一、項(xiàng)目背景

西安城墻位于陜西省西安市中心，是第一批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位、5*旅游景區(qū)，是我國古代城垣建筑中保留至今最為完整的一處，也是當(dāng)今世界現(xiàn)存最完整的古城墻。西安城墻墻高12米，頂寬12～14米，底寬15～18米，輪廓呈封閉的長方形，周長13.74千米。

古城墻是西安市城市整體布局的重要構(gòu)成部分，承載著我國傳統(tǒng)的歷史文化。因此，對于古城墻的保護(hù)顯得尤為重要。無人機(jī)近景攝影測量技術(shù)能夠高效、準(zhǔn)確、無接觸地獲取古城墻及附屬建筑物的影像數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對古城墻及建筑物進(jìn)行三維重建，可以實(shí)現(xiàn)對西安古城墻的數(shù)字化及信息化，為古城墻的管理保護(hù)工作提供嶄新的思路和方向。

二、測區(qū)概況

項(xiàng)目測區(qū)位于陜西省西安市市中心，測量目標(biāo)為西安市古城墻及附屬的古建筑、構(gòu)筑物等，全長約13.74km，有效建模區(qū)域面積約為14km2。測區(qū)內(nèi)地勢較為平坦，部分區(qū)域有百米高樓。

考慮到光線照射角度及背陰面陰影大小，規(guī)定無人機(jī)環(huán)繞飛行作業(yè)時(shí)間為10:00～15:00，在該時(shí)間段內(nèi)，太陽高度角較高，光線陰影較小，適合飛行。同時(shí)，為了避免無人機(jī)貼近攝影測量影像數(shù)據(jù)采集過程中造成過曝現(xiàn)象，規(guī)定貼近攝影測量作業(yè)時(shí)間為9:30～10:00和15:00～16:00。

測區(qū)內(nèi)共布設(shè)地面像控點(diǎn)48個(gè)，考慮到古城墻附近對于環(huán)境保護(hù)的需求，因此，像控點(diǎn)全部選擇點(diǎn)位清晰且易辨認(rèn)的地面斑馬線、道路指示線等角點(diǎn)，像控點(diǎn)分布如下圖所示。

三、項(xiàng)目設(shè)備選用

由于此次拍攝的目標(biāo)物包括城墻、城門、閘樓、城樓、箭樓、角樓、敵樓、女墻、馬面、甕城以及城墻內(nèi)側(cè)民房及外側(cè)高層建筑物等，其中閘樓、箭樓、角樓、敵樓等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多為通柱式結(jié)構(gòu)，不僅包含平臺結(jié)構(gòu)，還包含暗層、樓面以及挑臺等結(jié)構(gòu)。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和細(xì)致的紋理給攝影測量工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

為了獲取測區(qū)的高質(zhì)量航片，兼顧無人機(jī)的安全性，項(xiàng)目組選用設(shè)備為大疆M300 RTK無人機(jī)和睿鉑M6 Pros近景攝影測量相機(jī)。M300 RTK無人機(jī)，抗風(fēng)性能優(yōu)異，續(xù)航時(shí)間長，且具備RTK厘米級定位精度，可實(shí)現(xiàn)精確地航線作業(yè)及懸停作業(yè)。

M6 Pros量測型相機(jī)是睿鉑最新研發(fā)出的多用途產(chǎn)品，配備三軸增穩(wěn)云臺，穩(wěn)定性非常好，可以有效改正無人機(jī)飛行時(shí)姿態(tài)變化引起的成像時(shí)刻姿態(tài)偏移，保證曝光時(shí)刻的成像姿態(tài)與航線預(yù)設(shè)的姿態(tài)一致。

M6 Pros可直接使用DJI Pilot執(zhí)行航點(diǎn)任務(wù)，具備實(shí)時(shí)參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)圖像顯示功能，同時(shí)，在相機(jī)控制方面也非常方便，可直接使用M300遙控器控制相機(jī)拍照及錄像。既可以用來生產(chǎn)正射圖像，也可以用于近景攝影測量建立高質(zhì)量精細(xì)化模型，可保證5mm高分辨率的情況下離建筑物50m，在保證模型效果的同時(shí)也保證了飛行安全。

四、航線規(guī)劃設(shè)計(jì)

