基于無人機(jī)傾斜攝測(cè)量技術(shù)的三維建模及其精度分析

宋福杰

（易景環(huán)境科技（天津）股份有限公司，天津 300000）

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)作為當(dāng)今工程建設(shè)中先進(jìn)的測(cè)繪建模技術(shù)，其在城市建設(shè)中的應(yīng)用，使得項(xiàng)目測(cè)量精度與測(cè)量效率大大提升，而且影像質(zhì)量比較高，逐漸成為當(dāng)前測(cè)繪工作的關(guān)鍵方式，受到測(cè)繪人員的高度認(rèn)可，應(yīng)該推廣利用促進(jìn)該技術(shù)的完善，不斷推進(jìn)我國(guó)測(cè)繪事業(yè)發(fā)展[1]。

1 概述

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展的技術(shù)結(jié)晶，由于其在精度以及效率方面優(yōu)勢(shì)突出，被當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)建設(shè)的許多領(lǐng)域廣泛利用。相較于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的不同，傾斜攝影測(cè)量主要就是在無人機(jī)設(shè)備上安裝數(shù)據(jù)采集攝像頭及探測(cè)傳感器，對(duì)外形復(fù)雜的目標(biāo)進(jìn)行外觀掃描及數(shù)據(jù)信息采集分析。但隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展與信息技術(shù)的進(jìn)步，使得無人機(jī)遙感技術(shù)與前傾斜攝影測(cè)量技術(shù)可以更完美的結(jié)合并應(yīng)付更復(fù)雜的情況，使應(yīng)用范圍更大，對(duì)復(fù)雜情況的適應(yīng)能力更強(qiáng)，在測(cè)量精準(zhǔn)度方面提升效果非常明顯。

2 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)介紹

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量主要是通過無人機(jī)遙感技術(shù)與傾斜攝影測(cè)量?jī)煞N技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2.1 無人機(jī)遙感技術(shù)

即通過無線電操控安裝有拍攝設(shè)備的無人機(jī)，按照預(yù)定任務(wù)航線航行拍攝測(cè)量目標(biāo)，快速大量的獲取目標(biāo)物的表面數(shù)據(jù)信息，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降孛嬖O(shè)備進(jìn)行分析處理、建立模型，在現(xiàn)代測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2 傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)利用裝有多鏡頭高清相機(jī)的飛行設(shè)備對(duì)測(cè)量區(qū)域的各個(gè)攝點(diǎn)從 5 個(gè)方向(垂直、前視、后視、左視、右視)進(jìn)行影像研究，并生成三維實(shí)景模型，能夠直觀的對(duì)拍攝目標(biāo)的平面位置、外形狀態(tài)、立面、側(cè)面、橫斷面、地形起伏等進(jìn)行詳細(xì)描述及研究，大大提高了傳統(tǒng)攝影測(cè)量的豐富性。傾斜攝影測(cè)量的影像數(shù)據(jù)可以比較直觀的呈現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)的外表實(shí)際情況，還能夠與GPS定位技術(shù)靈活結(jié)合使用，將所測(cè)量項(xiàng)目的地理及屬性信息在影像中進(jìn)行標(biāo)注體現(xiàn)，給用戶更豐富的使用體驗(yàn)，使該技術(shù)的應(yīng)用范圍更加廣泛。

2.3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的特點(diǎn)

（1）反映地物實(shí)際情況并且能對(duì)地物進(jìn)行量測(cè)。通過無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量作業(yè)可以得到目標(biāo)外觀的三維數(shù)據(jù)信息，這些三維數(shù)據(jù)能夠更真實(shí)的反映目標(biāo)，與傳統(tǒng)制作的模型相比較真實(shí)感更高。

（2）效率高、成本低。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能夠在作業(yè)中快速自動(dòng)化的進(jìn)行三維建模，大大縮減工作周期，提高建模效率，有效降低成本[2-4]。

3 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

無人機(jī)主要是利用無線電遙控裝置，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行的操縱航空器，在無人機(jī)上，裝置自動(dòng)駕駛儀，可以獨(dú)立完成導(dǎo)航工作。高分辨率多視角航空攝影儀，是進(jìn)行遙感的載體，將多個(gè)傳感器綜合構(gòu)成無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)，能夠敏捷的獲得高分辨率的遙感影像,同時(shí)利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，完成模型的三維可視化。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)與 POS 定位系統(tǒng)結(jié)合，更加自動(dòng)與智能。在國(guó)土、環(huán)境等地理空間的數(shù)據(jù)采集上具有十分重要的意義。另外它還具有 GPS 差分等技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)可以獲取到具體影像對(duì)象的地理位置信息，在一定程度上擴(kuò)大了影像數(shù)據(jù)源信息，而且大量的航攝影像進(jìn)行疊加，非常有利于高精度的影像匹配，實(shí)現(xiàn)了在人工智能基礎(chǔ)之上的三維實(shí)體。以不同的層面進(jìn)行對(duì)技術(shù)與紋理映射技術(shù)的展示，是傾斜攝影所具備的主要技術(shù)，在很大程度上完善了建模的工作，并且減少了一部分的建模成本。

