無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在城市三維建模中的應(yīng)用探討

文翠蘭

摘 要：三維城市使用描繪城市地表景觀的三維立體模型來(lái)展示城市的空間構(gòu)型信息，可以說(shuō)是城市信息不可或缺的載體。對(duì)于城市的規(guī)劃、創(chuàng)建、維護(hù)以及應(yīng)急來(lái)說(shuō)含有非常重要的用途，三維城市已經(jīng)全面地呈現(xiàn)出它在經(jīng)濟(jì)和實(shí)用方面的有利價(jià)值。傾斜攝影技術(shù)合理的將定位、圖像、攝影等多方面的技術(shù)融合在一起，在速度極快的物體上捆綁攝影、定位設(shè)備，可以更加全面、快速、精準(zhǔn)地采集相關(guān)地理信息。所以無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)；城市三維建模；應(yīng)用

1無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的原理及優(yōu)點(diǎn)

1）無(wú)人機(jī)傾斜攝影可以快速、高精度的反映研究區(qū)的真實(shí)狀況，相比于數(shù)字正攝影像，他可以從不同的角度去獲取數(shù)據(jù)，顯示效果更加真實(shí)、立體，從而極大彌補(bǔ)正攝影像應(yīng)用的狹隘性。

2）在測(cè)繪領(lǐng)域單張影像的快速測(cè)量，利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以快速的實(shí)現(xiàn)。在傾斜攝影測(cè)量工作中，可以直接測(cè)量物體的角度、坡度、面積、長(zhǎng)度、寬度、高度等各個(gè)方面，該項(xiàng)技術(shù)快速、并且精度高，極大的拓展了傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪和地理信息領(lǐng)域的應(yīng)用。

3）無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以對(duì)建筑物的立面和側(cè)面的紋理進(jìn)行采集。以往城市三維建模工作，都是由人工采集紋理數(shù)據(jù)，再進(jìn)行三維建模，這種作業(yè)方式效率低，成本高。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可以應(yīng)用在三維建模領(lǐng)域，利用無(wú)人機(jī)航空攝影可以快速大面積成圖的優(yōu)點(diǎn)，以及對(duì)建筑物的立面和側(cè)面的紋理進(jìn)行采集的方式，可以極大地提高三維建模效率并降低了其成本。

4）無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)所收集的數(shù)據(jù)極易于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，并且數(shù)據(jù)量小。以往的傳統(tǒng)人工三維建模工作，往往因?yàn)閿?shù)據(jù)量大，操作不方便。而傾斜攝影技術(shù)采集的數(shù)據(jù)要小的多，這樣的話(huà)可以將獲取的數(shù)據(jù)快速進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，從而實(shí)現(xiàn)共享應(yīng)用。

5）應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛。無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)既可以反映測(cè)區(qū)的真實(shí)地表情況，并且該技術(shù)包含過(guò)高精度的定位系統(tǒng)，在實(shí)際飛行中可以賦予成果數(shù)據(jù)高精度的空間地理信息，極大擴(kuò)展了數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅僅是在測(cè)繪與地理信息行業(yè)，在其他相關(guān)行業(yè)也可以得到應(yīng)用。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，隨著無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)最近幾年的快速發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)達(dá)地區(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)土勘查、城市建設(shè)、規(guī)劃等諸多行業(yè)。

2無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市三維建模中的應(yīng)用

2.1無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)獲取

文中以黃山市屯溪區(qū)為例， 本測(cè)區(qū)范圍共88.46平方公里，測(cè)區(qū)內(nèi)居民地比較集中，基本為街區(qū)式、徽派建筑，郊區(qū)農(nóng)村民居多為散列式房屋。當(dāng)?shù)刂醒胱游缇€(xiàn)為118°30′，飛行環(huán)境良好。

航攝工作由飛燕航空遙感技術(shù)有限公司承擔(dān)，下視影像地面分辨率優(yōu)于等于0.02m，測(cè)區(qū)航線(xiàn)沿直線(xiàn)方向布設(shè)，平行于測(cè)區(qū)邊界線(xiàn)的首末航線(xiàn)的側(cè)視鏡頭，以便獲取測(cè)區(qū)范圍有效影像。為確保無(wú)人機(jī)航拍影像的質(zhì)量，每個(gè)架次都增加了航帶及各航帶的照片數(shù)量，使其航向重疊不低于80%，旁向重疊不低于60%，采用等距離間隔曝光模式進(jìn)行拍攝。

2.2數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

采用Smart3D專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，該軟件能夠無(wú)須人工干預(yù)地利用連續(xù)多角度影像，生成高密度點(diǎn)云，并在此基礎(chǔ)上全自動(dòng)地將紋理映射到對(duì)應(yīng)的模型上，快速生成具有真實(shí)影像紋理的城市三維場(chǎng)景。

2.3影像預(yù)處理

無(wú)人機(jī)拍攝影像完成后，需對(duì)獲取的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，檢查內(nèi)容包括影像質(zhì)量、文件格式、影像的重疊度、影像變形及POS信息與影像對(duì)應(yīng)關(guān)系等，對(duì)質(zhì)量不佳的影像進(jìn)行修復(fù)。此外，為保證影像色彩整體美觀要求，還需對(duì)原始影像進(jìn)行勻光勻色，確保整個(gè)測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)整體色調(diào)一致，且單張相片無(wú)偏色。

