轻型无人机群在历史风貌建筑测绘中的应用_易波.pdf

创新应用地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷 第6期2022年12月Vol.29 No.6December，2022轻型无人机群在历史风貌建筑测绘中的应用Application of Light Unmanned Aerial Vehicle Group in the Historic Building Surveying and Mapping引文格式：易 波.轻型无人机群在历史风貌建筑测绘中的应用J.地理信息世界,2022,29(6):73-76,83.易 波广州市自然资源测绘有限公司，广东 广州 510030作者简介：易波（1983），男，河南信阳人，工程师，学士，主要从事不动产测绘、无人机测绘应用等工作E-mail：收稿日期：2022-09-09YI BoGuangzhou City Natural Resources Surveying and Mapping Co.,Ltd.,Guangzhou 510030,China【摘要】在历史风貌建筑测绘中应用倾斜摄影测量技术可高效获取建筑实景三维影像，数据具有超现实感、尺度准确和细节细致清晰等特点，进而快速推进测绘建档工作。本文详细分析该项技术应用过程中出现的问题，具体说明轻型无人机群软硬件配置及作业模式，同时以广州市某历史风貌建筑测量为例，印证了可行性。【关键词】倾斜摄影测量；轻型无人机群；实景三维影像；历史风貌建筑【中图分类号】P23 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586（2022）06-0073-05 Abstract：Thetiltphotogrammetryisappliedtothehistoricbuildingsurveyingandmapping.Itcanquicklygetthereal3Dimagewhichisreal，measuredandveined.Thetechnologyinthehistoricbuildingfilingworkisfullypromoted.Thispaperanalyzestheproblemsintheapplicationofthistechnology，putsforwardasolutionoftiltphotogrammetrybasedonclusterlightUAVgroup，andexplainsitsequipmentcompositionandoperationmodeindetail.WithacertainhistoryisbuildinginGuangzhouasanexample，therealthree-dimensionalimageissuccessfullyproduced，whichconfirmsthefeasibility.Key words：tiltphotogrammetry；lightunmannedaerialvehiclegroup；real3Dimage；historicbuilding0 引 言历史建筑测绘建档作为历史文化保护的重要组成部分，历史建筑承载着历史信息和宝贵的文化资源。历史建筑测绘归档工作的开展，将为后续历史建筑的迁移与复建、修复与保护、激活与利用提供详细的基础数据，是历史建筑保护的重要保证，是做好历史文化保护工作的前提和基础，对于加强历史建筑保护，延续城市文脉具有重要意义。根据广东省历史风貌建筑测绘建档计划要求，广州市已持续推进历史建筑的测绘建档工作。而测绘历史风貌建筑的本体和周边环境的实景三维影像1是实现对历史建筑真实场景及细节信息的数字化建档的重要内容，可以供动态化、多维度、兼顾细节的展示效果2，倾斜摄影测量则是在测绘实景三维影像工作中引入的重要技术。倾斜摄影技术是通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息3，所获取的数据经过处理可生成为实景三维影像。