4 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模關(guān)鍵技術(shù)

通過攝影測(cè)量方式得到的航攝像片，在后期整理的過程中，在野外布設(shè)相對(duì)應(yīng)的像控點(diǎn)，以此為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，測(cè)量出這些點(diǎn)的大地坐標(biāo)，把刺點(diǎn)位置進(jìn)行一一標(biāo)記，保障空三加密工作的順利進(jìn)行。將野外測(cè)得的相控點(diǎn)與航測(cè)系統(tǒng)獲取的影像數(shù)據(jù)結(jié)合，通過影像匹配、區(qū)域網(wǎng)平差等技術(shù)處理獲取影像高精度姿態(tài)數(shù)據(jù)與加密點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息。像片控制點(diǎn)要嚴(yán)格注意其布設(shè)時(shí)的方位，以及進(jìn)行布設(shè)時(shí)的精度值，這些都屬于關(guān)鍵部分。利用傾斜影像數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過多視密集匹配算法采用傾斜攝影測(cè)量產(chǎn)生的最后的數(shù)據(jù)，得到傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行三維模型的主要部分。影像數(shù)據(jù)處理流程主要包括：影像獲取、外業(yè)控制點(diǎn)布設(shè)、外業(yè)控制點(diǎn)測(cè)量、像點(diǎn)量測(cè)、區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配、最終生成產(chǎn)品成果等幾個(gè)方面。

4.1 像片控制點(diǎn)相關(guān)布設(shè)方案

像控點(diǎn)布設(shè)采取非全野外布點(diǎn)方式，僅僅布設(shè)少許的控制點(diǎn)。

（1）航帶網(wǎng)法布點(diǎn)。航帶網(wǎng)法進(jìn)行布設(shè)像控點(diǎn)的過程中，主要的方案是六點(diǎn)法。六點(diǎn)法作為最標(biāo)準(zhǔn)的布點(diǎn)方法，是航帶網(wǎng)布點(diǎn)方案中經(jīng)常被采取的方式。在區(qū)域網(wǎng)的規(guī)定局限里圖像不大于十六張時(shí)，采取六點(diǎn)法進(jìn)行布設(shè)平高點(diǎn)的工作。其次還有八點(diǎn)法、五點(diǎn)法。其中，八點(diǎn)法是在每個(gè)航帶里面布設(shè)出八個(gè)平高控制點(diǎn)。它要求區(qū)域網(wǎng)范圍里面的圖像要大于十六并且不超過四十八幅。而當(dāng)一條航帶的長(zhǎng)度為最長(zhǎng)航帶網(wǎng)的百分之六十左右時(shí)，采取五點(diǎn)法。

（2）區(qū)域網(wǎng)法布點(diǎn)。在區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行平差的過程中，當(dāng)出現(xiàn)某像對(duì)基線跨入附近控制點(diǎn)連線大于半數(shù)時(shí)，就將其視為一個(gè)像對(duì)。如圖 1。

圖1 區(qū)域網(wǎng)法布點(diǎn)圖（○是平高點(diǎn)，×是高程點(diǎn)）

4.2 外業(yè)控制點(diǎn)的施測(cè)

在將要開始外業(yè)控制點(diǎn)的量測(cè)工作時(shí)，要提前做好一系列的整理工作，通過空三加密平差的結(jié)果，進(jìn)一步獲取測(cè)區(qū)的全景影像圖，這對(duì)后期的外業(yè)像片控制點(diǎn)的布設(shè)與測(cè)量工作有著重要的意義。

4.3 多視影像聯(lián)合平差

通過多層次、多條件約束的方法獲得多視影像的同名點(diǎn)，保證同名點(diǎn)的誤匹配率在一定的范圍，利用區(qū)域網(wǎng)平差技術(shù)完成影像姿態(tài)數(shù)據(jù)與加密點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算。多視影像聯(lián)合平差作為傾斜影像整理階段的重要環(huán)節(jié)，因?yàn)槎嘁曈跋穹謩e為垂直影像傾斜影像，多視影像聯(lián)合平差兼?zhèn)淞藢?duì)影像中出現(xiàn)的變形和遮擋的情況的處理，但大多數(shù)傳統(tǒng)的空三加密方式并沒有這種特征。一般的多視影像聯(lián)合平差方式是先通過 SIFT 特征提取算法，完成影像的特征提取工作。如圖2。

