無人機(jī)傾斜攝影測量在城市三維建模中的應(yīng)用

倪自強(qiáng)

（長江三峽勘測研究院有限公司（武漢））

無人機(jī)傾斜攝影測量在城市三維建模中的應(yīng)用

倪自強(qiáng)

（長江三峽勘測研究院有限公司（武漢））

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來國際遙感領(lǐng)域發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。傾斜攝影測量技術(shù)不僅能真實(shí)反映地物信息，而且通過定位技術(shù)、地理信息、影像信息，提高了航拍影像處理速度，從而自動(dòng)化建設(shè)三維模型。而智慧城市的建設(shè)過程中，需要三維模型的支撐，因此將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用在智慧城市中，能提高三維建模的速度。

傾斜攝影測量技術(shù)；智慧城市；三維模型

1 引言

我國正處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展過程中，城鎮(zhèn)化帶來的城市人口、城市交通、城市環(huán)境等問題日益突出。為了實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，國家提出了智慧城市的理念。所謂的智慧城市就是利用先進(jìn)的信息技術(shù)，對城市進(jìn)行智慧管理和運(yùn)行，促進(jìn)城市和諧發(fā)展。傾斜攝影測量技術(shù)結(jié)合了GPS、圖像處理、攝影測量、GIS等技術(shù)，在高速飛行的物體上搭載GPS、傾斜相機(jī)等傳感器和設(shè)備，能夠快速、全面、精確、實(shí)時(shí)地采集空間地理信息傾斜攝影。因此在國土安全、測繪、城市管理中應(yīng)用十分廣泛。

2 傾斜攝影測量

2.1 傾斜攝影測量概念

傾斜攝影測量技術(shù)是近年來國際測繪領(lǐng)域發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它顛覆了過去正向攝影從垂直角度拍攝的局限性，而是在同一臺(tái)飛行器上搭載多臺(tái)傳感器，從5個(gè)或者更多個(gè)角度采集地面信息圖像，從而給用戶營造真實(shí)的視覺體驗(yàn)。

2.2 傾斜攝影測量特點(diǎn)

傾斜攝影測量具有以下特點(diǎn)：

1）能夠真實(shí)反映周圍物體的真實(shí)情況。與正射影像相比，傾斜攝影讓人從多個(gè)角度去觀察事物，能夠更加真實(shí)地反映出事物的實(shí)際情況，從而彌補(bǔ)了正射影像的局限性。

2）傾斜攝影測量技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)單張攝影量測。通過傾斜攝影測量技術(shù)和配套的軟件，能夠?qū)z影影像的高度、長度、面積、角度和坡度等進(jìn)行量測。

3）可以采集建筑物側(cè)面信息。在三維數(shù)字城市應(yīng)用中，利用傾斜攝影技術(shù)大規(guī)模成圖的特點(diǎn)，從傾斜攝影批量提取相關(guān)紋理信息，降低了城市三維建模的成本。將傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)用在城市規(guī)劃、城市管理、軍事活動(dòng)等領(lǐng)域，具有其他數(shù)據(jù)無法取代的價(jià)值。傾斜攝影測量能夠讓指揮者和決策者看到比正射影像更多的影像資料，比如傾斜影像測量能夠看到房屋一些側(cè)面的安全出口，傾斜影像任意兩點(diǎn)之間都可以通過軟件進(jìn)行精確的計(jì)算，在城市反恐活動(dòng)中，能夠計(jì)算通視距離、制高點(diǎn)等；在解救人質(zhì)等緊急行動(dòng)中，能更好地輔助決策。

3 無人機(jī)傾斜攝影測量在智慧城市中的應(yīng)用

3.1 城市概況

南昌市，氣候濕潤溫和，日照充足，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。是與長三角城市群、珠三角城市群和海峽西岸城市群相毗鄰的城市。在智慧城市發(fā)展方面也處于全面領(lǐng)先水平，將重點(diǎn)發(fā)展市智慧電網(wǎng)、智慧金融、智慧管網(wǎng)、智慧照明、智慧監(jiān)測等內(nèi)容，依托大數(shù)據(jù)建立智慧產(chǎn)業(yè)集群。南昌市的高新區(qū)、紅谷灘新區(qū)、東湖區(qū)等先后開啟了智慧城市建設(shè)步伐。預(yù)計(jì)通過3～5年的時(shí)間，加快新區(qū)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化，構(gòu)建城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和公共信息服務(wù)平臺(tái)，建設(shè)智慧環(huán)保、國土系統(tǒng)，打造便捷服務(wù)、電子政府系統(tǒng)等。

3.2 無人機(jī)傾斜攝影測量構(gòu)成

無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)由飛控系統(tǒng)、飛行平臺(tái)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備以及地面保障設(shè)備組成。飛控系統(tǒng)控制無人機(jī)的導(dǎo)航、定位和飛行；飛行平臺(tái)主要是搭載無人機(jī)設(shè)備并執(zhí)行航拍任務(wù)；地面監(jiān)控系統(tǒng)主要接收、存儲(chǔ)、顯示、回訪無人機(jī)的高度、速度、方位、航向等飛行數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)地面監(jiān)控站與飛行控制系統(tǒng)、機(jī)載設(shè)備的數(shù)據(jù)和指令控制信息的傳輸；任務(wù)設(shè)備主要是獲取航拍影像和存儲(chǔ)；地面保障設(shè)備主要為無人機(jī)飛行任務(wù)提供基本的保障。

