應(yīng)用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的城市建模研究

梁志滔

摘? ?要：無人機(jī)傾斜攝影是當(dāng)前熱門的城市三維建模研究和應(yīng)用內(nèi)容。本文介紹了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，分析了無人機(jī)傾斜攝影在城市三維建模的應(yīng)用情況，分析了無人機(jī)傾斜攝影在三維城建建模過程和成果中的優(yōu)劣勢(shì)，探索總結(jié)了一套無人機(jī)傾斜攝影城市三維建模的改進(jìn)方法，將傾斜攝影和MAX等技術(shù)有效結(jié)合進(jìn)行城市三維建模，最后介紹了利用改進(jìn)方法在某城市進(jìn)行三維建模的實(shí)踐案例，指導(dǎo)和推進(jìn)基于無人機(jī)傾斜攝影三維模型的質(zhì)量改善。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 傾斜攝影測(cè)量? 三維城市模型? 空三加密

中圖分類號(hào)：P235. 2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（b）-0142-02

三維城市運(yùn)用描述城市地上景觀的三維模型來表達(dá)數(shù)字城市空間信息，是表達(dá)城市信息的重要載體，對(duì)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和應(yīng)急響應(yīng)有著及其重要的作用，三維城市已經(jīng)展現(xiàn)出其較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用潛力。

傳統(tǒng)的三維城市模型生產(chǎn)制作是結(jié)合遙感影像圖和地形圖，得到精確的、可靠性強(qiáng)的建筑物模型、道路模型及其他景觀小品模型，將組成城市要件的各類三維模型集成為三維城市場(chǎng)景。這種方法適合于普通精度的三維城市建模，但是對(duì)于高精度、高仿真、大區(qū)域的建模，傳統(tǒng)方法勢(shì)必需要投入更多的作業(yè)人員，其建模速度、效率以及時(shí)效難以滿足三維城市的應(yīng)用。

三維城市建模也可以利用三維激光掃描獲取地面三維幾何數(shù)據(jù)，運(yùn)用激光測(cè)距原理快速建立物體三維模型，但是該方法不能解決紋理數(shù)據(jù)獲取和處理的問題，紋理貼圖依然需要依靠大量人機(jī)交互來完成，無法進(jìn)一步的提升城市三維建模質(zhì)量。

1? 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

隨著航空攝影技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)擴(kuò)大了遙感影像的應(yīng)用范圍，顛覆了傳統(tǒng)航空攝影只從正攝角度采集影像的方式，運(yùn)用多角度相機(jī)同步獲取地面物體各個(gè)角度高分辨率的航攝影像。運(yùn)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)的三維模型真實(shí)的反映了符合人眼視覺的城市場(chǎng)景，結(jié)合GNSS技術(shù)，將三維城市納入城市地理信息框架，展現(xiàn)出全面豐富的地理信息，提升用戶體驗(yàn)度的同時(shí)大大降低三維城市建模的成本。

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）無人機(jī)飛行高度低，多角度相機(jī)組能夠多方位、高覆蓋獲取地物頂面、側(cè)面影像數(shù)據(jù);（2）相鄰影像間航向重疊度和旁向重疊度高，影像表達(dá)內(nèi)容豐富;（3）少量人工干預(yù)，自動(dòng)化的影像匹配、建模，主要過程由計(jì)算機(jī)完成;（4）實(shí)體側(cè)面紋理可見：傳統(tǒng)的數(shù)字正射影像圖主要獲取實(shí)體頂部紋理，而傾斜攝影技術(shù)能夠同時(shí)映射側(cè)面紋理;（5）綜合成本低：無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和城市三維模型生產(chǎn)工作上具有更高的效率，減少時(shí)間和人力成本。

2? 基于無人機(jī)傾斜攝影的三維城市建模方法分析

對(duì)于城市三維建模，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)：（1）無人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低，能夠滿足多種尺度的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集;（2）能夠快速處理大范圍場(chǎng)景的傾斜影像，建立具有高精度的真三維模型;（3）高分辨率影像自動(dòng)貼圖，提高三維模型的生產(chǎn)效率;（4）可量測(cè)、可定位的三維模型，模型數(shù)據(jù)直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和共享應(yīng)用。

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)利用航空影像快速數(shù)據(jù)獲取方法，一次性處理多幅影像，建立區(qū)域初始實(shí)景三維模型，該技術(shù)能夠節(jié)約大量人工建模時(shí)間成本，提高三維城市發(fā)展的效率。

