２０１８年８月第４期

林业资源管理

ＦＯＲＥＳＴＲＥＳＯＵＲＣＥＳＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴＡｕｇｕｓｔ２０１８Ｎｏ４

无人机倾斜摄影在森林景区实景三维模型构建及分析

杨　帆（国家林业局调查规划设计院，北京１００７１４）

摘要：无人机倾斜摄影测量技术作为新技术在实景三维建模领域得到了广泛的应用。分析了倾斜摄影测量技术的

基本原理、系统组成，给出了基于无人机倾斜设计技术的实景三维模型的技术流程与方案。选取河南焦作云台

山红石峡森林景区为试验区，按照相关技术流程与方案制作了该地区的实景三维模型，模型真实表达了旅游景

区的实际自然风貌、人文等特征，通过浏览模型便可以达到身临其境的感觉，该实景三维模型数据可作为旅游

景区规划、景区各种自然现象仿真、开发智慧管理系统等的基础数据与依据，具有巨大的市场价值与应用前景。

关键词：无人机；倾斜摄影；实景三维模型；数据处理集群；智慧管理

中图分类号：Ｐ２３；ＴＰ７９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２－６６２２（２０１８）０４－０１２０－０５

ＤＯＩ：１０．１３４６６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｌｙｚｙｇｌ．２０１８．０４．０１９

ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅＯｂｌｉｑｕｅＰｈｏｔｏｇｒａｐｈｙｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ３ＤＭｏｄｅｌｏｆＦｏｒｅｓｔＳｃｅｎｉｃＳｐｏｔｓ

ＹＡＮＧＦａｎ（ＴｈｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＦｏｒｅｓｔＩｎｖｅｎｔｏｒｙａｎｄＰｌａｎｎｉｎｇ，ＳＦＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００７１４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ（ＵＡＶ）ｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｓａｎｅｗｔｅｃｈｎｉｑｕｅｍｅｔｈｏｄＴｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｙｓｔｅｍｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｉｌｔｐｈｏｔｏｇｒａｍｍｅｔｒｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｇｉｖｅｓｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｆｌｏｗａｎｄｓｃｈｅｍｅｏｆｔｈｅｒｅａｌｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅｔｉｌｔｄｅｓｉｇｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴａｋｉｎｇｔｈｅＹｕｎｔａｉＭｏｕｎｔａｉｎＨｏｎｇｓｈｉｇｏｒｇｅＦｏｒｅｓｔＳｃｅｎｉｃＡｒｅａｉｎＪｉａｏｚｕｏ，Ｈｅｎａｎａｓｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｒｅａ，ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅａｒｅａｉｓｍａｄｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｓｃｈｅｍｅｇｉｖｅｎｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒＴｈｅｍｏｄｅｌｔｒｕｌｙｅｘｐｒｅｓｓｅｓｔｈｅｎａｔｕｒａｌｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｓｃｅｎｉｃｓｐｏｔｓａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｈｕｍａｎｉｔｉｅｓ，ａｎｄｃａｎｒｅａｃｈｔｈｅｆｅｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｒｅａｌｓｃｅｎｅｂｙｂｒｏｗｓｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｒｅａｌｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓｔｈｅｂａｓｉｃｄａｔａａｎｄｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｐｌａｎｎｉｎｇｏｆｔｏｕｒｉｓｔａｔｔｒａｃｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｖａｒｉｏｕｓｎａｔｕｒａｌｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｎｓｃｅｎｉｃｓｐｏｔｓ，ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍＩｔｈａｓｖｅｒｙｇｒｅａｔｍａｒｋｅｔｖａｌｕｅａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔＫｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＡＶ，ｏｂｌｉｑｕｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ，ｒｅａｌ３Ｄｍｏｄｅｌ，ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｌｕｓｔｅｒ

收稿日期：２０１８－０６－２１；修回日期：２０１８－０７－２０作者简介：杨帆（１９８５－），男，内蒙古人，工程师，本科，主要从事林业规划设计工作。Ｅｍａｉｌ：ｗｏｌｆｒａｉｎ９９＠１２６ｃｏｍ