3.3 無人機(jī)傾斜攝影測量

無人機(jī)傾斜攝影測量之前，需要對待飛行區(qū)域的行政數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)等信息，選擇合適的無人機(jī)系統(tǒng)。比如無人機(jī)的型號、尺寸、電池的續(xù)航能力、拍攝角度等。并根據(jù)這些信息確定無人機(jī)的航高、航拍軌跡、拍攝時(shí)間。無人機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的路線進(jìn)行傾斜攝影。飛機(jī)結(jié)束以后。整理拍攝的相關(guān)數(shù)據(jù)資料，如果符合要求，則將攝影資料提交給相關(guān)單位；如果不符合，無人機(jī)要重新飛行拍攝。

3.4 三維建模

三維建模是傾斜攝影測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建模的質(zhì)量直接影響后期的應(yīng)用效果。通過無人機(jī)傾斜攝影測量后，獲取了南昌市測繪區(qū)域的原始影像數(shù)據(jù)資料。在拍攝過程中，受到光線、拍攝角度的影響，原始影像資料在飽和度、亮度和色相方面存在一定的差異，所以要對其進(jìn)行統(tǒng)一處理。通過校驗(yàn)場對POS系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，然后對POS數(shù)據(jù)解算，利用POS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地面控制點(diǎn)數(shù)據(jù)得到每一張航片的精確方位元素。通過垂直影像、傾斜影像數(shù)據(jù)、三角測量技術(shù)，以及影像密集匹配技術(shù)，得到基于真實(shí)影像高密度點(diǎn)云的實(shí)景數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)。然后，將統(tǒng)一化處理的影像數(shù)據(jù)資料以像素級別的分辨率紋理映射到實(shí)景數(shù)字模型的表面，生成一個(gè)初級全要素的城市三維模型圖。在這個(gè)環(huán)節(jié)，需要借助一些三維建模軟件，常見的 有 3Dmax、AE、Smart3DCapture等軟件。最后通過一些輔助手段對三維模型圖進(jìn)行修改、補(bǔ)漏和細(xì)化處理，從而得到一個(gè)比較全面、精細(xì)的城市三維模型。

無人機(jī)傾斜攝影測量在南昌市智慧城市測量中使用了Smart3DCapture三維建模軟件Smart3DCapture是目前最先進(jìn)的全自動(dòng)三維建模軟件，它通過簡單的照片就可以生成高分辨率的真實(shí)三維模型，整個(gè)過程不需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，生成速度非?？?，一般需要幾十分鐘或者幾個(gè)小時(shí)就可以完成數(shù)據(jù)處理，建立簡單、全自動(dòng)、真實(shí)的實(shí)景真三維模型，而且這種軟件的兼容性非常好，可以輸出不同格式。此次南昌智慧城市測量中無人機(jī)使用了一個(gè)垂直鏡頭和兩個(gè)傾斜鏡頭，設(shè)計(jì)了14條航線，獲得了30000km2內(nèi)的高分辨率的地物影像資料，共有數(shù)據(jù)資料7G。通過Smart3DCapture軟件的強(qiáng)度計(jì)算能力，結(jié)合GIS技術(shù)、三維仿真技術(shù)和可視化技術(shù)，可以得到一個(gè)逼真、實(shí)景的三維模型。

4 結(jié)束語

無人機(jī)傾斜攝影測量通過先進(jìn)的定位技術(shù)，讓用戶獲得了更真實(shí)、準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，大大提高了地理信息測繪的效率，降低了城市三維建模的成本，將其應(yīng)用在城市規(guī)劃和建設(shè)中，提高了城市規(guī)劃的科學(xué)性和合理性。從2010年開始，我國很多機(jī)構(gòu)、企業(yè)進(jìn)行了積極的探索，也取得了一定的成就。但是目前該項(xiàng)技術(shù)還不成熟，還需要進(jìn)一步的研究和探索。

[1] 趙宏,杜明成,吳俐民,等.基于傾斜攝影測量技術(shù)的智慧城市5D產(chǎn)品制作工藝實(shí)現(xiàn)[J].測繪工程,2016,25(9):73-76.

[2] 曲林,馮洋,支玲美,等.基于無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的實(shí)景三維建模研究[J].測繪與空間地理信息,2015(3):38-39.

[3] 陳昕.無人機(jī)傾斜攝影測量在建筑規(guī)劃竣工測繪中的應(yīng)用[J].城市勘測,2017(1):82-85.

[4] 樊建強(qiáng).土默特右旗傾斜攝影三維建模技術(shù)應(yīng)用[J].江西測繪,2016(3):47-48.

[5] 王均,羅祥勇,陳海燕,等.傾斜航空攝影:觀察世界的新角度[J].中國測繪,2013(3):42-45.

Application of UAV Oblique Photogrammetry in 3D Modeling

NI Zi-qiang

(Wuhan Three Gorges Survey & Research Institute Co., Ltd.（Wuhan）)

The tilt photogrammetry technology is a new technology in the field of international remote sensing developed, tilt photogrammetry technology can not only ref l ect the real object information, and through the positioning technology, geographic information,image information, improve the aerial image processing speed, and automatic 3D model construction. And the process of building a smart city need, 3D model support, so the tilt photogrammetry technology used in the wisdom of the city, can improve the modeling speed.

oblique photogrammetry; smart city; 3D model