无人机倾斜摄影应用和发展趋势研究

无人机倾斜摄影应用和发展趋势研究

徐磊 宋俊华 刘保坤

32022部队 湖北 武汉 430070

摘要：倾斜摄影是近年来国际测绘领域发展起来的一项高新技术，它颠覆了正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直和四个倾斜等五个不同角度来采集影像，从而将用户引入一个符合人眼视觉的真实而直观的世界。本文首先阐述了无人机倾斜摄影技术的概述及其特点，并详细探讨了无人机倾斜摄影模型的应用与发展趋势。

关键词：无人机；倾斜摄影；应用

近年来,随着无人机技术、倾斜摄影技术及三维建模技术的发展,基于无人机倾斜影像的快速三维建模已成为测绘领域的一项新技术。与传统三维建模方法相比，无人机倾斜摄影测量技术在高清晰度像片自动匹配建模技术上，改变了常规模式带来的许多弊端，实现了快速、自动并一体化地构建城市三维模型，极大地降低了建模的成本，显著提高了生产效率，其应用优势明显。

一、目的及背景

广义的倾斜摄影技术指通过无人机搭载一个或多个高清可见光摄像头，在被测物体正上方同时以不同的倾斜角度采集影像，后期结合每张影像图片的POS(经纬度)信息，通过影像处理软件进行空三解算后形成实景三维建模。目前常用设备是由一个垂直、四个倾斜五个不同的传感器组成的五拼相机或两个不同角度放置的微单相机，通过轻型固定翼或多旋翼无人机搭载进行航测。由于飞行高度及电力线的线性结构，高像素的五拼相机采集的倾斜式摄影数据也无法还原出导线三维模型，数据分析人员需要通过在同时拍摄的多角度照片中选取控制点确认导线走势，描绘出相对真实的导线位置，这种分析手段通过一定人工干预后得到地面信息能满足相关要求精度。

然而，多相机的倾斜摄影数据采集设备价格贵、重量高、数据量大，且需要较大的无人机搭载，导致前期采集时设备在山区运输组装难度大，后期数据处理时间长，从而影响通道巡视效率。目前，对轻量化、价格实惠、操作简便的无人机倾斜摄影系统需求迫切。

二、无人机倾斜摄影技术的概述

1、无人机技术。无人机运行原理是通过无线电遥控与制动程序对无人飞机或飞行器进行控制，无人飞机主要包括固定翼、直升机、多旋翼及飞艇等。具备机动、经济及快速等优点。

2、倾斜摄影技术。倾斜摄影技术近年来发展迅速，它改变了遥感正射影像只能从垂直角度获取的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台(2台以上)摄影镜头，同时从多个不同的角度采集影像，通过后期软件对获取的信息进行分析、处理、建模，最终向用户展现真实的实景数据，让用户仿佛置身于真实世界。

三、无人机倾斜摄影测量发展现状

在国外，无人机通常会加载高精度POS，后期数据处理自动化程度高，但购买费用较高。在国内，早期的无人机倾斜摄影测量技术主要用汽油机动力固定翼无人机搭载非专业航测相机进行，例如利用佳能5D等进行航拍，主要用于DEM、DOM及区域范围DLG的生产。

随着无人机技术迅猛发展，电动固定翼、多旋翼及动力三角翼等新型低空飞行器逐渐应用于测绘行业。倾斜摄影测量系统在国外发展较早，例如天宝公司的AOS系统等，主要基于大飞机采用专业的航空倾斜相机进行航拍，获取地面多视角的影像信息。在国内，研发出的SWDC-5是国内第一台专业航空倾斜相机。当前，将无人机技术与微型倾斜摄影技术有效结合进行低空无人机倾斜摄影测量已成为新兴的研究热点。例如，北京红鹏天绘科技有限责任公司研发的微型无人机倾斜摄影系统可对特定区域进行快速三维建模，并为测绘、规划、应急、公安、旅游文化等行业提供低廉、高效、敏捷的数据支持与服务，提高了精细三维数据灵活快速的获取能力。