　第４期 杨帆：无人机倾斜摄影在森林景区实景三维模型构建及分析

０　引言１９１７年１１月，美国的第一架无人机在纽约长

滩岛试飞场试飞成功。这是世界上公认的第一架

无人机。１９６６年１２月中国最早的无人机“长空一号”（ＣＫ－１）首飞成功。早期的无人机主要用于军事活动，由于其特有的技术优势，后来逐渐延伸到

科研和民用领域。无人机与航空摄影测量相结合，

使得无人机低空摄影测量系统被引入测绘行业，加

上非量测数码相机的引入，就使得无人机航摄系统

成为航空摄影领域的一个新发展方向。基于无人

机平台的倾斜摄影测量技术［１－２］是国际测绘领域近

些年发展起来的一项高新技术，它改变了以往航空

摄影测量只能使用单一相机从垂直角度拍摄地物

的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，

同时从垂直、侧视和前后视等不同角度快速、高效

获取丰富的影像信息，采用摄影测量技术构建实景

三维数据，真实地反映地面的客观情况。实景三维

数据可真实地反映地面的客观情况，如地物的外

观、位置、高度等属性，弥补了传统航空摄影测量无

法从多个角度获取地物三维信息的局限，被广泛用

于自然资源、城建、水利、交通、旅游、地质、林业、电

力、农牧等诸多领域［３－６］。以河南焦作云台山红石

峡森林景区为例，论述了利用无人机倾斜摄影技术

获取森林景区实景三维模型数据的技术方案，以期

为森林景区规划、智慧管理、景区三维模型数据获

取等应用提供一定的参考性价值。

１　无人机倾斜摄影系统简介本文采用的无人机倾斜摄影系统是由北京新

武测信息技术有限公司研制的海燕ＨＸ－Ｘ２多旋翼无人机倾斜摄影系统，主要包括无人机飞行平台、

飞行控制系统、倾斜摄影相机系统，以及地面站、远

程无线通信装置、地面数据处理系统等辅助设施，

是一套集多轴无人驾驶飞行器、ＧＰＳ导航定位、倾斜摄影相机等技术于一体建立起来的高机动性、低成

本和小型化、专用化的航测系统［７］。实验时间为

２０１７年６月２０日。其采用的无人机平台是一套轻型六旋翼无人

机平台（图１），机身结构由碳纤维材料制成，６个支

臂采用直连式（可拆卸）结构，有效载荷小于２ｋｇ，该平台主要技术参数见表１。其上搭载的相机系统是一套双目倾斜摄影相机系统，由相机系统、控制系

统、摆扫系统、ＧＰＳ等几个部分组成，重量为１２ｋｇ，倾斜相机系统技术指标见表２。飞行控制系统使用大疆Ａ２型无人机飞控导航系统，用于飞行控制及任务设备管理。地面控制系统基于 ＤＪＩＧｒｏｕｎｄＳｔａｔｉｏｎ地面站软件，用于航摄前期测区查询、航线设计及参数设置，飞行阶段实时显示飞行参数，辅助飞

控人员进行飞行，后期统计输出导航文件、影像飞行

图１　海燕ＨＹ－Ｘ２多旋翼无人机平台系统Ｆｉｇ１ＨＹ－Ｘ２ｍｕｌｔｉｒｏｔｏｒｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅｐｌａｔｆｏｒｍｓｙｓｔｅｍ

表１　海燕ＨＸ－Ｘ２多旋翼无人机平台技术参数Ｔａｂ１ＨＸ－Ｘ２ｍｕｌｔｉｒｏｔｏｒｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ

ｐｌａｔｆｏｒｍｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

旋翼布局 Ｘ６正常布局

轴距 ８８０ｍｍ

标配重量 ６６ｋｇ（包含１２ｋｇ载荷）

续航时间 ４０ｍｉｎ

有效作业航程 １０～１２ｋｍ

最大起飞重量 ７４ｋｇ（相当于有效载荷２ｋｇ）

最大升限 １５００ｍ（起飞海拔３０００ｍ）

巡航速度 ４～８ｍ／ｓ

螺旋桨型号 １５５０碳纤桨

电池容量 ２４０００ｍａｈ

通讯距离 １０ｋｍ（飞行高度１００ｍ测得）

拆卸结构 机臂拔插结构

包装尺寸 ６５０ｍｍ×３５０ｍｍ×４００ｍｍ定制航空铝箱

功能拓展性 可根据需求微调平台配置

飞行控制系统 ＤＪＩＡ２（可根据客户需求替换）

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林业资源管理 第４期　

质量快速检查等。地面数据处理系统由一套包括２个平差节点、３０个计算节点的高性能图形工作站构建的数据处理集群组成。

表２　海燕ＨＹ－Ｘ２多旋翼无人机倾斜摄影相机

系统技术参数

Ｔａｂ２ＨＹ－Ｘ２ｍｕｌｔｉｒｏｔｏｒｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ

ｏｂｌｉｑｕｅｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙｃａｍｅｒａｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