2.4空三加密及實(shí)景三維模型構(gòu)建

基于Smart3D專(zhuān)業(yè)軟件平臺(tái)，對(duì)多視影像進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，結(jié)合POS系統(tǒng)提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，對(duì)每級(jí)影像進(jìn)行同名點(diǎn)獲取、自動(dòng)匹配及自由網(wǎng)光束法平差。利用影像密集匹配技術(shù)自動(dòng)匹配出所有影像中的同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而生成對(duì)應(yīng)地物高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，精確地表達(dá)該區(qū)域的地物細(xì)節(jié)。

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建地物三角網(wǎng)（TIN）模型，優(yōu)化三角網(wǎng)，將內(nèi)部三角的尺寸調(diào)整至與原始影像分辨相匹配的比例，分析連續(xù)曲面的變化，并簡(jiǎn)化相對(duì)平坦地區(qū)的三角網(wǎng)，降低數(shù)據(jù)冗余，構(gòu)建TIN模型矢量框架。利用空三加密建立影像之間的三角關(guān)系形成TIN，再由TIN構(gòu)成白模，軟件自動(dòng)從影像中獲取對(duì)應(yīng)的紋理，并將糾正后的影像紋理賦予到對(duì)應(yīng)的白模上，最終生成測(cè)區(qū)實(shí)景三維模型。

2.5精度分析與效率對(duì)比

本項(xiàng)目為三維模型生產(chǎn)項(xiàng)目，像控點(diǎn)布設(shè)采用區(qū)域網(wǎng)布設(shè)。像控點(diǎn)采用AHCORS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)RTK方式測(cè)量，實(shí)際作業(yè)中，高程控制點(diǎn)按平高控制點(diǎn)實(shí)測(cè)；在進(jìn)行布點(diǎn)前，先根據(jù)范圍和設(shè)計(jì)航線(xiàn)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行基本的分區(qū)，分區(qū)時(shí)盡可能采用矩形，再根據(jù)分區(qū)情況進(jìn)行布設(shè)，區(qū)與區(qū)接邊的部分保證有3個(gè)及以上的控制點(diǎn)共用，以保證模型的接邊精度；測(cè)區(qū)像控點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)時(shí)，按每平方公里布設(shè)3個(gè)像控點(diǎn)、3個(gè)檢查點(diǎn)。檢查點(diǎn)應(yīng)選在影像清晰、目標(biāo)明確的地方；不規(guī)則區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在凹凸拐角處加布平高點(diǎn)；像控點(diǎn)一般應(yīng)布設(shè)在航旁向重疊范圍內(nèi)，使布設(shè)的像控點(diǎn)盡量公用。

根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)的要求，三維產(chǎn)品上明顯地物點(diǎn)相對(duì)于附近野外控制點(diǎn)的平面位置中誤差不大于0.5米，高程中誤差不大于0.8米，在分區(qū)時(shí)，空三加密區(qū)之間旁向范圍要超出分區(qū)邊界不少于3條基線(xiàn)；航向超出分區(qū)邊界不少于7條基線(xiàn)，以保證控制點(diǎn)量測(cè)精度和邊界處模型紋理完整要求。

像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)均基于AHCORS系統(tǒng)，采用GPS-RTK進(jìn)行野外測(cè)量，并將外業(yè)測(cè)量的坐標(biāo)作為實(shí)測(cè)值，在三維模型上量取檢查點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。為檢測(cè)區(qū)域內(nèi)三維模型精度是否滿(mǎn)足要求，采用量測(cè)法在Acute3DViewer平臺(tái)下對(duì)照全區(qū)分布的檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精度檢查，檢測(cè)點(diǎn)均勻分布在地面、低層建筑物、高層建筑物等不同高度上，共檢查77個(gè)檢查點(diǎn)。根據(jù)與檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地物點(diǎn)的差值計(jì)算出點(diǎn)位中誤差：

平面位置最大殘差0.181米，平面位置中誤差0.111米。

高程最大殘差0.125米，高程中誤差0.073m。

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可以看出，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維建模精度較高，完全可以滿(mǎn)足項(xiàng)目的要求。

工作效率方面，采用無(wú)人機(jī)每天可航拍3個(gè)架次，1個(gè)架次航拍6km2，在天氣良好的情況下5天即可完成拍攝任務(wù)，數(shù)據(jù)采集約5天，其余工作可通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理和內(nèi)業(yè)人員手動(dòng)操作，整個(gè)數(shù)據(jù)處理及單體化工作完成約25天，模型質(zhì)量檢查約5天，整個(gè)項(xiàng)目完成約40天。對(duì)比傳統(tǒng)的三維建模主要包括數(shù)據(jù)采集、模型制作、紋理貼圖、模型渲染入庫(kù)等，整個(gè)項(xiàng)目完成約90天。經(jīng)比較分析可知，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模，不僅提高了工作效率，還減少了外業(yè)工作量。

結(jié)論

隨著時(shí)代的變化、科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，均在三維立體城市模型構(gòu)建中投入了不少的財(cái)力與人力。與此同時(shí)，三維模型的精準(zhǔn)度不能局限于傳統(tǒng)的建筑模型的精準(zhǔn)度，它仍然有很大的發(fā)展空間。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的勘測(cè)還在繼續(xù)，其水平也有待提升?？偠灾?，我們要從細(xì)節(jié)部分入手，最大程度上滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，提高它的辦事能力與精準(zhǔn)度，使其可以更好地推動(dòng)國(guó)家公共事業(yè)的發(fā)展，可以更好地造福人民。

參考文獻(xiàn)：

[1]李杰，馬強(qiáng).無(wú)人機(jī)低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在瑪納斯智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用[J].巖土工程技術(shù)，2018，32，158（04）：15-18+53.