地面分辨率5厘米。（視具體機型而定）

3 傾斜攝影相機：

固定式五鏡頭傾斜攝影相機是目前在無人機傾斜攝影中普遍使用的設備之一，它延續的是原來用在有人駕駛飛機上使用的傳統的五相機結構。

但對為什么一定要同時用五臺相機進行傾斜攝影的原理和技術卻鮮有研究，只能說“別人都是這么做的，一定有他的道理，我照著干就是了”。

為了探究傾斜攝影三維建模對照片方位和數量的要求，我們分別采用1臺和2臺相機，對同一區域采用多次飛行、交叉飛行的方法，模擬五鏡頭相機的方式，分別獲取下視、前視、后視、左視、右視的影像，并以不 同組合分別進行了三維建模試驗

用不同數量相機模擬五相機結構進行傾斜攝影試驗的主要結論如下：

1）建模效果與相機數量無關，但與照片數量和相鄰航線飛行的間隔時間相關；

2）下視相機不是必須的，因為真正射影像是由三維模型的正投影生成。下視相機的作用與其它方位相機的作用相似；

3）傾斜相機的角度在20～30度之間較為合適。45度傾斜角安置的相機的照片邊緣的分別率過低；

4）采用雙相機、三相位擺動結構的傾斜攝影系統綜合性價比最優。

雙鏡頭擺動式傾斜攝影系統僅用兩臺相機就達到了固定式五鏡頭相機的效果，系統結構簡單、成本低、重量輕、維修使用方便，是多旋翼無人機傾斜攝影的首選。

航天遠景公司的超輕型雙鏡頭二維擺動式傾斜攝影系統，由2個微單相機和1個二維擺動式云臺構成，總重量1.2公斤。

相機感光傳感器的尺寸不應小于APS-C，像素數量大于2400萬。

4 航線設計

如使用多旋翼無人機和雙鏡頭擺動式傾斜攝影系統進行建筑區2厘米分辨率的傾斜攝影，航線設計的基本要求是：

1）航攝分區盡量為矩形，航線沿矩形區域長邊方向敷設，實際飛行范圍應超出任務范圍1個航高，分區內地形高差小于1/2航高；

2）航線數量為雙數且不少于6條，單航線最大長度按多旋翼無人機有效續航里程的40%計算；

3）相對航高平均按100米設計，當航攝分區內有超過30米的建筑物時，最小相對航高應按100米加上建筑物高度計算；

4）航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于40%。（注：視相機參數和具體環境而定）

如使用雙相機和固定翼無人機對普通地區進行5厘米分辨率的傾斜攝影，航線設計的基本要求是：

1）航攝分區盡量為矩形，沿矩形區域長邊方向和短邊方向分別敷設航線，呈格網狀（按十字交叉飛行），實際飛行范圍應超出任務范圍1個航高，分區內地形高差小于1/2航高；

2）航線數量應為雙數且不少于6條，單航線最大長度按無人機有效續航里程的40%設計，最大長度不超過5500米；

3）相對航高平均按300米設計，最小相對航高應高于攝區內容其他構筑物100米以上；

4）航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于40%。（注：視相機參數和具體環境而定）

5 飛行作業

每個航攝分區應統一進行航線設計，用在同一航線設計文件中刪除多余航線的方法確定每架次的飛行參數文件。

外出作業至少應配備10組電池，或配置便攜式發電機現場充電，以提高作業效率。

無人機起降場地應盡量靠近攝區，以減少無效飛行距離。

作業小組123配置：1輛SUV汽車，2架多旋翼無人機，3名成員（地勤、飛手、助理）。

6 成果精度

傾斜攝影三維模型的建模精度與影像分辨率直接相關，一般為1:3左右。

傾斜攝影三維模型的平面量測精度和相對高程量測精度基本一致。

如果影像分辨率為2厘米，則三維模型的建模精度一般為5～10厘米，相應的量測精度也達到10厘米以內，與外業實測點的精度相當，遠高于1:500地形圖的精度。

如果影像分辨率為5厘米，則三維模型的建模精度一般為15～20厘米，相應的量測精度也達到20厘米以內，高于1:1000地形圖的精度。

7 全新認識：

7.1 已具備工程化條件

無人機和各類小型傾斜攝影系統的涌現，使得傾斜影像數據的獲取變得非常便捷。數據獲取的瓶頸已經破解，成本也將逐步降低。。

計算機集群、GPU、傾斜影像三維建模軟件技術的進步，使得三維建模的效率將大幅提升。

僅就目前情況來看，傾斜攝影三維建模工作所涉及的無人機、傾斜攝影系統、計算機集群、三維建模軟件等，已可以滿足批量化傾斜影像獲取和三維建模處理工作的要求，基本具備了工程化和規?；臈l件。

