企業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)全流程研究

游赟 郭瀚林 梁平 錢濟(jì)人 季壽宏

【摘? 要】近年來(lái)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影及實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)被廣泛應(yīng)用。然而，目前企業(yè)在實(shí)際生產(chǎn)建設(shè)中并沒(méi)有關(guān)于其成熟的作業(yè)流程及管理制度，這無(wú)疑會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題。因此，論文分析了研究該技術(shù)的全流程實(shí)現(xiàn)路徑，搭建了無(wú)人機(jī)傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)全流程作業(yè)模型，對(duì)企業(yè)的相關(guān)作業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。

【Abstract】In recent years， UAV tilt photography and realistic reproduction technology has been widely used. However， there is no mature operation process and management system in the actual production and construction of enterprises， which will undoubtedly brings a series of problems. Therefore， the paper analyzes and researches the whole process realization path of this technology and builds a whole process operation model of UAV tilt photography and realistic reproduction technology， which has certain guiding significance for the relevant operations of enterprises.

【關(guān)鍵詞】無(wú)人機(jī);工程領(lǐng)域;傾斜攝影;三維實(shí)景復(fù)現(xiàn)

【Keywords】UAV; engineering field; tilt photography; 3D realistic reproduction

【中圖分類號(hào)】P231? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）03-0181-02

1 引言

近年來(lái)，科技的飛速發(fā)展對(duì)勘察測(cè)繪、施工建設(shè)、能源安全等傳統(tǒng)工程領(lǐng)域提出了更高的技術(shù)要求。而目前跨行業(yè)應(yīng)用最活躍的技術(shù)當(dāng)屬行業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)所衍生的各種相關(guān)技術(shù)，其中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。無(wú)人機(jī)高度集成化的作業(yè)極大減少了企業(yè)人力、物力、財(cái)力的投入，并且作業(yè)產(chǎn)出具有更高程度的可復(fù)盤性與可解釋性。然而，目前整個(gè)作業(yè)流程并沒(méi)有成熟的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，這會(huì)導(dǎo)致其中某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)而影響產(chǎn)出質(zhì)量甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，本文基于其全流程作業(yè)進(jìn)行探討與研究。

2 傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)在企業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀

2.1 在管道勘察方面的應(yīng)用

對(duì)于敷設(shè)在野外的石油與天然氣管道的勘察工作來(lái)說(shuō)，無(wú)論是早期建設(shè)階段的定位放線還是運(yùn)營(yíng)階段的高后果區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)都可以發(fā)揮巨大作用。通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜攝影可以安全、高效、全方位地獲取管道路由及周邊的地理信息，同時(shí)，實(shí)景復(fù)現(xiàn)所產(chǎn)出的高還原度模型可以提供更加有效的決策支持。圖1為掛載三鏡頭傾斜攝影相機(jī)的大疆M600型無(wú)人機(jī)。

2.2 在電力巡檢方面的應(yīng)用

傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)極大地提高了電力維搶修的效率，使許多工作能在完全帶電的環(huán)境下迅速完成，確保了作業(yè)人員的人身安全以及供電安全[1]。同時(shí)，由于無(wú)人機(jī)作業(yè)不受地形等因素影響，使得險(xiǎn)峻山區(qū)段“巡檢難”的問(wèn)題得以解決[2]。

2.3 在地籍測(cè)繪方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)的地籍測(cè)繪工作具有機(jī)動(dòng)性差、費(fèi)時(shí)費(fèi)力以及測(cè)繪結(jié)果精度低等特點(diǎn)。而將無(wú)人機(jī)傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于此可以更好地滿足實(shí)際需求，尤其是對(duì)于其中宗地的地籍界址點(diǎn)、權(quán)屬界線、土地面積、土地用途等的定位與定性具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[3]。因此，此技術(shù)的出現(xiàn)為地籍測(cè)繪工作帶來(lái)了新的契機(jī)。

3 傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)

傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)具有很多不可替代的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在對(duì)企業(yè)所投入的人力、物力、財(cái)力等方面的“輕量化”上。

3.1 高程度的作業(yè)自動(dòng)化與集成化

作業(yè)人員只需要做好航點(diǎn)設(shè)置、航線規(guī)劃等無(wú)人機(jī)作業(yè)前準(zhǔn)備工作即可，不需要深入現(xiàn)場(chǎng)親自作業(yè)。作業(yè)全程中，由無(wú)人機(jī)代替作業(yè)人員按照預(yù)先設(shè)置好的“既定工作流程”嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)。

3.2 適應(yīng)多種作業(yè)場(chǎng)景的高機(jī)動(dòng)化

無(wú)人機(jī)在傾斜攝影作業(yè)過(guò)程中不受環(huán)境的限制[4]，在險(xiǎn)峻山區(qū)、多河流、強(qiáng)電、有毒氣體等惡劣作業(yè)環(huán)境中，相較于人工作業(yè)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。它不僅可以避免作業(yè)人員在作業(yè)過(guò)程中發(fā)生意外，而且還可以高效地解決傳統(tǒng)作業(yè)中由于人工作業(yè)而不可避免導(dǎo)致的局限性。

3.3 高質(zhì)量化及高解釋化的作業(yè)產(chǎn)出

無(wú)人機(jī)傾斜攝影及實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)通過(guò)Pix4D、PhotoScan、ContextCapture等建模軟件進(jìn)行三維建模作業(yè)，最終產(chǎn)出具有高還原度的三維模型。產(chǎn)出的模型不僅高度還原了實(shí)際地物的各種細(xì)節(jié)特征，而且還可以在模型上進(jìn)行參數(shù)測(cè)量、填挖方分析、環(huán)境動(dòng)態(tài)分析等操作，對(duì)于決策支持具有極大的幫助作用。

