基于无人机倾斜摄影技术的测绘工程研究

基于无人机倾斜摄影技术的测绘工程研究

谭鹏

湖南君泰空间科技有限公司  湖南 长沙 410000

摘要：无人机倾斜摄影技术作为一种新兴的遥感技术,在测绘工程领域展现出巨大的应用潜力。本文针对该技术在测绘工程中的应用进行了深入研究和探讨。首先介绍了无人机倾斜摄影的概念和原理,分析了该技术相比传统航空摄影的优势。接着重点阐述了无人机倾斜摄影技术在测绘工程中的应用,包括数字表面模型(DSM)构建、三维建模、变形监测等。同时对该技术在数据获取、处理和应用方面存在的挑战进行了探讨。最后,对无人机倾斜摄影技术在测绘工程领域的发展趋势进行了展望。

关键词：无人机倾斜摄影；三维建模；变形监测

引言

传统的航空摄影技术需要依赖飞机等大型航空器,受到天气、地理环境等多方面因素的限制,作业效率较低,成本较高。随着无人机技术的不断发展,无人机倾斜摄影作为一种新兴的遥感手段应运而生,具有操作灵活、成本低廉等优势,在测绘工程领域展现出广阔的应用前景。无人机倾斜摄影是指利用无人机搭载的非量测相机,在飞行过程中获取目标区域的倾斜影像。这些影像与传统的垂直影像相比,能够显示目标物体的侧面信息,更有利于地物的识别和测量。同时,由于无人机的灵活性和低空飞行特点,能够获取高分辨率和高重叠度的影像数据,为三维重建和精细化测量提供了有力支撑。鉴于无人机倾斜摄影技术在测绘工程中的重要应用价值,本文将对该技术在测绘工程中的应用现状、挑战和发展趋势进行深入分析和探讨[1]。

一、无人机倾斜摄影技术概述

无人机倾斜摄影技术是将无人机和数字摄影测量技术相结合的产物。其工作原理是利用无人机搭载的非量测数码相机,在飞行过程中以一定的旋转角度获取目标区域的倾斜影像。这些影像通过后期数据处理,能够生成高精度的数字表面模型(DSM)、正射影像图和三维模型等测绘产品。相比传统的航空摄影技术,无人机倾斜摄影具有以下优势:

1)灵活性强,能够在复杂的环境下作业,适应性好;

2)成本低廉,无需借助大型飞行器,作业效率高;

3)能够获取高分辨率和高重叠度的影像数据,有利于高精度测量;

4)可以获取目标物体的侧面信息,有助于要素识别和属性采集。

二、无人机倾斜摄影在测绘工程中的应用

(一)  数字表面模型(DSM)构建

无人机倾斜摄影技术通过采集大量高重叠度的影像，并结合先进的图像匹配与立体测量算法，能够高效构建极具真实感与细腻度的数字表面模型（DSM）。这种DSM不仅能准确捕捉地表地形，包括但不限于裸露地面、建筑物和植被等各类地物的三维表面特性，还超越了传统的数字高程模型（DEM），囊括了丰富的结构细节和纹理信息，显著增强了数据的精确度与实用性。这一高精度DSM技术广泛应用于测绘工程和相关领域，它在工程测量过程中起着决定性作用，能精确反映项目主体的三维几何形状和尺寸，为从规划设计到施工验收全阶段提供坚实的数据支撑；同时，在城市和景观规划设计中，DSM如同三维可视化数据库，助力规划师和设计师深入进行视线分析、遮挡分析和日照分析等复杂研究，提升规划设计的科学性和准确性。此外，在变形监测方面，对比分析同一目标不同时期获得的DSM数据，可以精确定量地揭示地表和基础设施的细微形变情况，实现动态监测和早期预警功能，有力服务于灾害防控工作。

(二)  三维建模

无人机倾斜摄影技术为三维建模提供了高质量、高精度的源数据。通过对倾斜获取的大量影像进行纹理重建、特征匹配和三维重构等数据处理,可以生成精确的三维点云模型和真实纹理信息,为构建高保真的三维场景模型奠定基础。该三维场景模型不仅能够直观再现目标物体的外部形态和整体结构,还能准确描绘物体表面的细节纹理,真实反映物体的物理特征。与传统的二维平面数据或低精度三维模型相比,此类三维场景模型更加贴近现实,能够为用户提供身临其境的沉浸式体验[3]。目前,基于无人机倾斜摄影数据构建的三维场景模型已在多个领域展现出重要应用价值。在城市规划领域,三维场景模型能够清晰展示现状城市景观,为规划师提供决策依据;在古建筑保护方面,通过三维模型能够对古迹建筑进行详细的分析和记录;在环境监测工作中,可利用时序三维模型数据监测环境变化。除此之外,三维场景模型在测绘应急、文化旅游、虚拟现实等领域也拥有广泛的应用前景。随着模型精度的不断提高,其应用范围将持续扩大。