功能组成

部分

参数及

性能参数值

相机

系统

微单相机

（标配）

ＳｏｎｙＩＬＣＥ－６０００有效像素：４０００×６０００，２４００万像素传感器尺寸：２３５ｍｍ×１５６ｍｍ（ＡＰＳ－Ｃ画幅）

镜头Ｓｏｎｙ焦 距 ２０ｍｍ Ｆ２８定 焦 镜 头，型号ＳＥＬ２０Ｆ２８

存储卡ＳＤ卡，ＳＯＮＹＳＦ－３２ＵＸ２高速（９４Ｍ／Ｓ、３２ＧＢ）

控制

系统

拍照 等间距拍照，如 １０ｍ，可根据用户需求自定义

ＧＰＳ信号采集 配置独立的 ＧＰＳ接收天线、接收模块，记录相机拍照时刻同步的ＧＰＳ位置

相机电源控制 将无人机平台动力电转接给相机供电

拍摄角度 控制云台进行前、正、后三个方向进行摆

扫，摆扫角度可以根据用户的需要进行

设置

存储卡 ＴＦ卡，闪 迪 （ＳａｎＤｉｓｋ）至 尊 高 速 ＴＦ卡，３２ＧＢ

摆扫

云台

摆扫方向 垂直于无人机飞行方向进行摆扫

相机安装方向 两台相机视轴方向分别沿飞行方向两侧

倾斜安装

舵机云台 提供相机沿着飞行方向进行二维摆动

重量 １２ｋｇ搭载平台 各种轻型多旋翼无人机系统

２　试验及分析２１　试验区概况

本文选取云台山红石峡（温盘峪）作为试验对

象，红石峡位于河南省焦作市修武县云台山森林

景区内，峪内夏日凉爽宜人，隆冬青苔卉莳草翠，

故称温盘峪，被风景园林专家称赞为自然界山水

精品廊。图２给出了红石峡在 ｇｏｏｇｌｅ地球上空间分布示意图，其中绿色部分为本次试验的航飞

测区。

２２　无人机航测及景区实景三维制作整个技术流程如图３所示。

图２　红石峡景区示意图（来自Ｇｏｏｇｌｅ地球）Ｆｉｇ２ＨｏｎｇｓｈｉＧｏｒｇｅｓｃｅｎｉｃｓｐｏｔｄｉａｇｒａｍ（ｆｒｏｍＧｏｏｇｌｅｅａｒｔｈ）

图３　无人机航测技术流程

Ｆｉｇ３Ｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅ

ａｅｒｉａｌｓｕｒｖｅｙｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｃｅｓｓ

１）技术设计在飞行设计前对试验区概况进行了解并收集

相关资料，如试验区高分辨率遥感影像、地形图等，

并到测区现场进行实地踏勘，掌握实地地形起伏情

况。本次试验区要求获取空间分辨率优于５ｃｍ的原始航摄影像，结合测区地形起伏状况，本试验设

计了 ３个航摄架次，航高根据海拔高度设置为

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　第４期 杨帆：无人机倾斜摄影在森林景区实景三维模型构建及分析

２５０ｍ，地面分辨率优于５ｃｍ，航高和分辨率的关系可以根据下式计算［８］。根据状测区几何特点，在测

区均匀分布了１０个控制点，检查点和控制点间距大约３００ｍ，对于无明显特征地物点区域，需要放置棋盘格控制点靶标，控制点坐标采用 ＧＰＳＲＴＫ测量，测量精度要求约２ｃｍ。

Ｈ＝ｆ×ＧＳＤα

式中：Ｈ为摄影航高；ｆ为相机镜头焦距（本次试验为 ２０ｍｍ）；ａ为像元尺寸 （本次试验为０００３９１７ｍｍ）；ＧＳＤ为航摄影像对应的地面分辨率（本次航高设计采用５ｃｍ进行计算）。