利用無人機(jī)傾斜攝影影像進(jìn)行三維城市模型生產(chǎn)流程如圖1所示。

3? 基于無人機(jī)傾斜攝影三維城市建模優(yōu)化方法

通過分析三維城市模型建設(shè)現(xiàn)狀和模型成果的缺陷，可知現(xiàn)狀三維城市模型需要改進(jìn)的方面有：（1）幾何修復(fù)：對(duì)破洞進(jìn)行修補(bǔ)，凸包抹平并還原，刪除飛面等碎部;（2）細(xì)部整飾：重要地物和標(biāo)志物的三維模型整飾或替換;（3）紋理修補(bǔ)：替換和修補(bǔ)不均勻紋理、清晰度不夠的紋理等。

實(shí)際上，紋理映射和曲面平滑始終伴隨著幾何修復(fù)的過程，如何在幾何結(jié)構(gòu)修復(fù)的同時(shí)提高從傾斜影像中提取紋理的速度，是目前主要的問題之一。

3.1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維城市模型的二次處理

結(jié)合傳統(tǒng)建模的優(yōu)點(diǎn)和成熟技術(shù)，對(duì)無人機(jī)傾斜攝影三維成果模型中需要改進(jìn)的地物目標(biāo)或區(qū)域進(jìn)行二次處理的技術(shù)路線如圖2所示。

3.2 利用空三成果快速修復(fù)模型

系統(tǒng)性的無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維重建成果包括初始化重建三維模型和空三加密成果，兩個(gè)成果間具有內(nèi)在的聯(lián)系，Acute3D、街景工廠及其他傾斜攝影測(cè)量軟件通常僅展示空三加密結(jié)果，利用系統(tǒng)性的成果特別是空三加密成果是提升模型質(zhì)量的一個(gè)途徑。

開發(fā)一套模型輔助編輯系統(tǒng)，導(dǎo)入空三加密成果和初始化重建三維模型，根據(jù)空三技術(shù)和空三加密成果的特點(diǎn)，利用空三加密成果，對(duì)原始模型缺陷明顯的目標(biāo)和區(qū)域進(jìn)行幾何修復(fù)和紋理修補(bǔ)工作。

該編輯系統(tǒng)的核心功能有三維模型同名點(diǎn)搜索、空三影像紋理自動(dòng)提取、模型交互制作等，所有功能組織以空三后的影像數(shù)據(jù)為核心，充分利用糾正的傾斜影像和加密點(diǎn)，進(jìn)行模型紋理提取和定向、建模。

4? 優(yōu)化方法的建模實(shí)踐

利用上述基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果的城市三維模型質(zhì)量優(yōu)化方法，在城市的三維城市建模進(jìn)行了實(shí)踐和驗(yàn)證。

在某市建筑保護(hù)項(xiàng)目中，利用無人機(jī)對(duì)該區(qū)3.46km2區(qū)域進(jìn)行十字交叉航線法區(qū)域傾斜影像采集，通過傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行初始三維建模，并對(duì)區(qū)域內(nèi)29地處重點(diǎn)保護(hù)建筑進(jìn)行了三維精細(xì)化建模，利用無人機(jī)低空靈活飛行的特點(diǎn)克服傳統(tǒng)建模無法收集目標(biāo)物頂部及上部紋理和形態(tài)數(shù)據(jù)的缺陷，同時(shí)高質(zhì)量獲取側(cè)面紋理和數(shù)據(jù)來輔助精細(xì)建模，將傳統(tǒng)方法與無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，利用傳統(tǒng)方法對(duì)重點(diǎn)保護(hù)建筑進(jìn)行側(cè)面精細(xì)建模，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)頂面進(jìn)行建模，兩手段相結(jié)合，完成重點(diǎn)保護(hù)建筑的精細(xì)建模。對(duì)模型局部缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，將重點(diǎn)保護(hù)29處建筑模型在傾斜攝影初始三維模型中進(jìn)行一一替換，并進(jìn)行模型的一體化集成。

該項(xiàng)目結(jié)合無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和傳統(tǒng)建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用無人機(jī)低空飛行采集目標(biāo)物頂部高清序列影像，解決了傾斜攝影實(shí)景模型細(xì)節(jié)補(bǔ)充和精細(xì)建模的問題，豐富了建模數(shù)據(jù)采集的手段，滿足了項(xiàng)目對(duì)各類數(shù)據(jù)精度的需求。

5? 結(jié)語

在三維城市項(xiàng)目中，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)隨著建模范圍的增大，快速的傾斜影像采集和自動(dòng)化空三及建模使得其在建模的效率上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。但是受不可抗拒因素影響，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)自動(dòng)化生產(chǎn)三維模型有一定的限制，模型局部和細(xì)節(jié)缺陷使得傾斜攝影測(cè)量三維模型難以滿足應(yīng)用要求，需要研究基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市三維模型質(zhì)量提升方案，本文提出的人工干預(yù)方法和空三成果的輔助應(yīng)用建模優(yōu)化方案已經(jīng)在工程和應(yīng)用項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)模型中有明顯缺陷和不足的局部進(jìn)行模型修改和重建，大大提升了三維城市模型生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

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