如何用无人机倾斜摄影采集影像，完成实景三维重建?

　　利用无人机倾斜摄影技术可以全自动、高效率、高精度、高精细的构建地表全要素三维模型/实景三维模型，而模型的质量主要取决于两个因素：

　　一是影像质量(影像地面分辨率和影像清晰度);

　　二是照片数量(对同一区域的照片覆盖度)。

　　无人机倾斜摄影及建模的一般流程为：

　　整个过程有四重知识面可以拆解：无人机类型、倾斜摄影相机选择、三维建模、应用场景。下文详述。

　　1、无人机飞行器的分类与选择

　　无人机系统由飞机平台系统、信息采集系统和地面控制系统组成。每个系统的核心元件如图所示。

　　无人机的能源类型有电动、油动类型：

　　油动力固定翼无人机，虽然飞行效率和性能都不错，但使用和保养要求高，那么就可以考虑电动/混合动力垂直起降固定翼无人机。而常见的电动垂直起降固定翼无人机的有效载荷1～2公斤，续航时间60～90分钟，相对飞行高度300米左右，影像地面分辨率5厘米。

　　根据机翼情况，常见的各类型工业无人机特点有：

　　多旋翼无人机：起降条件要求低，可空中悬停拍照;

　　固定翼无人机：飞行姿态稳定，体积小;

　　其他：如大载荷无人机，体积大，载荷大，安全性能高。

　　一般来说，八旋翼无人机的起飞重量应小于7公斤，作业续航时间20分钟，使用远景双镜头摆动式倾斜摄影相机，每架次飞行可获取有效面积0.3平方公里2厘米分辨率的照片约900张。

　　在实际作业中，对于一些特定项目，四旋翼无人机可能载荷指标不够;八旋翼无人机有一定的动力冗余和飞行可靠性，可以提高作业的安全性和持续性，那么就满足要求。

　　从经验来看，多旋翼无人机是进行建筑区倾斜摄影的首选，一般地区的倾斜摄影则可选择小型电动垂直起降固定翼无人机。实际上，每个项目的具体要求不同，设备选择就要根据实际情况来测试，综合考虑选择合适的机型。

　　2、倾斜摄像机的选择

　　倾斜摄像机属于工业级无人机范畴。与消费级无人机市场不同，工业级市场由于主要侧重飞机的技术性能和行业应用，因此需要在实际运用中与需求方反复沟通和不断地改进方案，选择合适的机型以制定航拍计划。

　　从建模效果来看，要想获得完整清晰、可供高精度量测的三维模型，建筑区倾斜影像的分辨率一般要达到2～3厘米、一般地区要达到5～6厘米，照片的平均覆盖度要达到30度重叠以上。

　　使用倾斜摄影无人飞行器的目的是为三维建模提供影像基础，虽然市面上固定式五镜头倾斜摄影相机是无人机倾斜摄影普遍使用的设备之一，但也有专家探究了倾斜摄影三维建模对照片方位和数量、相机数量的要求。

　　实验分别采用1台和2台相机，对同一区域采用多次飞行、交叉飞行的方法，模拟五镜头相机的方式，分别获取下视、前视、后视、左视、右视的影像，并以不同组合分别进行了三维建模试验。

　　用不同数量相机模拟五相机结构进行倾斜摄影试验的主要结论如下：

　　(1)建模效果与相机数量无关，但与照片数量和相邻航线飞行的间隔时间相关;

　　(2)下视相机不是必须的，因为真正射影像是由三维模型的正投影生成。下视相机的作用与其它方位相机的作用相似;

　　(3)倾斜相机的角度在20～30度之间较为合适。45度倾斜角安置的相机的照片边缘的分别率过低;

　　(4)采用双相机、三相位摆动结构的倾斜摄影系统综合性价比优。

　　实验表明双镜头摆动式倾斜摄影系统仅用两台相机就达到了固定式五镜头相机的效果，系统结构简单、成本低、重量轻、维修使用方便，可以是多旋翼无人机倾斜摄影的良好选择。但具体选择依然要结合实际情况，论证后再设计航拍计划，在避免不必要的资源浪费的情况下，获得三维重建的额影像数据。

　　3、航线设计与飞行作业

　　飞行任务规划是指在区域空照、导航、混合三种模式下进行飞行任务的规划。举两个常见的例子：如使用多旋翼无人机和双镜头摆动式倾斜摄影系统进行建筑区2厘米分辨率的倾斜摄影，航线设计的通常要求是：