7.2 兩股道上跑的車

傾斜攝影技術及其無人機作業方法日漸成形，使得對現實世界的全要素三維重建變得高效可行。

傾斜攝影目前在測繪領域的主要用途是快速建立精細的地表三維模型，可以替代傳統的手工建模和“傾斜影像+激光掃描”的建模方法。

不宜將傾斜攝影技術與傳統攝影測量技術進行簡單對比，特別是不要就技術的優劣進行爭論，因為兩者是從不同的方向、以不同的方式、為不同的用途在做研究，僅僅是在目標三維模型的重建這一成果點上有些重合而已

傾斜攝影技術與攝影測量技術是“兩股道上跑的車，走的不是一條路”

傾斜攝影技術與攝影測量技術可以看成是在兩條路上跑的車隊，只是現在恰好在某處立交橋碰上了，但其實兩者的目的地是不同的，使用的車輛也是不同的。

7.3 顛覆式創新

不需要人工觀測，就能得到精細的三維模型和測量結果，這才是傾斜攝影技術“最致命”的優點。而這一點正是攝影測量幾十年來苦苦追求的目標。

傾斜攝影所構建的三維模型，可以替代航空攝影測量中的人工觀測，實現更高精度、更快速度的自動建模和智能測圖。

伴隨著這些變革，必然會對現有的技術、產品、市場、用戶、應用、商業模式等帶來沖擊和變化。

不要以傳統攝影測量方法和標準來衡量傾斜攝影技術和成果，唯一可行的方法應該是用成果進行對比和檢測。

傾斜攝影技術的發展和推廣，不僅僅使得空間信息從二維延伸到三維，更重要的是會給測繪領域帶來變革，也必將催生行業應用的變革。

傾斜攝影所構建的三維模型及三維空間信息服務平臺將成為行業應用的基礎空間信息支撐。

傾斜攝影三維建模將是今后一種普遍采用的三維建模和測繪方法，是測繪領域里的顛覆式創新模式。

無人機傾斜攝影技術的快速發展，使“全民測繪，按需測繪，動態測繪”成為可能。

7.4 無人機性價比

不宜過分強調和追求無人機平臺的可靠性，重要的是要考慮無人機及傾斜攝影系統作為數據采集工具的性價比，應該使用簡單、維修便捷、易于攜帶、價格便宜。

事實上，只要是無人機，遲早都會掉下來。如果“炸雞”的代價是一輛奔馳車，無論是單位還是飛手，都不愿意承擔這樣的損失。

我們希望符合規?；鳂I要求的“無人機+傾斜攝影系統”的市場價格在10萬元以內。希望無人機廠商和傾斜攝影系統廠商能在結構、工藝、零配件、成本等方面有所突破。

7.5 跟上時代步伐

傳統攝影測量與傾斜攝影技術是一個二維與三維博弈、最終三維將勝出的博弈過程。目前傾斜攝影還停留在推廣階段，主要是受限于當下的應用點以及行業規范。

傾斜攝影技術和成果并不完善，還在不斷試驗和演進中，傳統的工作流程和產品交付標準，也不是一年兩年能改變的，這需要一個過程。

對用戶而言，使用傾斜攝影技術，不要指望他能給節省費用，反而可能需要額外的投入。你做了是順應時代發展的步伐，花點學習成本，后面就有基礎了；你不做也沒關系，總是有人要落伍的，也總是有企業要落 伍的。

7.6 同行觀點

數據、平臺、服務是未來地理信息行業的三大主要內容，其趨勢是數據生產的集約化和應用服務的集成化。

數據內容將從二維平面擴展到“地上-地下，室內-室外”一體化的三維空間，并增加時間維度。

誰掌握三維全要素數據，誰就占據三維行業制高點。

具有精細化、可量測、真實感、高精度、對象化、更新快、定制化的三維地理信息，將成為行業應用和公眾服務的基礎支撐。

在大數據時代、智慧城市的時代，全息三維將是地理信息產業服務于智慧城市、大數據時代的有力武器。

7.7 實踐出真知

就傾斜攝影技術應用而言，大家都是新手，無知者無畏，高低之差主要在思路、實踐和經驗。

在傾斜攝影技術方面，專家比我們多的是背景知識，高手比我們能的是實際經驗，而做出成果才是王道。

傾斜攝影只是一種攝影方法，重要的是計算機視覺技術利用足夠數量和有足夠重疊度的傾斜影像實現了三維重建，因而就形成了傾斜攝影技術或傾斜攝影測量技術。

就用戶而言，關注點應放在已經得到的三維模型上，而不必過多關心其背后的獲取設備和技術細節。

8 存在問題

沒有國產工程化的傾斜影像三維建模集群處理軟件。

缺少國產的對OSGB等三維數據直接進行批量化生產編輯的軟件（國外也沒有）。

缺少對三維數據智能進行批量對象化處理的軟件工具。

海量傾斜影像三維模型的存儲、管理、發布、應用等存在不少技術難點。

多數用戶的應用系統還不能很好地接受和使用傾斜攝影所生成的三維模型。

因此，傾斜攝影三維模型也被貼上了“中看不中用”的標簽。