基于无人机倾斜摄影的航空器搜寻区域建模*

潘卫军 刘铠源

（1.中国民用航空飞行学院 广汉 618307）（2.中国国际航空公司西南运行分控中心 成都 610225）

1 引言

倾斜摄影技术是近几年发展起来的一项航测新技术，通过在无人机上搭载多台相机及丰富的传感器，在高空通过倾斜摄影相机从不同角度同时获取相同位置的影像，GPS，转角数据等，然后传回地面工作站处理后快速构建地面实景三维模型。随着倾斜摄影测量技术的不断成熟，也越来越多的被应用在其他行业中。三维实景地图作为航空器失事搜救不可或缺的资料，对可疑失事区域地形地貌的要求更高。与现有通过高分辨卫星遥感数据或通过计算机建模软件来对航空器失事区域建模相比无人机倾斜摄影技术能高效的获取航空器失事区域多角度地形纹理影像信息，能在航空器失事后短时间内制作高分辨率、可量测的失事搜救区域三维实景模型辅助应急搜救指挥决策。

国内在航空器搜救领域有相关研究，王玄等结合地理信息系统（GIS）二次开发技术，实现了航空器实施飞行救援的模仿演示，提高了救援飞行的安全性和效率［1］。王润东整合搜救区域地理信息管理等模块，开发了民用航空器搜救信息系统［2］潘卫军等开发了航空救援指挥辅助系统，通过模拟灾区的地理和气象信息，让飞行员更好地熟悉整个航空救援环节，极大地提高了航空救援的效率和安全性［3］。但是在航空器失事区域快速三维建模仿真方面国内目前还没有相关的研究。

本文依托无人机倾斜摄影技术，通过对不同典型地形地貌进行实地生产项目，对倾斜摄影数据采集以及后期三维实景建模处理技术进行了分析与研究，并实现了不同航空器失事区域快速三维实景建模，取得了高精度可量测的实景三维数字模型，能更好地满足航空器失事后应急搜救的需要，通过三维实景展示搜救区域，让搜救人员熟悉搜救的场景和地形，对失事区域有更直观的印象，极大地提高了搜救的效率和安全性，并能辅助搜救资源合理分配，精准规划搜救路径，争取在救援的黄金时间内对失事航空器执行搜救行动，避免错过最佳搜寻救援时机，尽可能地搜救更多遇险人员。

2 无人机倾斜摄影技术基本原理

无人机倾斜摄影技术是指将自动控制的智能化的无人飞机或智能飞行器与倾斜摄影云台相机相结合的技术，这种技术使用的无人机主要包括旋翼无人机、固定翼无人机、直升机三种［4～6］。无人机的应用使技术具有了快速性，灵活性的优势，而且在倾斜摄影数据采集过程中提高了数据采集的智能化程度，能更加有效地搜集地面数据。

倾斜摄影技术将计算机视觉处理中多视角三维重建理论与航空摄影测量相结合的新的摄影测量技术，倾斜摄影技术的特点在于数据采集完成后，运用大量数据处理技术实现后期的三维实景建模。如图1 所示，通过将无人机与倾斜摄影云台相机相结合，在同一飞行平台上搭载丰富的传感器和高清相机，数据采集过程中除了正摄角度的影像采集，还同时从前后左右4 个不同的角度采集影像。打破了正射影像只能从垂直角度拍摄的限制，扩大了拍摄范围，实现了对地面进行多角度数据的获取，然后通过计算机三维建模技术，快速构建具有准确地理位置信息的三维空间模型，能精确地重建目标区域内地形地貌与建筑物的细节特征，提高了建模的效率和质量，实景模型的精度可达到毫米级。

无人机倾斜摄影技术搜集到的数据包括POS数据和高清照片数据，POS数据由飞控系统在相机拍照时生成，与相片一一对应，POS 数据主要采集作业过程中无人机经纬度、高度、海拔、飞行方向、飞行姿态等信息［7］，无人机倾斜摄影数据格式如表1所示。

图1 倾斜摄影技术原理

表1 无人机倾斜摄影数据

2.1 传统的建模方法及缺点

传统的建模方法主要有接触式建模，非接触式建模，航测法，基于三维建模软件建模等，也可以采用多种方法结合。接触式建模主要针对可用实体工具量测的物体，受限于实体工具的实际尺寸，应用范围小。非接触式建模主要结合全站仪、激光扫描、近景摄影测量系统以及结构光系统等［8～10］，优点是精度高，缺点是需要工作量大，测量效率低。航测法主要是采用固定翼无人机进行摄影测量作业，具有作业范围广、限制条件少、效率高等优点，生产出来的正射影像可作为基础数据直接进行使用，但正射影像不具备立体感，容易被高大建筑物，山峰等遮挡，还需要人工判断进行后期细节补拍。基于三维建模软件建模主要包括：1）基于CAD 的建模技术；2）基于Unity 软件的建模［11］；3）基于Unreal软件的建模［12］。以上三种建模技术在针对航空器失事后进行大范围地形建模时会产生极大的数据工作量，在数据处理需要投入很多人力物力，会导致建模周期延长，而且部分系统对使用者的技术要求高，在搜救行动执行的短时间内难以调集专业的技术人员进行建模，不能满足搜寻救援的时效性。

