基于傾斜攝影測量的實(shí)景三維建模與精度評定

賀璐方，胡新玲，肖桂園，田楊

（新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊，830046）

0 引言

本文以無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)展開，以全要素實(shí)景三維和離散三維點(diǎn)云為研究對象，在綜合分析了三維建模的流程基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用控制點(diǎn)布設(shè)優(yōu)化技術(shù)、傾斜影像空三加密技術(shù)、傾斜影像的瓦片分塊技術(shù)、三維重構(gòu)技術(shù)、點(diǎn)云分類等關(guān)鍵技術(shù)和理論，構(gòu)建一套完整的基于無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的三維建模方案，并對基于全要素實(shí)景三維環(huán)境下大比例尺測圖可行性進(jìn)行精度驗(yàn)證。

1 無人機(jī)傾斜攝影測量的建模作業(yè)流程

1.1 實(shí)驗(yàn)測區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目測區(qū)屬城鎮(zhèn)區(qū)，為新建城市，特點(diǎn)為城市面貌變化較快，新地物增加較快，測區(qū)總面積10平方公里。測區(qū)平面坐標(biāo)系采用CGCS2000國家坐標(biāo)系，高程采用1985國家高程基準(zhǔn)。

1.2 儀器設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)采用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)手段，所用的無人機(jī)為IFAUAV-3型無人機(jī)，搭載索尼α7RII相機(jī)。正攝相機(jī)使用35mm焦距的鏡頭，其余4個(gè)傾斜相機(jī)使用50mm焦距的鏡頭，傾斜相機(jī)角度為45度。相機(jī)采用手動模式（M檔），光圈6.3，快門1/1600S-1/1250S,ISO使用的是自動。此設(shè)置曝光量適中，所攝影像既滿足相移限制要求，又滿足影像質(zhì)量要求，地面分辨率為4cm。

1.3 空中三角測量

本次針對無人機(jī)傾斜攝影數(shù)據(jù)的特殊性，采用多視角影像聯(lián)合平差的技術(shù)方法進(jìn)行空三加密。采用最新建模軟件ContextCapture Center Edition 4.4.8，進(jìn)行空三測量及后續(xù)模型、TDOM的生產(chǎn)。

圖1 空三流程

1.4 三維模型建設(shè)

（1）初始化建模區(qū)域

根據(jù)作業(yè)區(qū)實(shí)際范圍，劃定建模區(qū)域。由于建模需要在標(biāo)準(zhǔn)直角三維空間坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行，因此軟件會將項(xiàng)目切塊坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為笛卡爾三維坐標(biāo)系。建模區(qū)域會劃分根據(jù)用戶需要，以長寬相等的正方形瓦片為劃分的最基本單位，每個(gè)瓦片（Tile）是三維建模的最小單元。

（2）建立三維像對

基于空三平差輸出的外方位元素成果和相機(jī)安置位置關(guān)系，軟件可以自動尋找合適的兩張影像組成三維像對。

（3）生成像對點(diǎn)云

對Tile內(nèi)包含的所有三維像對分別進(jìn)行點(diǎn)云匹配計(jì)算，并將這些像對點(diǎn)云進(jìn)行匯總合并與過濾。

（4）構(gòu)建三維TIN網(wǎng)

將前面環(huán)節(jié)得到的點(diǎn)云利用CCC軟件獨(dú)有算法進(jìn)行三角網(wǎng)化處理，在這個(gè)過程中，一些異常的點(diǎn)由于無法構(gòu)建正常的三角形而被作為粗差點(diǎn)進(jìn)行舍棄處理，如圖2所示。

圖2 構(gòu)建三維TIN網(wǎng)

（5）TIN網(wǎng)優(yōu)化

CCC可以對不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行自動檢測評估，可以對不合理的三角網(wǎng)表面進(jìn)行自動優(yōu)化，對平坦表面的三角密度實(shí)現(xiàn)自動簡化稀疏化處理，同時(shí)對復(fù)雜表面的三角網(wǎng)密度予以保留，如圖3所示。

圖3 TIN網(wǎng)優(yōu)化

（6）紋理匹配

CCC可以根據(jù)TIN網(wǎng)中每個(gè)三角形的空間位置，自動映射最佳視角的影像作為模型紋理，如圖4所示。

圖4 紋理匹配

（7）三維實(shí)景模型生產(chǎn)

對空三合格的分區(qū)根據(jù)三維TIN的空間位置信息，自動尋找最佳視角影像，并完成模型紋理的構(gòu)建，最終形成完整且真實(shí)的三維模型體，如圖5所示。

圖5 三維實(shí)景模型生產(chǎn)

模型經(jīng)過目測檢測，無空洞、無異常破面，超出像控以外的部分盡可能都裁剪掉，保證了邊緣的整齊美觀。

2 模型精度分析

模型的實(shí)際精度評定包括模型的平面精度、高程精度評定。外業(yè)檢測點(diǎn)采用GNSS-RTK測量方法和全站儀測量方法實(shí)測明顯地物點(diǎn)和高程點(diǎn)，與實(shí)景模型相關(guān)模型點(diǎn)對照進(jìn)行精度統(tǒng)計(jì)。

本次實(shí)驗(yàn)共選取了30個(gè)平面檢測點(diǎn)，如表1所示。

表1 平高檢查點(diǎn)精度統(tǒng)計(jì)表

利用中誤差計(jì)算公式計(jì)算模型平面點(diǎn)位和高程精度，公式如下：

通過對生成的三維模型進(jìn)行精度評定，該測區(qū)形成的三維模型，平面點(diǎn)位中誤差為+0.02806m，最大誤差為0.188m，小于大比例尺測圖規(guī)范要求的平面0.3米的限差；高程中誤差為+0.01924m,最大誤差為0.174m，小于規(guī)范要求的1/3等高距（0.33米）的限差。

3 結(jié)束語

本文采用了傾斜攝影實(shí)景三維建模技術(shù)，該技術(shù)可以快速的恢復(fù)現(xiàn)實(shí)的立體模型，精度高、效率高、真實(shí)反映現(xiàn)狀地物。大大降低了城市三維建模的成本，提高了建模的效率。

從平面與高程精度分析可知，利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模的精度與真實(shí)度分布比較均勻，并且傾斜攝影建模已經(jīng)符合測繪級精度，能為1：500大比例尺測圖奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并完全符合《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》精度要求。