應(yīng)用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的佛山城市三維建模技術(shù)探討

古敏聰

摘? 要：無(wú)人機(jī)傾斜攝影是當(dāng)前熱門(mén)的城市三維建模研究和應(yīng)用內(nèi)容。本文介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，分析了無(wú)人機(jī)傾斜攝影在城市三維建模的應(yīng)用情況，分析了無(wú)人機(jī)傾斜攝影在三維城建建模過(guò)程和成果中的優(yōu)劣勢(shì)，探索總結(jié)了一套無(wú)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)方法在佛山市進(jìn)行三維建模的實(shí)踐案例，指導(dǎo)和推進(jìn)基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維模型的質(zhì)量改善。

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

中圖分類(lèi)號(hào)：P231 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（c）-0175-03

Abstract： UAV tilt photography is a popular research and application content of urban 3D modeling. This paper introduces the technology of UAV tilt photography， analyzes the application of UAV tilt photography in urban 3D modeling， analyzes the advantages and disadvantages of UAV tilt photography in the process and results of 3D urban construction modeling， explores and summarizes a set of improvement methods of UAV tilt photography in urban 3D modeling， and effectively combines tilt photography and Max technology to carry out urban 3D modeling After that， it introduces the practice cases of 3D modeling in Foshan City by using the improved method to guide and promote the quality improvement of 3D model based on UAV tilt photography.

Key Words： UAV; Tilt photogrammetry; 3D city model; Space three encryption

三維城市運(yùn)用描述城市地上景觀的三維模型來(lái)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)有著極其重要的作用，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(lèi)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(wèn)題，紋理貼圖依然需要依靠大量人機(jī)交互來(lái)完成，無(wú)法進(jìn)一步的提升城市三維建模質(zhì)量。

1? 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維城市建模方法分析

中國(guó)、美國(guó)及歐洲部分國(guó)家正在開(kāi)展基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維城市模型生產(chǎn)和應(yīng)用，對(duì)于城市三維建模，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)傾斜攝影影像進(jìn)行三維城市模型生產(chǎn)流程如下：

在實(shí)際的生產(chǎn)處理過(guò)程中，受無(wú)人機(jī)等設(shè)備、大氣環(huán)境及軟件算法影響，實(shí)際模型會(huì)有一定的畸變和錯(cuò)誤，引起視覺(jué)誤差和應(yīng)用障礙。主要的模型畸變及原因有：

（1）無(wú)人機(jī)姿態(tài)變化和顛簸影響影像重疊度、幾何畸變等，造成模型凸包、破洞等;

（2）大氣環(huán)境噪聲引起的模型飛面、凸包等;

（3）不同時(shí)段光照引起的模型紋理不均勻、破洞等;

（4）像主點(diǎn)落水而引起的水面缺失等;

（5）影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型邊緣平滑等。

引起模型缺陷的原因是多樣化、復(fù)雜的，這也是當(dāng)前階段下基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維城市建模所面臨的不可避免的問(wèn)題，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速、高效生產(chǎn)三維城市模型并提高三維城市模型質(zhì)量是亟待解決的問(wèn)題。

2? 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維城市建模優(yōu)化方法

通過(guò)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(guò)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(wèn)題之一。

3? 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

3.1 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(wú)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

攝影測(cè)量空三加密是根據(jù)若干均勻分布于區(qū)域內(nèi)的控制點(diǎn)，運(yùn)用立體測(cè)圖技術(shù)，計(jì)算得到匹配加密點(diǎn)的高程和平面位置?？杖用苓^(guò)程是基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)三維建模重要的步驟，空三運(yùn)算后的影像是經(jīng)過(guò)校正和絕對(duì)定向了的，多張影像間的同一匹配點(diǎn)能夠準(zhǔn)確疊合，影像上的任一點(diǎn)具有空間幾何信息，即具備定位性質(zhì)和可量測(cè)性。

開(kāi)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(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果的城市三維模型質(zhì)量?jī)?yōu)化方法，我們?cè)诜鹕竭M(jìn)行了三維城市建模的實(shí)踐和驗(yàn)證。

在佛山建筑保護(hù)項(xiàng)目中，利用無(wú)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(guò)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(wú)人機(jī)低空靈活飛行的特點(diǎn)克服傳統(tǒng)建模無(wú)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(lái)輔助精細(xì)建模，將傳統(tǒng)方法與無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wèn)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(lèi)數(shù)據(jù)精度的需求。

5? 結(jié)語(yǔ)

在三維城市項(xiàng)目中，無(wú)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)。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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