圖2 SIFT 算法步驟示意圖

4.4 多視影像密集匹配

在完成上述工作后，基本上已經(jīng)完成密集匹配的相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，接下來就是影像的匹配工作。影像匹配工作作為攝影測(cè)量的一個(gè)關(guān)鍵，因?yàn)闊o法通過單一元素就可以成功的進(jìn)行匹配，因此，現(xiàn)在已經(jīng)有很多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)一步探究計(jì)算機(jī)視覺上的多基元以及多視影像密集的匹配方式。

4.5 產(chǎn)品成果生成

利用多視影像密集匹配，可以得到更為完善的DSM,需要得到的信息都可以展現(xiàn)出來，這種技術(shù)目前是新型空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的主要技術(shù)。將得到的DSM 數(shù)據(jù)采用波形處理，整合出有著真實(shí)觀感的數(shù)字表面模型的數(shù)據(jù)，通過歸一處理，以及一些增強(qiáng)處理，進(jìn)而產(chǎn)生三位數(shù)字模型的雛形，再采取模型編輯軟件進(jìn)行處理，就基本產(chǎn)生了逼真的三維模型，最后進(jìn)行驗(yàn)收檢驗(yàn)，同時(shí)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)與文件，生成產(chǎn)品成果。

5 基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模方法研究

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

通常情況下，利用無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維城市建模時(shí)，需要注意一點(diǎn)，即在實(shí)際的測(cè)量中，由于一些不可確定因素的影響，例如，無人機(jī)設(shè)備的性能、大氣環(huán)境以及處理軟件的功能等，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的模型建立出現(xiàn)一些錯(cuò)誤，最終影響后續(xù)工作，主要原因如下：

（1）無人機(jī)姿態(tài)變化以及飛行線路的影響，導(dǎo)致影像在重疊度和幾何畸變方面受到影響，出現(xiàn)模型畸形的嚴(yán)重問題。

（2）大氣環(huán)境有時(shí)存在不可預(yù)測(cè)性，例如，大氣噪聲引起三維模型出現(xiàn)飛面和凸包等問題。

（3）光照的影響，由于不同時(shí)段的光照強(qiáng)度不同，導(dǎo)致模型的紋理出現(xiàn)不均勻的問題。以上這些問題都是十分復(fù)雜和多變的，也是當(dāng)下無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用中所存在的局限性問題，還需要加大研究力度，有效提高三維建模的水平和質(zhì)量。

5.2 優(yōu)化方法

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市三維建模存在諸多的畸變和錯(cuò)誤問題，這些問題的存在導(dǎo)致實(shí)際的測(cè)量精度受到影響，不利于后續(xù)規(guī)劃工作的有序進(jìn)行。為了有效解決這些問題，需要對(duì)三維建模方法進(jìn)行優(yōu)化處理，關(guān)鍵點(diǎn)包括：

（1）幾何修復(fù)。對(duì)模型中的破洞問題進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)凸包問題進(jìn)行抹平和還原，對(duì)飛面問題進(jìn)行刪除等，以此提高建模質(zhì)量和精度。

（2）紋理修補(bǔ)。對(duì)光照影響下三維模型中出現(xiàn)的不均勻紋理問題，需要進(jìn)行替換和修補(bǔ)，以確保紋理足夠清晰。

5.3 三維建模實(shí)踐分析

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。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，初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。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。在空三后影像上繪制地物目標(biāo)的結(jié)構(gòu)線，通過拉伸等方法實(shí)時(shí)制作三維模型實(shí)體并自動(dòng)貼圖，形成場(chǎng)景三維模型。

6 結(jié)語

傾斜攝影測(cè)量作為一項(xiàng)新技術(shù)，將多臺(tái)類同類別的傳感器同時(shí)在單個(gè)載體上裝置，能夠進(jìn)行完善、彌補(bǔ)傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)僅在單個(gè)角度得到地面影像的不足之處，可以獲得垂直以及多個(gè)傾斜角度的影像數(shù)據(jù)工作，很大程度上避免了正射影像無法真實(shí)提供地表情況的不足。同時(shí)利用機(jī)載 POS 數(shù)據(jù)和數(shù)字表面模型等，完成傾斜攝影基礎(chǔ)之上的三維建模。