　　(1)航摄分区尽量为矩形，航线沿矩形区域长边方向敷设，实际飞行范围应超出任务范围1个航高，分区内地形高差小于1/2航高;

　　(2)航线数量为双数且不少于6条，单航线最大长度按多旋翼无人机有效续航里程的40%计算;

　　(3)相对航高平均按100米设计，当航摄分区内有超过30米的建筑物时，最小相对航高应按100米加上建筑物高度计算;

　　(4)航向重叠度大于75%，旁向重叠度大于30%。

　　如使用双相机和固定翼无人机对普通地区进行5厘米分辨率的倾斜摄影，航线设计的通常要求是：

　　(1)航摄分区尽量为矩形，沿矩形区域长边方向和短边方向分别敷设航线，呈格网状(按十字交叉飞行)，实际飞行范围应超出任务范围1个航高，分区内地形高差小于1/2航高;

　　(2)航线数量应为双数且不少于6条，单航线最大长度按无人机有效续航里程的40%设计，最大长度不超过5500米;

　　(3)相对航高平均按300米设计，最小相对航高应高于摄区内容其他构筑物100米以上;

　　(4)航向重叠度大于75%，旁向重叠度大于30%。

　　另外，在开始飞行作业前，要进行航前检查。为保证任务的安全进行，起飞前结合飞行控制软件进行自动检测，确保飞机的GPS、罗盘、空速管及其俯仰翻滚等状态良好，避免在航拍中危险情况的发生。

　　飞行作业时要进行航飞监控，实时掌握飞机的姿态、方位、空速、位置、电池电压、即时风速风向、任务时间等重要状态，便于操作人员实时判断任务的可执行性，进一步保证任务的安全。

　　每个航摄分区应统一进行航线设计，用在同一航线设计文件中删除多余航线的方法确定每架次的飞行参数文件。

　　同时，根据不同行业的具体情况，可在外出作业时选择配备10组以上电池，或配置便携式发电机现场充电，以提高作业效率。无人机起降场地应尽量靠近摄区，以减少无效飞行距离。作业小组配置的地勤、飞手、助理和设备量，就要依照具体项目决定了。

　　4、实景三维重建方法及应用场景

　　传统三维建模通常使用3dsMax、AutoCAD等建模软件，基于影像数据、CAD平面图或者拍摄图片估算建筑物轮廓与高度等信息进行人工建模。这种方式制作出的模型数据精度较低，纹理与实际景象偏差大，生产过程依赖大量的人工参与，同时数据制作周期较长，造成数据的时效性较低，因而无法真正满足用户需要。那么，如何用无人机倾斜摄影拍摄的图片生成实景三维实景模型呢?

　　将无人机拍摄的画面导入计算机后，打开【实景三维重建系统】，使用账号密码登陆，添加实景/实物影像后点击“自动处理”，系统从空三匹配至纹理映射全过程自动处理，得到三维纹理模型。

　　这种一键建模模式可快速完成实景三维重建，以便后续的产品转化和使用。【实景三维重建系统】还有独特的分步建模模式：

　　①添加影像：添加被摄物/区域影像并新建工程

　　②自动空三：影像数据进行自动解算，得到RGB点云

　　③三维重建：基于点云进行构网建模、自动映射纹理得到三维纹理模型

　　通过【实景三维重建系统】进行实景三维重建得到的实景3D模型，可视化效果良好，可显示显示精确地理位置及1:1尺寸信息，以便多元量测：可直接在可视化的多元数据成果上量测出与实景一致的距离、面积、体积、点位坐标等信息。

　　使用【实景三维重建系统】完成重建后， 可借助实景三维数字成果进行下一步工作

　　该系统可适用于大范围、高精度、高清晰的方式全面感知复杂场景。这种高效的数据采集设备及专业的数据处理流程生成的数据成果直观反映地物的外观、位置、高度等属性，为真实效果和测绘级精度提供保证。在应急指挥、国土安全、城市管理、交通运维、工程监测、基坑监测、数字存档等领域均可发挥出色效用。

　　无人机倾斜摄影中【实景三维重建系统】是苏州中飞推出的一款三维重建软件。它基于视觉AI和图像精密解算技术，让使用者可借助影像一键生成RGB密集点云DSM、数字高程模型DEM、数字正射影像DOM、真彩纹理模型等可视化数字成果并进一步使用。