無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市三維建模中的應(yīng)用探討

吳飛宇

(蚌埠市勘測設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，城市的信息化程度越來越高，數(shù)字三維城市已成為城市管理中重要的手段。傳統(tǒng)的三維建模方法通過采用外業(yè)人員手工拍照的方法，獲取建筑物的結(jié)構(gòu)和紋理，結(jié)合航空正射影像、平面矢量圖、建筑物頂部矢量圖等數(shù)據(jù)建立白模，通過照片的紋理分析模型的細(xì)部結(jié)構(gòu)，最終處理后紋理信息賦予相應(yīng)的白模上。而無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)[1，2]的誕生，顛覆了傳統(tǒng)測繪的作業(yè)方式，通過利用無人機(jī)低空多位鏡頭攝影獲取高清晰全方位影像數(shù)據(jù)，自動生成三維地理信息模型，快速實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的獲取[3]。文中以蚌埠市濱湖新區(qū)城市三維建模為例，基于無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)，采用Smart3D專業(yè)處理軟件，通過影像處理、聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配及紋理映射等關(guān)鍵技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)區(qū)域?qū)嵕叭S模型的構(gòu)建。

2 無人機(jī)傾斜攝影測量系統(tǒng)

無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)[4]作為國際測繪領(lǐng)域近年來新興起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，它顛覆了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)，融合了正射和傾斜影像，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜等多個不同角度采集影像數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)航拍出現(xiàn)遮擋和盲點(diǎn)的問題。在拍攝過程中，同步記錄航速、航高、旁向重疊和航向重疊，坐標(biāo)等參數(shù)，然后對傾斜影像進(jìn)行分析處理[5]，為用戶提供真實(shí)直觀的實(shí)景信息。

無人機(jī)傾斜攝影測量主要具有以下特點(diǎn)：

①起降方便：無人機(jī)對起降環(huán)境要求較低，無須專用機(jī)場，在空曠區(qū)域或相對開闊地面均可遙控起飛、降落；

②低空飛行：無人機(jī)飛行高度低，飛行高度 200 m～2 500 m，受天氣影響較小，工作效率高；

③高分辨率：無人機(jī)飛行平臺搭載的數(shù)碼相機(jī)低空分辨率可達(dá)到厘米級，所拍攝的影像分辨率高，能夠清晰看到頂部和側(cè)面的紋理；

④建模效率高：無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)可自動化實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)采集、快速三維建模等[6]。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市三維建模中的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)獲取

文中以蚌埠濱湖新區(qū)為例，測區(qū)北至東海大道，西至解放路，南至燕山路，東至龍子湖邊，區(qū)域面積約 5 km2，測區(qū)范圍內(nèi)地勢較為平坦，主要包含建筑、花園、水體和綠地等。當(dāng)?shù)刂醒胱游缇€為117°，飛行環(huán)境良好。

項(xiàng)目選用紅鵬微型傾斜攝影系統(tǒng)，采用六旋翼無人機(jī)搭載傾斜攝影儀，航飛高度 100 m，航攝影像分辨率 0.02 m，對濱湖新區(qū)進(jìn)行航拍。測區(qū)航線沿直線方向布設(shè)，平行于測區(qū)邊界線的首末航線的側(cè)視鏡頭，以便獲取測區(qū)范圍有效影像。為確保無人機(jī)航拍影像的質(zhì)量，每個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。

3.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)流程

采用Smart3D專業(yè)軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，該軟件能夠無須人工干預(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)上全自動地將紋理映射到對應(yīng)的模型上，快速生成具有真實(shí)影像紋理的城市三維場景。具體數(shù)據(jù)處理流程圖如圖1所示。

圖1 城市三維模型構(gòu)建流程

3.3 影像預(yù)處理

無人機(jī)拍攝影像完成后，需對獲取的影像進(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信息與影像對應(yīng)關(guān)系等，對質(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，還需對原始影像進(jìn)行勻光勻色，確保整個測區(qū)影像數(shù)據(jù)整體色調(diào)一致，且單張相片無偏色。