(三)  变形监测

无人机倾斜摄影技术可以灵活、经济地对目标物体进行周期性的影像获取,为变形监测提供关键数据支持。由于无人机的机动性强、成本低廉等特点,能够根据监测需求,对关键区域和重点目标物进行例行的航测作业,持续获取高分辨率、高重叠度的影像数据。通过对目标物体在不同时期获取的大量倾斜影像进行automatic化处理和对比分析,可以及时发现并量化目标物体在整体和局部的变形情况,包括位移、倾斜、裂缝等变形细节,为评估变形原因和发展趋势提供数据支撑。该技术无需复杂的现场测量作业,能够实现对目标物体的远程高效监测。基于无人机倾斜影像的变形监测技术,可以广泛应用于城市基础设施健康监测、水利水电工程变形分析、矿山开采沉陷监测、地质灾害监测预警等领域,及时发现并跟踪重点区域和目标物的变形状况,为防灾减灾提供重要依据

[2]。同时,该技术也可用于建筑工程和古迹保护中的变形监测,保障工程结构和文物安全。随着无人机航测技术的不断完善,该监测方法必将得到更广泛的推广和应用。

三、无人机倾斜摄影技术面临的挑战

(一)数据获取挑战

无人机倾斜摄影测量需要在野外环境中开展航飞作业,因此飞行过程容易受到多种不利环境因素的影响,如恶劣天气、强电磁干扰等,这些因素会导致影像数据获取质量下降、作业中断或航线飞行偏差等问题,影响最终数据的完整性和精度。此外,无人机属于小型无人驾驶航空器,在特殊敏感区域如机场附近、边境区等执行航测任务时,还需要考虑空域管制和相关部门的飞行审批要求,受到一定的作业限制。

(二)数据处理挑战 

无人机倾斜摄影能够获取目标区域大量高重叠度影像,数据量大、冗余度高,对数据的存储、传输和处理提出了较高要求,给当前的计算机硬件和软件带来一定压力[4]。同时,倾斜影像具有旋转、倾斜等特殊射影特性,与传统航空垂直影像存在一定差异,现有的摄影测量理论和处理算法难以完全适应,需要进一步的改进和优化,以提高影像处理的效率和精度。

(三)应用挑战

无人机倾斜摄影技术起步较晚,目前仍处于发展阶段,在工程实践中的系统应用经验仍有待进一步积累。由于该技术与传统摄影测量存在一定区别,在数据精度、产品质量、生产规范等方面还缺乏统一的行业标准和规范,给数据的应用和共享带来一定障碍。该技术的普及应用也面临着相关从业人员理论知识和实操经验的制约,如何加强人才培养和能力建设,也是当前亟待解决的问题。只有充分认识到这些挑战,并通过技术创新和制度完善积极应对,才能让无人机倾斜摄影技术的应用价值得到充分发挥。

四、结论

无人机倾斜摄影技术作为一种新兴遥感手段,在测绘工程领域展现出巨大的应用潜力。该技术既可为传统测绘工作提供高分辨率、高精度的基础数据,也可支持三维建模、变形监测等新兴应用需求。虽然目前该技术在数据获取、处理和应用等方面仍面临一些挑战,但未来必将随着相关技术的发展和工程实践的累积而日益成熟。可以预见,无人机倾斜摄影技术将为测绘工程领域带来革命性的变革,促进测绘工作的自动化和智能化发展。

参考文献

[1] 周林衡.无人机倾斜摄影测量技术在房地一体测绘中的应用研究[J].测绘与空间地理信息,2022,45(9):245-247251

[2] 刘孝春.基于无人机摄影测量技术的地表塌陷变形监测探讨[J].中国金属通报,2023(3):216-218

[3] 俞春焕.基于无人机倾斜摄影系统进行三维建模的数据采集关键技术研究[J].浙江测绘,2023(2):29-31

[4] 胡海舟.无人机倾斜摄影测绘1:500地形图精度研究[J].西部资源,2022(2):18-1922