实景三维数据全面反映地物的几何和纹理属性，场景带入感强方面远远超过传统建模数据。实景三维具备 3 个特点：高度写实，完整展示现实场景；可量测数据，能直接获取地物高度、长度、面积数据4；建筑物纹理可批量采集，迅速实现三维建模。具体实施过程中本着先易后难的原则，先在条件较好的历史风貌建筑上开展，采用当下流行的大型六旋翼无人机为飞行平台，多镜头相机为传感器的配置采集实景三维影像数据，使用飞行控制系统同步记录拍摄时位置、姿态等信息，通过后期数据处理建立实景三维影像5。这种工作模式效率快、质量高，获得了较好的效果。但随着作业环境从较为空旷地带逐渐转入人口建筑密集区，出现了一些现实难题，为消除这些难题，本文提出了以轻型无人机群为核心的解决方案。74地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷创新应用1 问题分析随着在历史风貌建筑测绘中倾斜摄影测量工作的持续开展，影响测绘作业的问题日益增加与突出，主要表现在以下 3 个方面。1.1 拍摄技术要求更高首先，历史风貌建筑本体中塔类等结构复杂的建筑物较多，对反映建筑物表面色泽、图案和纹理等细节特征的测绘技术要求进一步提高。这就要求飞行器一方面要降低飞行高度，更接近建筑本体，同时改变传统的直线飞行线路，采取直接针对历史风貌建筑本体的拍摄角度与拍摄航线。其次，因为建筑物密集，保持影像光亮度统一并减少阴影的要求也提高。同时历史风貌建筑周边环境的影像也需尽量在光亮色泽方面与建筑本体保持一致。这就需要拍摄尽量在 11:0013:00 时段一次性完成，拍摄时间大大缩短。1.2 飞行申请更加困难开展历史风貌建筑周边环境测绘的无人机航飞高度一般在 100 m 以内，按照无人机相关管理规定，除了特殊管控范围以外，符合轻型标准的民用无人机飞行高度在 120 m 以下的不需申请空域管控审批。根据相关规定，轻型民用无人机的标准是同时满足飞行器重量不超过 4 kg，起飞重量不超过 7 kg，航行速度不超过 100 km/h，具备符合空域管理要求的航行自控能力和稳定的被监控功能的遥控驾驶飞行器。原有六旋翼飞行器裸机的重量一般要超过 5 kg，五镜头照相机的总重量由于镜头数量多的原因基本都会超过 2 kg，整套设备起飞重量则超过 7 kg，这使得原有测绘系统裸机重量和起飞重量均超过了轻型民用飞行器标准，要进行空域申请，并经过审批后才能开展飞行。由于负责空域管理的部门较多，审批时间较长，导致航飞工作效率大大降低。1.3 飞行环境更加复杂很多历史风貌建筑所在区域人员密集、建筑物复杂，飞行环境也极为复杂。首先，没有适宜的起降区域，大型旋翼无人机展翼覆盖面积大，起降精准性差，要求四周空旷上方无遮挡物，因此很难找到适合的地方进行起降。在不适宜起降的区域即使完成操作，也是对飞行控制人员的技术水平要求极高，完成无人机起降非常勉强。其次，电磁干扰强烈，无人机失控甚至坠落的情况也时有发生。现行六旋翼无人机和多镜头相机的总重量一般不低于 7 kg，一旦发生事故后果非常严重。最后，无人机低空飞行操作时旋翼旋转产生的声音大，影响市民的正常工作与休息。2 解决方案根据上述分析，可以看到历史风貌建筑测绘推进过程中逐渐显现的技术、效率和安全等问题，既相互对立，又辩证统一，必须采取有效方案统一解决。在综合考虑成果质量、作业时间、测绘成本、生产安全和环境干扰程度等因素的基础上，提出了基于轻型无人机群的倾斜摄影测量解决方案用以开展后续的历史风貌建筑的测绘工作。即采用轻型旋翼无人机搭载单镜头照相机，利用地面站多机控制方式，采用多台无人机集群式完成影像拍摄，采用多台工作站集群式完成数据解算的解决方案，实现质量、效率和安全的多重保障。2.1 采用轻型无人机降低无人机重量和旋翼数量，采用重量 2 kg 左右的四旋翼无人机，使其重量远低于轻型无人器的标准。重量降低相应地可减少无人机体积，对起降点环境的要求随之变低。