無人機傾斜攝影測量在三維建模中的應用研究

王永興，劉明岐

（1.濟寧市勘測院，山東 濟寧 272000；2.山東省淮河流域水利管理局，山東 濟南 250100）

近年來，由于三維數(shù)字模型可以形象準確的反應地形地物的客觀特征，在數(shù)字城市、城市規(guī)劃、交通運輸、工程設計等領域應用廣泛。三維建模的難度比二維數(shù)據(jù)要復雜的多，隨著測繪技術的發(fā)展和三維建模算法的不斷優(yōu)化，數(shù)據(jù)獲取的方法越來越多，精度越來越高，分析各種三維建模方法的優(yōu)缺點，深入探討無人機傾斜攝影測量技術在三維建模中的應用，并分析其精度，很有必要[1]。

1 常用的三維建模方法

按照數(shù)據(jù)來源分類，常用的三維建模方法有基于基礎測繪數(shù)據(jù)的三維建模方法、基于遙感影像的三維建模方法、基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維建模方法、基于過程式的三維建模方法等。

（1）基于基礎測繪數(shù)據(jù)的三維建模方法。該方法首先利用DLG的二維矢量數(shù)據(jù)獲得建筑物輪廓，通過人機交互制成高精度復雜模型；該方法建模的精度較高，但是數(shù)據(jù)獲取成本高，周期長，不適合對大面積的城市建筑群建模。

（2）基于遙感影像的三維建模方法。該方法首先利用相關算法從影像中提取基礎數(shù)據(jù)或者直接生成三維模型。目前最常用的是基于傾斜攝影測量的三維建模方法，是基于傾斜和垂直航拍的影像，經(jīng)過相機標定、空中三角測量、構建TIN模型以及紋理貼圖等過程，全自動完成三維模型的建立。傾斜攝影三維建模精度較高且形象逼真，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的自動化三維建模，但是得到的模型要進行地物分離和單體化則需要較多的人工交互才能完成[2]。

（3）基于三維激光掃描的三維建模方法。利用三維激光掃描儀獲取高精度點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)去噪、空間配準、表面重建以及紋理映射等點云數(shù)據(jù)處理，最終實現(xiàn)建筑物的三維重建基于三維激光掃描的三維建模方法精度較高，但是設備較為昂貴，操作復雜，點云數(shù)據(jù)的處理也較繁瑣，工作量大，大范圍的點云數(shù)據(jù)的后期處理也有較大難度，所以難以推廣到對于大規(guī)模的三維重建領域。

（4）基于過程式的三維建模方法。該方法是利用參數(shù)化方法來構建模型，借助算法來控制建筑物幾何造型。該方法主要有三種情況：結(jié)合人工智能的方法、采用數(shù)學模型的方法以及基于文法的方法。目前該技術的發(fā)展方向為多方法的融合，并采用交互控制來增強實用性。此類方法的優(yōu)勢在于人工交互極少，參數(shù)可控，建模速度較快，適合大規(guī)模的三維重建，且建立的模型屬于單體模型，可以查詢模型信息，方便后期的應用[3]。

2 基于無人機傾斜攝影測量的三維建模方法

2.1 無人機傾斜攝影測量

（1）無人機傾斜攝影測量簡介。無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)是一種以無人機為飛行平臺，以各類傳感器為主要載荷，能夠獲取遙感影像信息的無人航測數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)主要由無人機飛行平臺、任務傳感器系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)組成。其中無人機飛行平臺主要包括飛行器平臺、推進系統(tǒng)、飛行控制與導航系統(tǒng)、機載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、機載起降系統(tǒng)等；根據(jù)用途和功能不同，常搭載的任務傳感器系統(tǒng)主要有多視角航空攝影測量儀器、小徑合成孔徑雷達、高光譜成像系統(tǒng)、小型機載雷達、氣象傳感器等；地面保障系統(tǒng)主要包括起降系統(tǒng)地面服務部分、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)地面部分、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面后勤人員、其他地面輔助設備等。無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 無人機傾斜攝影測量系統(tǒng)的組成