4 作業(yè)流程搭建及研究

4.1 外業(yè)無(wú)人機(jī)傾斜攝影工作流程

①無(wú)人機(jī)作業(yè)前的準(zhǔn)備工作。在作業(yè)前，工作人員需要進(jìn)行一定的準(zhǔn)備工作，包括：無(wú)人機(jī)作業(yè)區(qū)域、起落航點(diǎn)、航高、航線等參數(shù)的設(shè)置，這是在前期對(duì)作業(yè)區(qū)域情況調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。作業(yè)區(qū)域可以在Google Earth上劃分再導(dǎo)入飛控軟件，這可有效解決因信號(hào)微弱而導(dǎo)致的地圖底圖缺失的問(wèn)題;起落航點(diǎn)盡量選擇開(kāi)闊地帶以確保無(wú)人機(jī)起降的安全性;航線由影像重疊率決定，一般設(shè)置旁向75%，航向85%即可確保作業(yè)質(zhì)量[5];航高的設(shè)置依據(jù)作業(yè)區(qū)域當(dāng)?shù)氐暮娇展苤埔?guī)定。②無(wú)人機(jī)作業(yè)中的必要工作。在作業(yè)過(guò)程中，操作人員無(wú)需人工干預(yù)。但需要注意無(wú)人機(jī)在空中的姿態(tài)以及可能發(fā)生的突發(fā)事件（例如，電量不足、電磁干擾等問(wèn)題）以便采取相應(yīng)措施。③無(wú)人機(jī)作業(yè)后的評(píng)價(jià)工作。完成作業(yè)后，需要將傾斜攝影獲取的影像及POS數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行檢查。需要檢查每個(gè)鏡頭拍攝的照片數(shù)量是否一致、照片是否出現(xiàn)畸變、POS數(shù)據(jù)是否完整等。如果有必要，則進(jìn)行該部分的補(bǔ)飛作業(yè)。

4.2 內(nèi)業(yè)實(shí)景復(fù)現(xiàn)工作流程

①數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。內(nèi)業(yè)工作人員取得外業(yè)數(shù)據(jù)后，首先需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。主要包括影像數(shù)據(jù)批量編碼、畸變數(shù)據(jù)分離、POS數(shù)據(jù)對(duì)齊等操作，經(jīng)校準(zhǔn)后得到有效數(shù)據(jù)。②空中三角運(yùn)算（Aero-Triangulation）。將有效數(shù)據(jù)導(dǎo)入ContextCapture等軟件中提交空中三角運(yùn)算，此時(shí)軟件內(nèi)置算法會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行平差解算，以得到所需的密集點(diǎn)云模型（Dense Point Cloud），如圖2所示，如果模型畸變則重新提交空中三角運(yùn)算來(lái)平差解算。③構(gòu)建TIN模型。構(gòu)建TIN模型時(shí)，為了提高模型精度，需要先對(duì)密集點(diǎn)云模型進(jìn)行處理，主要包括優(yōu)化像素的數(shù)據(jù)匹配、刪除冗余像素點(diǎn)等操作。對(duì)于解算出的TIN模型需要進(jìn)行一定的三角網(wǎng)和曲面的優(yōu)化。④自動(dòng)紋理貼圖運(yùn)算。ContextCapture基于瓦片技術(shù)，將整個(gè)建模區(qū)域分割成若干瓦片，分別將單個(gè)瓦片進(jìn)行實(shí)景紋理映射[6]，然后再將它們拼接成整體的三維模型并輸出，如圖3所示。實(shí)際生產(chǎn)中，推薦在局域網(wǎng)組成“1+n”主、輔機(jī)模式集群建模機(jī)組來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)以提高建模效率。

4.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)作業(yè)全流程的實(shí)現(xiàn)

基于上述分別對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)的外業(yè)、內(nèi)業(yè)兩個(gè)作業(yè)方面的研究分析，可以得到其全流程作業(yè)實(shí)現(xiàn)模型，如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)傾斜攝影與實(shí)景復(fù)現(xiàn)技術(shù)的全流程作業(yè)的實(shí)現(xiàn)可以分為兩大部分，外業(yè)無(wú)人機(jī)傾斜攝影作業(yè)和內(nèi)業(yè)三維實(shí)景復(fù)現(xiàn)作業(yè)。通過(guò)將無(wú)人機(jī)與掛載傾斜攝影相機(jī)、集群機(jī)組、自動(dòng)化建模軟件等硬件和軟件的結(jié)合，可以高效產(chǎn)出高質(zhì)量的三維實(shí)景模型，為勘察測(cè)繪、施工建設(shè)、能源安全等傳統(tǒng)工程領(lǐng)域提供高效決策支持。

【參考文獻(xiàn)】

【1】錢金菊，潘子宇，麥曉明，等.基于多傳感器融合的無(wú)人機(jī)電力線巡檢[J].測(cè)控技術(shù)，2021，40（1）：100-104+131.

【2】羅澤雄，劉秀，羅志勇，等.高精度無(wú)人機(jī)在變電站巡檢中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2020，5（23）：244-245.

【3】袁玉勇.無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在土地綜合整治中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2020，5（9）：255-256.

【4】Restas A.Drone applications for supporting disaster management[J].World Journal of Engineering and Technology，2015，3（3）：316.

【5】Gupta S K，Shukla D P.Application of drone for landslide mapping， dimension estimation and its 3D reconstruction[J].Journal of the Indian Society of Remote Sensing，2018，46（6）：903-914.

【6】王文敏，王曉東.基于ContextCapture Center平臺(tái)的城市級(jí)實(shí)景三維建模技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2019（S1）：126-128+132.