在无人机倾斜摄影数据后处理方面，国外软件的自动化程度较高，例如法国像素工厂的Pixel Factory等；国内较为成熟的软件有Pixel Grid、DP Grid等系统及武汉航天远景科技有限公司的DAT Matrix，均支持无人机影像数据，可进行空三加密和后期4D产品生产。目前，基于无人机倾斜影像进行快速三维建模的软件，国外主要有空客防务与空间-地理信息公司的Street Factory，法国Acute 3D公司的Smart 3D等，它们通过导入相关原始数据即可自动生产三维模型；而国内目前尚无该类全自动建模软件，但有很多积极有效的实践，例如武汉天际航信息科技有限公司开发的DP-Modeler可实现基于倾斜影像的高精度手工建模。

四、无人机倾斜摄影测量技术特点

1、反映地物实际情况并且能对地物进行量测。被测地形的位置、外观和高度等三维数据信息可通过无人机倾斜摄影测量技术获得，三维数据能反映出被测地形的真实感，与传统的人工模型相比较仿真度较高，无人机倾斜摄影测量技术工作效率更高。

2、高性价比。无人机倾斜摄影测量技术是一种可进行空间位置测量的技术，能形成三维影像数据，以及同时完成不同数据成果的输出。在传统航空摄影测量需求满足的情况下还能收集更多的数据信息，在城市的三维建模中采用无人机倾斜摄影测量技术可有效降低成本。

3、高效率。无人机倾斜摄影测量技术可实现快速的全方位的自动化三维建模，极大地减少了人工建模工作的周期，从而提高了建模的工作效率。

五、倾斜摄影测量的关键技术

1、多视影像联合平差。多视影像包括垂直影像数据和倾斜影像数据。传统的空中三角测量系统不能很好的进行倾斜摄影数据的处理工作，所以多视影像的应用很好的对影像间的几何变化和遮挡关系进行分析和考虑。结合POS系统下的多视影像测量技术是由粗到细采用金字塔匹配策略，匹配最好的同名点。再者为了保证平差结果的准确度，建立连接点和连接线、控制点坐标等对多视影像自检校正区域的误差方程。

2、多视影像密集匹配。摄影测量技术的基本问题之一就是影像的匹配，多视影像有着覆盖面积大、分辨率较高的优点，所以多视影像匹配的关键环节就是在匹配的过程中要对多余的信息进行考虑。多视影像上的同名坐标点要及时准确地获得，才能最终对地物的三维信息准确获得。建模需要的同名点一般难以由一种匹配基元和匹配策略完成，所以最近研究目的放在了计算机视觉发展的多基元和多视影像匹配上。目前已取得了一定程度的进步，应用在建筑物的侧面自动识别和提取，建筑物的边缘信息、墙面边缘信息和纹理信息的提取。通过多视影像获得大量二维数据，二维数据在不同的视角中可转变为三维数据，扫描和分割建筑物的每个墙面，从而达到获取建筑物侧面结构的目的，最终提取建筑物的高度和整体轮廓。

3、数字表面模型生成和真正射影像纠正。多视影像密集技术已成为新一代的空间数据基础的重要技术，能对地形地貌的起伏特征通过高精度分辨率的数字表面模型表达出来。在多角度倾斜影像测量中会存在着尺度的差异，遮挡和阴影等问题，想要解决以上问题就要利用自动空三计算出来的影像外方位元素，将匹配单元进行分析和选择，引入算法进行计算，从而对计算效率进行提升。高密度的数据在获取后要经过滤波进行处理工作，才能融合各种不同的匹配单元，形成统一数据。多视影像技术包含大量的多角度影像，有数据密集和计算密集两大典型的特点。通过对地形和离散地形的轮廓、面片拟合、屋顶重建等几何特征进行信息提取，语义信息通过影像分割、边缘提取和纹理聚类等方法进行提取，从而建立全局优化的采用策略，最后进行整体均光处理。

六、结语

近年来，基于无人机倾斜摄影测量进行三维建模发展迅速，成果其具有纹理真实、数据精度高等诸多优点，在未来实景三维城市和智慧城市的建设中将发挥越来越重要的作用。无人机具有快速灵活和成本低廉的特点，促进了倾斜摄影数据的快速获取。此外，无人机技术与倾斜摄影技术相结合为未来数字城市及智慧城市空间框架数据采集提供了一种新的解决思路。

参考文献：

[1]盛建新.无人机倾斜摄影技术研究与应用.建筑设计及理论，2018-12.

[2]赵建龙.浅析无人机倾斜摄影测量技术与应用.建筑设计,2019-12.

[3]赵维霞.无人机倾斜摄影测量技术及其应用.文化科学,2019-12.