图４　红石峡试验区飞行航线规划结果示意图

（蓝色、绿色和红色分别代表第１，２和３架次的航线规划结果）Ｆｉｇ４ＤｉａｇｒａｍｏｆｆｌｉｇｈｔｒｏｕｔｅｐｌａｎｎｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｉｎＨｏｎｇｓｈｉＧｏｒｇｅ

ｐｉｌｏｔａｒｅａ（ｂｌｕｅ，ｇｒｅｅｎａｎｄｒｅｄｒｅｐｒｅｓｅｎｔｒｏｕｔｅｐｌａｎｎｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ

ｏｆｆｉｒｓｔ，ｓｅｃｏｎｄａｎｄｔｈｉｒｄｓｏｒｔｉｅｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ）

２）航摄数据采集将规划好的航线载入飞行控制系统，地面控制

系统按照规划航线控制无人机飞行，倾斜摄影相机

系统则按预设的航线和拍摄方式控制相机进行拍

摄。本试验共飞行了３个架次，第１，２和３架次分别获取了３２１６，２９０９和２９７２张影像，共获取影像９００７张，采用人工选取同名点的方法计算相邻像片的重叠度和旋偏角，利用飞控数据和导航数据来检

查航线的弯曲度、同一航线的航高差等参数，经检

查均达到相关要求。

３）航测内业处理航测内业处理主要包括图像匹配、区域网平

差、实景三维模型制作等［９－１１］，本文主要采用 Ｓｍａｒｔ３Ｄ，ＡｒｃＭａｐ等软件实现［１２］，详细数据处理流程如图

５所示。平差结果精度统计表明，平差连接点在相邻图像上的相对位置误差为 ００１７ｍ（约 ０７３像素），控制点的平面位置误差小于２０ｃｍ，高程误差小于３０ｃｍ。因此，通过航测内业处理实现了红石峡试验区获取的所有倾斜摄影影像的无缝镶嵌和绝对

定位。

图５　实景三维模型航测内业数据处理流程示意图Ｆｉｇ５Ｄｉａｇｒａｍｏｆｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｆｌｏｗｏｆ

ａｅｒｉａｌ３Ｄｍｏｄｅｌｉｎａｅｒｉａｌｓｕｒｖｅｙ

图６　红石峡实景三维模型效果图Ｆｉｇ６ＴｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｅｆｆｅｃｔｍａｐｏｆＨｏｎｇｓｈｉＧｏｒｇｅ

３　结论与展望利用倾斜摄影技术构建了红石峡旅游景区实

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林业资源管理 第４期　

景三维模型的技术流程与方案，获取了试验区的原

始倾斜影像，并开展了航测内业处理，完成了试验

区实景三维模型的制作。从实景三维模型的实际

效果上，可以明显看出真实表达了旅游景区的实际

自然风貌，通过浏览模型便可以达到身临其境的感

觉。因此，基于无人机的倾斜摄影技术，能够快速、

高真实性、高效地获取森林景区实景三维模型，为

游客事先了解景区人文、自然风貌等特点提供良好

的先验资料，同时该模型数据可以作为森林景区规

划、景区森林资源普查、景区各种自然现象仿真、开

发智慧管理系统等的基础数据与依据，并且利用数

据进行基于光谱分析的植被类型和树种识别，三维

建模森林蓄积估算等应用研究，具有非常巨大的市

场价值与应用前景。但也存在一些不足：一是续航

能力约４０ｍｉｎ，只适用于小范围数据采集和核查；二是受航空管制；三是缺乏无人机林业应用专业队

伍，缺少具备相关资质的技术人员；四是无人机及

载荷价格和应用成本相对较高。

基于以上研究分析，建议：

１）在试验成熟的领域推广无人机应用。尽快在大样地调查、造林核查、行政执法、非测树一类样

地调查等领域规模化推广无人机应用。

２）制定无人机森林资源调查技术标准和规范。针对不同无人机、载荷和不同业务，编制相关标准。

规范无人机技术参数、操作流程、数据处理、产品精

度和质量等内容。

３）组建无人机林业航测专业队伍。用市场化手段，通过培训等方式组建无人机林业航测专业队

伍，保障无人机在林业行业的规模化应用。

４）深入研究无人机林业应用技术。重点研究无人机激光雷达测树高技术、建立不同区域森林类

型模型分析技术应用。

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