城市战场无人机倾斜摄影三维建模应用

关键词：城市战场；无人机；倾斜摄影；三维建模

无人机倾斜摄影凭借先进的定位技术、丰富的影像信息和精准的地理信息，可实现快速、低成本、高效的空间测绘和三维建模，广泛应用于城市规划、抢险救灾、资源勘察等多个领域。美陆军利用先进的战场无人机测绘技术，能够在战场上扫描、制作全动态视频并绘制三维模型地图，创建实时的城市战场三维模型，具备较高的分辨率，以满足单兵和较小作战对城市战场的测绘需求。

1 城市战场面临的挑战

城市作为经济科技中心必将成为未来战争的重要战略打击目标，特别是超大城市的庞大规模和沿海城市河流、水湾、港口等综合复杂的战场环境，需要具备登陆作战、街道战、垂直突击战等综合作战能力，构成了城市战的重要挑战。自古以来，各军事家都避免直接在城市展开战斗。公元前500年，孙子就说过“其下攻城”，称用兵的下策是攻打城池。第二次世界大战以后，各军事学说都建议避开或绕过城市，避免在城市开战。然而经济科技发达城市必将成为未来战争的重点打击对象，应紧前谋划做好一系列作战准备。从俄乌冲突中可以看出，几乎所有知名的保卫战和攻坚战都是在城市或者围绕着城市进行，这意味着城市作战在未来战争当中将具有非常重要的战略意义。

当前城市战场的新形势和军事信息化背景下，城市精准定位打击和特战反恐、人质解救等作战行动，传统二维地形图的空间地理展现不够直观立体，而实体沙盘缺乏可视化分析、全景式展现、人机交互等功能，也不便于战场环境更新。利用城市三维地形图，通过海量数据可视化和作战行动要素分析，有利于辅助城市作战指挥决策，构建虚拟仿真训练场景。然而城市地域规模大、地形复杂，采用人工测绘建模、纹理制作等系列流程，需要耗费很大的人力、物力和时间成本，特别是在突发作战场景需要时效性的情形下，需要一种快速、便捷的三维建模手段，来满足当下面临的三维地形图构建需要。

2 三维建模技术及流程

无人机倾斜摄影通过搭载摄像头获取四个方位倾斜和正射影像数据，如图1所示。数据包含POS数据、GPS数据、无人机飞行姿态、速度等信息，通过融合解析各方位数据信息，结合控制点坐标，自动完成空中三角测量，生成三维重建模型，适合建筑物较多、街道复杂的城市场景。

2.1 航摄参数

为了对基准地形建模，首先将目标飞行区域网格化，即根据一定精度划分为投影等间距的曲面网格， 使得飞行区域内的地形在水平面上的投影切分为若干个小正方形单元[1]。根据测量区域和无人机航行范围，合理分片划分航行区域，同时规划要充分考虑测区的地形环境，周边山区及建筑物高度空间分布，以确保飞行安全。一般用作城市场景倾斜测量的精度要求，飞行高度选择在50～100m之间，但按这个飞行高度无法完成超高建筑的倾斜摄影，无法满足超高楼栋的航行重叠度，导致超高建筑模型质量差，飞行安全也难以保障。

城市建筑三维场景的难点是高低落差大，楼栋密度高，这些因素会导致倾斜摄影航行难度增加、安全风险高、建模效果差和精度低。为解决此问题，在进行无人机选型时，尽量选择长焦距镜头无人机。本文选择大疆M600pro无人机搭载的DG4pros进行测试，因为镜头焦距比一般倾斜镜头焦距长，以保证无人机在安全的高度，保障摄影分辨率和精度要求。同时全画幅的镜头能在高密度的高楼栋飞行时，拍摄到更多角度，尽可能提升模型的重建精度和片区拼接质量。航摄前，选择天气晴朗、能见度大、风力较小的时间段进行航测，确保航飞数据采集准确。通常设置无人机飞行速度为3m/s，定时拍照2s/张，云台角度30°左右。

无人机沿预设线路飞行时，相邻航线之间的地物会在多个摄站中同时成像，即图像会产生重叠，其中飞行方向上的重叠为航向重叠，相邻航线间的重叠为旁向重叠。航向重叠又称“纵向重叠”。在航空摄影中，由于相邻像片是从空中不同位置拍摄的，随着投影距离的变化，投影倾斜、地形起伏都会产生投影距离误差，为保证航测的精度，应尽可能利用接近垂直投影的部分，这就要求保持部分航向重叠。在进行倾斜摄影测量时，为了保证拍摄质量，航向重叠度设置不低于80%，旁向重叠度设置为80%左右为宜。

2.2 模型实现

Context Capture软件是Bentley公司收购的一款功能齐全的专业三维实景建模软件，分为Viewer、Set⁃ting、Master、Engine四个程序端。Master是三维建模主模块，主要完成导入数据、进行空中三角测量以及模型重建的功能；Engine是一个运行引擎，它不依赖Master主程序，可在执行数据处理时单独运行；Setting 是中间媒介，帮助Engine指向任务的路径，将Master 与Engine连接起来，主要任务是环境和运行设置以及帮助Engine任务的路径；Viewer可预览生成的三维场景和模型，基本建模流程如图2所示。