無人機低空攝影測量系統(tǒng)具有機動靈活、空域限制小、高效快速、成本低廉等一系列優(yōu)點，極大地補充了傳統(tǒng)航測系統(tǒng)的不足，在小區(qū)域獲取高分辨率影像方面具有顯著優(yōu)勢。傾斜攝影測量技術是通過在飛行器上搭載多臺傳感器，從垂直、傾斜等多個角度拍攝，獲取高精度影像，在每個曝光點上，由多個鏡頭同時獲得不同角度的影像；同一特定地物可以在不同曝光點多個不同角度影像上成像。為便于后期對數(shù)據(jù)進行處理，拍攝影像時自動獲取平面位置、曝光時間、航高、大地高、飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)。將無人機與傾斜攝影技術相結(jié)合，是實現(xiàn)低成本、快速建立城市實景三維模型的有效方式。由于無人機飛行高度低，所拍攝的傾斜像片分辨率高，色彩更加接近人眼觀測顏色，能夠顯著提高三維模型的真實感。

（2）基于無人機傾斜攝影測量的三維建模流程?；跓o人機傾斜攝影測量技術的三維建模流程見圖2。

圖2 基于無人機傾斜攝影測量技術的三維建模流程圖

2.2 傾斜影像的獲取

利用具有固定角度的傾斜相機拍攝獲取傾斜影像。本研究采用目前國內(nèi)較成熟的Microdrones md4 旋翼無人機平臺搭載DM5-3600航攝儀獲取數(shù)據(jù)，航攝儀由5臺索尼7R相機組成，傾斜相機與下視夾角為 38°。

根據(jù)三維建模的需要，本項目下視影像設置GSD為0.1m，平均航高200m，航向、旁向重疊度均為80%。根據(jù)無人機的續(xù)航時間，共計設計18個架次，54條航線。經(jīng)過數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)預處理、補攝等流程，得到傾斜攝影影像數(shù)據(jù)[4]。

2.3 空三平差與三維建模

（1）利用下視影像的概略POS，對下視影像進行空三加密，設置定向點和檢查點，通過二者的計算值和實測值的較差分析空三精度，以獲得精度較高的下視外方位元素?？杖缺仨殱M足GB/T23236―2009《數(shù)字航空攝影測量空中三角測量規(guī)范》中1∶2000基本定向點和檢查點限差要求。

（2）利用下視影像的精確外方位元素，根據(jù)下視和側(cè)視（前視、后視、左視、右視）像機之間的角度及位置關系，計算同一攝站各側(cè)視影像的概略外方位元素。

（3）利用每張傾斜影像的內(nèi)、外方位元素進行POS輔助傾斜影像光束法平差，得到傾斜影像的精確外方位元素。

（4）利用傾斜影像數(shù)據(jù)及每張影像精確的內(nèi)、外方位元素進行密集匹配，得到三維密集點云。系統(tǒng)自動對點云數(shù)據(jù)構建TIN網(wǎng)，同時賦予三角網(wǎng)模型畸變糾正影像紋理，見圖3、圖4。

圖3 TIN網(wǎng)構建和實景三維模型

2.4 精度檢核

三維模型生產(chǎn)完成后，使用SDCORS配合全站儀實地對房屋拐角及硬化路面拐角進行測量，每個拐角點獨立觀測兩次，計算與模型解算成果的平面坐標和高程較差，統(tǒng)計分析實景三維模型精度。經(jīng)統(tǒng)計，傾斜攝影測量實景三維模型與實測檢核檢核表見表1?？梢钥闯?，基于無人機傾斜攝影測量的三維模型精度較高，可以滿足項目的要求。

表1 精度檢核表

3 結(jié)論

近年來，基于無人機傾斜攝影測量進行三維建模發(fā)展迅速，成果其具有紋理真實、數(shù)據(jù)精度高等諸多優(yōu)點，在未來實景三維城市和智慧城市的建設中將發(fā)揮越來越重要的作用。無人機具有快速靈活和成本低廉的特點，促進了傾斜攝影數(shù)據(jù)的快速獲取[5]。無人機技術與傾斜攝影技術相結(jié)合為未來數(shù)字城市以及智慧城市空間框架數(shù)據(jù)采集提供了一種新的解決思路。