2.2 无人机倾斜摄影技术的特点

无人机倾斜摄影技术其特点主要体现在以下几方面：1）适用场景广，无人机具有灵活性、飞行高度低不受云高影响，受天气影响小，空域限制少，对空中能见度要求较低；2）效率高，部署速度快，相比其他航空器不便于运输，受空域限制等，无人机便于携带，整个航摄过程中人工干涉少，只需规划好飞行路线，设定拍摄参数，就能获得高精度的摄影数据。后期处理由计算机独立完成，能自动影像匹配和建模等工作；3）数据采集全面，倾斜摄影云台最多可以搭载五组相机，能够在作业过程中对地面进行全方位多角度数据采集拍摄，全面获取失事区域地面影像数据；4）真实感强，倾斜摄影技术不仅可以实现顶部纹理的采集，同时也可以对侧面纹理进行映射，保证了信息的全面性，从而构建出的三维场景不仅具有地理位置坐标信息，而且有地形的精细特征，仿真度更高，更加逼真；5）数据量小，易于传输，倾斜摄影采集到的有照片数据，文本文档格式的POS数据，数据量小，种类少，便于通过网络传输；6）成本低，相比传统三维建模时间长，耗费大，建模成果精度难以保证，无人机倾斜摄影技术应用效率高，能够大量减少人的工作时间，并且能有效完成空间测量和数据成像等要求，在最短的时间完成精度较高的三维建模，降低了成本。

3 三维实景建模数据采集

无人机倾斜摄影航空器失事搜寻区域生产作业流程大致分为七步，包括设备选型，航线规划，参数设定，数据采集，数据筛选，数据处理，模型检查。作业流程如图2所示。

为了更全面地模拟航空器失事区域，本文综合考虑无人机设备性能要求及不同地貌情况，论文中选址为位于四川省德阳市某地区的城市建筑，以及位于昆明市呈贡区的某山坡，山坡最大落差为20m。

设备选型综合考虑旋翼无人机的负载量，飞行性能，定位精度，图像传输效率以及倾斜摄影相机的单相机像素，相机总像素，镜头焦距等参数。本次采用大疆M600 Pro 作为飞行平台，使用京航创智3S 倾斜摄影云台相机获取倾斜摄影数据。大疆M600 Pro 旋翼无人机能保障作业时无人机稳定的飞行表现和精准操控，搭载的D-RTK 系统能实现厘米级别的精度定位，并且能实现5km的远距离低延时高清影像传输，适用于航空器失事区域位于山区等场景。京航创智3S 倾斜摄影相机载荷小，像素高，单镜头像素达到2430 万，五目总像素达到1.2亿，能采集到高分辨率的地面图像。

航线规划、参数设定是整个作业流程中很重要的一环，航线规划的好坏直接影响倾斜摄影影像清晰度、旁向重叠率、航向重叠率。本次实验航线规划采用DJI GO 进行航线规划，飞行高度设置为60m，航向重叠率为75%，旁向重叠率为70%，相机倾斜角为45°，整个图像获取过程采用固定的焦距，避免某个焦距只有非常少量的影像的情况。

图2 作业流程图

数据筛选主要是剔除曝光过度，模糊，光照效果不好等作品，同时检查照片的完整性与可靠性，按照前后左右下分别保存倾斜相机采集到的数据，最后检查文件生成的时间，如生成时间连续完整，则表明数据结构有效。本项目最终筛选237 张影像作为建模依据。

4 航空器失事区域三维实景建模

目前行业里处理倾斜摄影照片的主流软件有ContextCapture（Smart 3D），PhotoScan，Pix4D mapper，三种软件对比如表2所示。

表2 三维实景建模软件对比

Smart3D软件是一款功能强大的无人机进行拍摄图像的后期处理软件，可输入无人机的航拍影像数据，输出高分辨率，高精度，带有地理坐标的三维实景模型［13～15］。Smart 3D 生成的三维模型效果较为理想，人工修复工作量虽然比较大，但软件使用比较简单，容易上手且价格较低。因为Smart3D 很难计算出极端的镜头畸变，在把原始影像导入Smart 3D 之前，不要进行任何编辑。建模作业空三处理完毕之后，选择模型数据格式、设置纹理压缩比和节点大小，保持空三运算引擎程序在打开状态，提交生成，即可生成三维实景模型。模型的导出格式一般选择OSGB，生成的模型可在Acute3D View 中查看［16］。本次作业中生成的三维实景模型如图3～8 所示。航空器失事区域为城镇时，三维实景建模如图3所示，图4为失事区域局部放大图，图5为城镇区域三维实景建模俯视图。图6为失事区域建筑物空间距离量测图。航空器失事区域为山谷时，三维实景建模如图7所示，图8为山谷区域俯视图平面图。

图3 城镇失事区域三维实景建模

图4 城镇失事区域三维实景建模

图5 城镇失事区域三维实景建模俯视图

图6 失事区域建筑物空间距离量测图

图7 山谷失事区域三维实景建模

图8 山谷失事区域俯视图平面图

5 结语

通过无人机倾斜摄影云台相机高效作业，获得航空器失事区域三维实景模型，让搜寻救援人员能全方位快速直观地掌握查看搜救区域地形地貌细节特征，更直观了解搜救区域的。辅助搜救指挥人员根据失事区域地形，合理分配搜救资源，制定搜救路径，确保搜救资源得到高效利用。搜救路径选择时应参考失事区域三维实景模型，尽量避让崇山峻岭、陡坡、大河等险恶地形，确保搜救人员自身安全。同时利用三维实景模型，能布设搜救信号传输点与搜救位置标记点等，对航空器失事后搜救行动的展开有重要意义。