2 kg 左右无人飞行器也可以保证配备足够的软硬件以满足倾斜摄影测量的需要，这些配置指标要求主要包括：配备双差分天线，搭载多星多频多系统实时差分模块，支持 CORS-RTK 和常规 RTK 服务，以减少对像控点的需要；配备 IMU、气压计和磁力计；同步存储相机曝光时间和卫星观测数据，可进行事后点位解算；最远航行时间不低于 1 h，最远航行距离不低于 30 km；最大起落抗风能力 5 级，最大飞行抗风能力 6 级；可实时进行故障检测与故障隔离；抗干扰能力强，噪声较低；具备图像位置补偿功能。通过采用轻型无人机，既可解决飞行申请的问题，提高工作效率，同时又有效避免由于飞行环境复杂带来的安全问题。2.2 搭载单镜头相机采用轻型无人机作为飞行平台，搭载能力会大为下降，必须降低搭载相机的重量。其中减少镜头数量是最为有效的办法，即采用单镜头相机取代 5 镜头相机。这既可大幅降低相机重量，也可进一步降低起飞总重量。为获取图像清晰、信息丰富、颜色自然、曝光一致、色差柔和的照片，单镜头照相机选择的基本参数控制要求为：影像像素不低于 2 000 万，CMOS 在 1 英寸左右，相片最大分辨率 5 4723 648 像素，镜头可自动对焦相机畸变校正，百米高空拍摄影像地面分辨率 2 m 左右；752022年 第6期创新应用易 波.轻型无人机群在历史风貌建筑测绘中的应用电子快门 8-1/8 000 s，机械快门 8-1/2 000 s，消除高速运行的果冻效应；感光度 12 800，暗光拍摄仍可呈现更多细节。同时，照相机与无人机导航系统、飞行控制系统必须微秒级时间同步，以此提升高速拍摄位置相关参数精度，为后续高精度影像数据处理提供精确原始数据。在没有降低相机参数的情况下将 5 镜头相机改为单镜头相机，有效地降低了起飞总重量，使得无人机拍摄更加灵活，受拍摄空间的限制更小，可以更加近距离地拍摄历史风貌建筑本体，提升拍摄相片质量，进一步减少安全隐患，降低飞行风险。2.3 地面站一控多机在采用单镜头照相机的情况下，要实现倾斜摄影测量就必须增加航飞的次数，为减少航飞次数，提高效率就需要采用同时飞行多架无人机，因此地面站需采用一控多机模式。除支持一控多机外，为保证地面站对无人机安全有效地控制，地面站还需具备以下功能：采用的Ocusync2.0 无线通信模式，在无电磁干扰的情况下通讯距离至少 7 km；实时可视化显示飞行轨迹、飞机状态、定位参数、风速、地速、电池状况和机上温度等参数；支持三维背景的飞行路线和飞行场景实时可视化；具备飞行状态异常报警及智能返航；可作为 RTK 基准站提供实时差分数据，并能与 RTK 手簿连接，实时获取无人机精确位置坐标。地面站一控多机模式，有效缩短了测量时间，使得在有效的拍摄时段内，摄影测量作业范围大幅扩充。2.4 集群式作业模式在对轻型无人机一站多控的基础上，对历史风貌建筑采用集群式作业模式，即在适宜的拍摄时段采用 5 台以上的轻型无人机同时作业，以此获得同时相、同亮度、同色度的影像。针对结构复杂的历史风貌建筑主体降低飞行高度，采用水平螺旋式环绕建筑物的航线，图 1 为环绕航线示例。图 1 环绕航线示例Fig.1 Examples of circling route针对塔类等地物做单点的多层环绕，镜头从水平方向对建筑本体进行拍摄，根据地物中心，环绕半径、建筑物底标高和顶标高设计环绕航线。为保证飞行安全，环绕飞行采用单机单架次的方法进行。而针对历史风貌建筑整体及周边环境采用常规区域航线布设方法，航高控制在 70 m 左右，参照低空数字航空摄影规范6的要求，航向覆盖超出摄区边界线不少于两条基线，旁向覆盖超出摄区边界线不少于像幅的 50%，确保有效获取到航摄分区边界影像。一次航飞单镜头照相机无法形成倾斜摄影测量要求的多角度照片，所以采用同一区域、同一航线飞行 5 次拍摄的方法获取多角度照片。镜头分别从垂直、向前倾斜、向后倾斜、向左倾斜和向右倾斜的 5 个方向对建筑主体及周边环境进行拍摄，倾斜角度保持在 45 左右。5 次拍摄导致航拍工作效率低下，所以采用两台或以上无人机同时集群作业。一般以 0.1 0.15 km2 作为一个无人机的作业