1） 导入素材。从无人机导出五向飞行数据，新建工程名称以英文或数字命名，素材保存路径最好也是英文或数字。点击添加影像，添加整个素材文件夹，导入五个方向飞行数据。2） 空中三角测量。待数据导入完毕，打开Engine运行引擎，点击概要，提交空中三角测量。根据需要修改调整相关参数，无特殊需要一般默认即可，提交后等待系统自动分析测量数据，处理进度与计算机算力和图形显卡性能密切相关，建议选配专业的图形工作站处理数据。3） 控制点刺点。对三角测量关键数据进行刺点，以提高测量精度和准确度。选择测量添加控制点文件，选择空间参考系统，输入关键字搜索，找到对应的坐标系选择控制点，在潜在匹配项选择相应影像，长按中键拖动和鼠标左键拖动是移动相片，鼠标中键滚轮是放大、缩小，shift+鼠标左键刺点。数据量少的每个点刺6～8张，数据量大的每个点刺10～20张。刺点完毕，再次空中三角测量，等待运算完毕，查看质量报告。4） 三维重建。新建重建项目，选择空间参考系统，与控制点的空间参考系统一致，也可以点击编辑兴趣区域。选择切块模式，一般选择规则平面网格，处理设置选择填充除瓦片边界处以外的所有孔洞。5） 输出模型。选择三维网格选取OSGB、OBJ、FBX格式的数据，选择输出模型的坐标，等待建模完成，如图3所示。生产模型可导入Unity3D、3Dmax 等平台进一步开发或精修处理。

3 城市战场三维建模应用

当前，信息革命进入加速和深化发展的新阶段，大数据、物联网、智能芯片等前沿科技不断创新，人类社会正走向人机协同、万物智能的智慧时代。未来战争形态也正向信息化智能化嬗变，需要研究把握未来信息化、智能化军事发展的趋势。城市在高速发展，城市三维场景需要不断更新，它已经无法满足信息化条件下对三维城市战场立体模型的快速构建，以及海量数据可视化呈现和各项作战行动要素的分析[2]。

3.1 空间测量与可视化分析

从城市作战的地形图需求出发，将模型加载在其他平台，能够快速实现模型浏览、测量、分析和标注，如假设某栋楼是敌占领点，通过空间测量和智能分析周围环境，快速有效布控作战点位和狙击手；通过划定区域通视分析，可快速判断两位置之间是否通视，同时可显示空间距离，以供临阵指挥决策提供有力辅助支撑。将城市重要位置如疏散出口、防空地点、港口、战略目标等，在模型上以特定形式进行标注并涵盖相关信息，便于作战人员快速便捷熟悉城市战场信息。为指挥员处置应急突发事件、正确分析情况、判定态势定下决心，提供有力的支撑[3]。

3.2 虚拟仿真战场环境

地理环境是战场要素的载体和基础，是作战行动的展开区域，在虚拟战场环境中的表现就是地形、战斗模型、特殊效果模型等。特殊效果模型包括气象要素模型和战场效果模型，气象环境在一定条件下起着确定作战时刻表的作用，气象要素模型在虚拟战场环境中的表现为雨雪、沙暴、浓雾等天气模拟效果；战场效果模型包括烟雾、声音、实时态势等。战斗模型包括单兵模型、车辆模型、无人机、战斗机模型及任务目标，便于展示空间立体战争态势，设计进攻路线、精准打击路线等。

3.3 三维交互式电子沙盘

三维交互式电子沙盘是在传统沙盘的基础上融入了图像处理、全息投影、智能分析等功能模块，如图4所示。相比传统物理沙盘更加直观生动，具有以下比较优势：1） 可以准确地按比例还原物体形态，解决了传统沙盘模型或电子地图显示全局时看不到细节，弥补了传统沙盘模型的功能缺陷；2） 通过虚拟现实VR、人机交互融合运用，可以更加生动地模拟三维城市战场环境，如同身临其境带来浸入式作战体验，作为模拟仿真训练和战场演训活动的虚拟仿真场景，可以淬炼心理素质、锻炼临场反应能力与危机处理能力；3） 三维交互式电子沙盘更加系统化，具备信息检索、分析和量算、设施立体化、属性查询、集成定位系统等更多的功能，能快速获取关联信息，适应战场环境的实时性和多变性；4） 操作灵活、简单、便于维护和修改，可进行任意缩放和漫游，对目标进行全方位的观察分析，突破传统沙盘占地面积大、携带不方便、表现内容单调且难以更新等缺点，相关技术更新快，可扩展性强。

4 小结

运用无人机倾斜摄影快速构建城市战场三维建模，采用三维视图与虚拟现实技术、人工智能相结合，实现全景式、超精细、超大范围地形展示，以最优方式实现战场环境可视化和战场态势显示。同时提供视线分析、地形分析，在作战瞬息万变的环境中，快速适应转变，真正做到运筹帷幄，决胜千里。