此次飛行航線設(shè)計(jì)使用Way Point Master完成，軟件可提供十余種航線規(guī)劃方案，包括環(huán)繞飛行、仿地飛行、帶狀飛行、雷達(dá)測繪、立面測繪等多種外業(yè)飛行作業(yè)模式，根據(jù)作業(yè)類型不同，提供適配作業(yè)方案。

城墻南永寧門段環(huán)繞航線示意圖1

使用WPM軟件對測區(qū)進(jìn)行環(huán)繞航線設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)的五鏡頭作業(yè)，可以大大的減少傾斜攝影采集的影像數(shù)量，同時(shí)拍攝角度也更加豐富。此外，由于測區(qū)內(nèi)建筑物密集，高且高樓建筑物較多，因此在環(huán)繞飛行后，再次使用M6 Pros相機(jī)對測區(qū)進(jìn)行正射數(shù)據(jù)采集，以豐富建筑物的紋理信息，減少模型空洞的產(chǎn)生。

城墻南永寧門段環(huán)繞航線示意圖2

五、外業(yè)航飛概況

本次項(xiàng)目外業(yè)采集工作分兩部分進(jìn)行，首先，使用M300+M6Pros+WPM對測區(qū)進(jìn)行整體環(huán)繞式飛行，獲取整個(gè)測區(qū)的影像數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)航高為150米，地面分辨率（相機(jī)俯仰角-45°情況下的真實(shí)分辨率）約為2cm。

箭樓和城墻數(shù)據(jù)采集

甕城數(shù)據(jù)采集

其次，使用M300+M6Pros對城墻、城門、閘樓、城樓、箭樓、角樓、敵樓、女墻、馬面、甕城等進(jìn)行貼近飛行，拍攝距離45m左右，分辨率約為4mm。西安城墻永寧門段有效建模面積0.7km2，環(huán)繞飛行采集影像1481張，正射影像634張，永寧門手動補(bǔ)拍照片210張，總計(jì)照片數(shù)2325張。

城樓正面數(shù)據(jù)采集

城樓側(cè)面數(shù)據(jù)采集

六、航飛數(shù)據(jù)處理

以永寧門段進(jìn)行說明，西安城墻永寧門段有效建模面積0.7km2，環(huán)繞飛行采集影像1481張，正射影像634張，永寧門手動補(bǔ)拍照片210張，總計(jì)照片數(shù)2325張。本次數(shù)據(jù)處理采用中測智繪Mirauge 3D軟件，空三一次性通過，空三解算時(shí)間約35min，建模時(shí)間約3小時(shí)。

七、模型效果

7.1?

原始模型效果

7.2?

修飾后模型效果

八、項(xiàng)目總結(jié)

從飛行情況來看，環(huán)繞飛行高度150m，地面分辨率可達(dá)2cm，貼近飛行距目標(biāo)物距離45m，分辨率可達(dá)4mm，*可滿足項(xiàng)目需求。并且，環(huán)繞飛行相較于傳統(tǒng)的五鏡頭沿航線飛行，獲取的影像數(shù)據(jù)可以減少4/5左右，大大減少了內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理壓力，解決了外業(yè)一直拍，內(nèi)業(yè)不出活的尷尬局面。

在整體效果方面，M6 Pros的參數(shù)設(shè)置融合了睿鉑多年的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，相機(jī)參數(shù)波動被約束在一個(gè)相對固定的范圍，可在大部分環(huán)境下保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

細(xì)節(jié)上，M6 Pros的COMS尺寸為35.7mm×23.8mm，像幅面積是精靈4 RTK的7.3倍，更大的畫幅可帶來更好的寬容度和高感，航片采集的城樓及城墻細(xì)節(jié)內(nèi)容會更加豐富，其作業(yè)效率也會越高

九、單位簡介

南京維新空間信息技術(shù)有限公司是一家集測繪、地理信息領(lǐng)域的技術(shù)型企業(yè)。公司擁有專業(yè)的團(tuán)隊(duì)和核心的技術(shù)產(chǎn)品，專注于影像及三維激光技術(shù)，提供實(shí)景三維GIS服務(wù)。公司業(yè)務(wù)涵蓋測繪地理信息裝備*、實(shí)景三維建模全流程工程服務(wù)、空間數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)和實(shí)景三維建模技術(shù)輸出。公司秉持“工匠”精神，切實(shí)為用戶提供實(shí)用、高效、簡單的產(chǎn)品和服務(wù)。