3.4 空三加密及實(shí)景三維模型構(gòu)建

基于Smart3D[7]專業(yè)軟件平臺，對多視影像進(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，對每級影像進(jìn)行同名點(diǎn)獲取、自動匹配及自由網(wǎng)光束法平差。利用影像密集匹配技術(shù)自動匹配出所有影像中的同名點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而生成對應(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)(如圖2所示)。

圖2 點(diǎn)云示意圖

基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)來構(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，并簡化相對平坦地區(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(如圖3所示)，軟件自動從影像中獲取對應(yīng)的紋理，并將糾正后的影像紋理賦予到對應(yīng)的白模上，最終生成測區(qū)實(shí)景三維模型(如圖4所示)。

圖3 測區(qū)局部白模模型

圖4 測區(qū)局部實(shí)景三維模型

3.5 精度分析與效率對比

該測區(qū)采用5點(diǎn)法布設(shè)像控點(diǎn)，測區(qū)四周各布設(shè)一個像控點(diǎn)，測區(qū)中間位置布設(shè)一個像控點(diǎn)。為評定無人機(jī)傾斜攝影測量建模的精度[8]，在測區(qū)范圍內(nèi)均勻選取12個特征地物點(diǎn)作為檢查點(diǎn)。像控點(diǎn)和檢查點(diǎn)均基于城市CORS系統(tǒng)，采用GPS-RTK進(jìn)行野外測量，并將外業(yè)測量的坐標(biāo)作為實(shí)測值，在三維模型上量取檢查點(diǎn)坐標(biāo)，通過和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其檢測精度情況如表1所示。利用表1數(shù)據(jù)可計(jì)算出平面中誤差為 0.05 m，其中平面最小誤差為 0.03 m，平面最大誤差為 0.07 m；同理，可計(jì)算出高程中誤差為 0.21 m，其中最小高程誤差為 0.09 m，最大高程誤差為 0.32 m。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于無人機(jī)傾斜攝影測量的三維建模精度較高，完全可以滿足項(xiàng)目的要求。

地面點(diǎn)位置、高程精度對比表 表1

工作效率方面，采用無人機(jī)每天可航拍3個架次，1個架次航拍 6 km2，在天氣良好的情況下0.5天即可完成拍攝任務(wù)，數(shù)據(jù)采集約0.5天，其余工作可通過計(jì)算機(jī)自動處理和內(nèi)業(yè)人員手動操作，整個數(shù)據(jù)處理及單體化工作完成約15天，模型質(zhì)量檢查約5天，整個項(xiàng)目完成約21天。對比傳統(tǒng)的三維建模主要包括數(shù)據(jù)采集、模型制作、紋理貼圖、模型渲染入庫等，整個項(xiàng)目完成約60天。經(jīng)比較分析可知，采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模，不僅有效提高了工作效率，還減少了外業(yè)工作量。

4 結(jié) 語

基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行城市三維建模是一個復(fù)雜的過程，包括數(shù)據(jù)采集、處理分析、三維建模及數(shù)據(jù)管理等工作。文中以蚌埠市濱湖新區(qū)城市三維建模為例，基于無人機(jī)航空攝影測量技術(shù)，采用Smart3D專業(yè)軟件，經(jīng)過區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配及紋理映射等關(guān)鍵技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的三維實(shí)景模型的構(gòu)建。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法自動化程度高，有效地提高了工作效率，生產(chǎn)成本低，并具有紋理真實(shí)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速實(shí)現(xiàn)城市三維景觀的可視化，滿足城市三維建模的需求。隨著蚌埠市提出建設(shè)數(shù)字城市和智慧城市的要求，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)為數(shù)字城市及智慧城市空間框架數(shù)據(jù)采集提供了新的解決思路和方向，未來應(yīng)用領(lǐng)域必將更加廣泛。