倾斜摄影测量技术在智慧校园建设中的应用研究

倾斜摄影测量技术在智慧校园建设中的应用研究

蔡悦  ,居向明

海军士官学校 233000

摘要：随着国家十四五规划的持续推进，建设数字实景三维校园已经成为学校发展中必不可缺的一环，依托数字实景校园场景建设的“智慧校园”逐步成为高校规划建设中重要的一环，可视化、可量测、精细化的数字校园模型成为建设“智慧校园”中亟待解决的问题。本文以海军士官学校某区域为实验区域，利用大疆精灵4RTK无人机对校园某区域进行倾斜摄影测量的外业数据采集，借助CC摄影测量处理软件生成校园区域内的三维模型并结合DP-modeler模型修饰软件对区域内的重点建筑物进行单体化模型精修，取得了良好的三维模型效果，为“智慧校园”的建设提供了真实、精细的三维数字场景。

军队院校承担着为部队培养高素质、专业化新型军事人才的使命任务，随着现代信息技术迅猛发展和新时代军事教育方针深入推进，军事人才培养质量的起点逐步提高。军队院校“智慧校园”的建设，对院校教育和人才培养具有“物质保障、技术支撑和信息服务”的作用，对提升院校办学水平和军事人才培训质量具有重要意义。

国家“十四五”规划建设纲要提出了实景三维建设的总体目标，2018年国家相关部门也相继出台了建设智慧校园标准和规范，在标准《智慧校园总体框架（GB/T 36342-2018）》中提出了基于摄影测量与遥感技术、测绘地理信息技术等多技术融合，以校园场景整体为蓝本，构建三维可视化的实景三维“智慧校园”。

随着无人机行业的兴起和摄影测量技术的不断进步，倾斜摄影测量随之兴起并获得了极大的发展，利用工业级别或消费级摄影镜头对典型地物地貌进行拍摄，不仅能获取地物地貌的俯视影像信息与侧面纹理特性，还能采用人工立体视觉的模拟方法真实记录地物地貌的属性信息。对比传统的人工采集三维地理信息方式存在的工作量大、成本高、效率低等突出问题，倾斜摄影测量在更适用三维数据采集和海量信息处理。随着无人机的体积越来越轻、精度越来越高、智能化程度越来越强，无人机倾斜摄影测量也展现出作业便捷、应用范围广、安全性能高、等特点，这些将更好地服务于数字校园的建设任务，本次研究以位于海军士官学校某区域作为实验区域，借助大疆无人机精灵4进行倾斜摄影测量数据采集，搭建高校实景三维模型。

一、无人机倾斜摄影测量技术

倾斜摄影测量技术是传统摄影测量技术的改革与创新，常规的摄影测量是通过飞行器搭载航测传感设备采集垂直向下的影像数据,因而采集的影像有且只有地物的顶部信息没有侧面纹理信息。倾斜摄影测量则通过在飞行器上搭载一个可以多视角拍摄的航摄仪，目前较为常见的是五镜头，分别可以从垂直和四个倾斜方向视角同步采集影像，并记录下航高、坐标系等参数信息。获取不同视角下的地表信息，对比垂直拍摄的像片，拍摄效果会更具立体效果，为三维实景的建模提供了丰富的影像数据。无人机倾斜摄影测量系统主要包含无人机平台及传感器系统、飞控系统、地面端监控系统、数据影像处理系统等四个部分。在外业飞行阶段，外业数据的采集需要制定合理、符合技术要求的航摄方案。航摄技术方案内容具体分为航线方案设计、像控点布设设计、航拍时间选择等。航线方案设计的参数包含无人机航拍的航向重叠率和旁向重叠率、飞行相对航高与影像分辨率、拍摄的大地基准的及航飞计划的规划等。倾斜摄影测量的数据处理主要有影像预处理、实景三维建模及数据精度评定等。具体流程如图1所示。

图1 无人机倾斜摄影测量流程

二、外业数据采集

1.实验测区及设备

本次选择的测区为海军士官学校某片区，校园分区较为明确，测区地物主要包括道路、教学楼、宿舍楼和体育馆等建筑物，地势相对平坦，飞行难度低。，适用于无人机倾斜摄影测量作业。

结合本测区的实际情况，本次实验采用大疆无人机精灵4完成外业数据的采集工作，大疆无人机精灵4具有低高度航测灵活、航测起飞限制小、安全性能高和操作简便等特点。针对学校内部区域建筑集中、面积范围有限、建筑风格多变等特点，采用无人机完成倾斜摄影测量数据采集丰富的三维数据信息。大疆精灵4RTK无人机的飞行参数见表1，相机参数见表2。

表1 无人机飞行参数表

表2 无人机相机参数表

2.任务设计

2.1像控点布设设计

像控点是无人机倾斜摄影业内影像解析和建模的基础，用于纠正无人机因定位受限或电磁干扰而产生的位置偏移、坐标精度过低以及因气压计产生的高层 差值过大等问题。根据«低空数字航空摄影测量内业规范»摄影测量中像控点布设的要求，像控点布设要求均匀分布在航摄区域航向和旁向重叠范围内，像控点选点应选在平坦、相对固定易于准确测量、目标影像清晰且易于判刺的地方，做好易于分辨且不易被破坏的标记。结合本次的实验场景，在校园周边和内部共布设40个像控点。

2.2航摄参数设计

航摄参数设计主要包括地面分辨率、航行高度和像片重叠度等。

（1）设置飞行高度飞行高度是航线规划的基础，航行高度由相机参数和地面分辨率所决定，不同高度拍摄的影像数据在分辨率上有着较大差异，在确定飞行高度前，要考虑测区和测区周边范围内建筑物或自然景观等的最高高度，以预防无人机在飞行过程中出现碰撞危险，从而避免人员伤亡或经济损失，《低空数字航空摄影规范》规定：摄影分区内地形高差不应大于1/6航高。因此，应综合考虑建模精度、工作量、规范和安全等因素，在满足各项技术精度指标的前提下，确定相对适宜的航高。

（2）设置像片重叠度：根据无人机飞行方向，航测重叠率可分为航向重叠率和旁向重叠率，航向重叠率主要是指同一条航线上2次像片拍摄重叠的概率，旁向重叠率。主要是指相邻航线所拍摄像片重叠的概率其计算。如式⑴和式（2）。本次实验的航向重叠率为85%、旁向重叠率为70%。

3.“智慧校园”三维建模

对获取的无人机遥感影像进行处理，首先确定所采用的坐标系统，将采集到的坐标数据向目标坐标系进行转换，结合影像的POS数据、布设的像控点等信 息进行空中三角测量，然后通过图像几何畸变校正、图像增强、影像拼接等处理，生产三维模型。

在模型生产过程中，受到航摄盲区、像片质量及POS参数准确度等问题的影响，会造成模型部分区域空洞、扭曲、映射错误、纹理丢失等，DpModeler可以对实景三维模型进行踏平、桥接、补洞、纹理修改等操作，实现模型整体修饰，因此本文采用DpModeler对实景三维模型进行精细化处理。试验区实景三维建模结果如图2所示。

图2 “智慧校园”实景三维模型

四、结束语

本次研究根据无人机倾斜摄影测量技术原理，以海军士官学校某区域为实验区域，通过大疆精灵4RTK无人机进行高校建筑物、构筑物、地貌等倾斜影像和像控点数据采集，通过CC倾斜影像处理软件，以电脑集群的方式进行三维模型构建，并利用DpModeler修模软件对模型进行优化，实验证明，通过该方法获取的校园三维模型效果良好，可以应用于智慧校园建设。