無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用研究

范印 李梁 高磊 張克

摘 要：實(shí)景真三維模型作為搭建城市智慧化管理平臺(tái)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，在城市規(guī)劃、智慧旅游、智慧公安等方面起著非常重要的作用。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量這一新型測(cè)繪技術(shù)能夠自動(dòng)化、智能化構(gòu)建實(shí)景真三維模型，建模效率高、模型精細(xì)逼真，助力智慧城市建設(shè)。文章介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)原理，并結(jié)合實(shí)際工程案例，探討具體建模流程，分析測(cè)繪成果精度，得到真實(shí)可靠的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影測(cè)量;實(shí)景三維模型;智慧城市

0 引言

近年來(lái)，智慧城市建設(shè)實(shí)踐，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和實(shí)業(yè)界所廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。我國(guó)也掀起了智慧城市的建設(shè)浪潮，而與智慧城市建設(shè)密切相關(guān)的城市測(cè)量技術(shù)也引發(fā)了全社會(huì)的討論[1]。三維城市模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)是智慧城市建設(shè)的一項(xiàng)基礎(chǔ)內(nèi)容，是建設(shè)城市三維地理信息平臺(tái)的重要組成部分。本文將以無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量實(shí)景真三維建模技術(shù)為主要研究對(duì)象，分析該技術(shù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用。

1 傾斜攝影測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)通常包括區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、密集匹配、DSM生成、真正射糾正、三維建模等。

1.1 區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差

無(wú)人機(jī)傾斜攝影空中三角測(cè)量系統(tǒng)需要使用多幅影像聯(lián)合平差處理方法來(lái)處理傾斜影像。在區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差過(guò)程中，需要注意：（1）結(jié)合多視影像外方位元素（線元素和角元素）、利用金字塔影像匹配策略，在不同分辨率層級(jí)影像上進(jìn)行同名點(diǎn)匹配和聯(lián)合空中三角測(cè)量，得到較好的同名點(diǎn)匹配結(jié)果。（2）將連接點(diǎn)，控制點(diǎn)坐標(biāo)，照片位置和姿態(tài)等輔助數(shù)據(jù)，與誤差方程進(jìn)行聯(lián)合平差解算，以獲取高精度的空三結(jié)果。

1.2 密集匹配

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，多基元影像密集匹配，已經(jīng)成為數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量領(lǐng)域的新興研究方向。目前，該技術(shù)已經(jīng)可以自動(dòng)識(shí)別與提取建筑物立面特征，對(duì)墻面分類、掃描和分割，重構(gòu)建筑物的立面結(jié)構(gòu)，直接提取建筑高度和外部輪廓信息。

1.3? DSM生成

如何在傾斜攝影測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上自動(dòng)獲取數(shù)字表面模型存在新的技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)傳感器獲取到的影像外方位元素?cái)?shù)據(jù)，分析與選擇合適的影像匹配單元進(jìn)行最小二乘影像匹配和逐像素級(jí)的高精度密集匹配，引入計(jì)算機(jī)并行算法，提高計(jì)算效率。在獲取高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，進(jìn)行濾波抽稀處理，融合不同匹配單元，形成統(tǒng)一的數(shù)字表面模型DSM。

1.4 真正射影像糾正

利用生成的數(shù)字表模型DSM，使用聯(lián)合平差以及密集匹配算法，建立物方與像方特征點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在影像糾正過(guò)程中考慮到幾何輻射等系統(tǒng)誤差的干擾，進(jìn)行聯(lián)合平差改正，最后獲得真正射影像。

1.5 三維建模

無(wú)人機(jī)獲取地物傾斜攝影影像數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)建模軟件，可以構(gòu)建實(shí)景三維模型，模型成產(chǎn)過(guò)程采取自動(dòng)化、集群化作業(yè)方式，效率高、模型精度高、成本低。多視影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)幾何校正和聯(lián)合平差處理，生成高密度點(diǎn)云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)模型，經(jīng)過(guò)紋理映射，最后得到高分辨率的實(shí)景三維模型，模型達(dá)到測(cè)繪級(jí)精度。

2 ? 應(yīng)用案例

本工程以昆明市中心城區(qū)為試驗(yàn)區(qū)域，測(cè)區(qū)面積為? ? ? ?120 km2，介紹三維數(shù)字建模的基本流程。

2.1? 數(shù)據(jù)采集

在航飛前根據(jù)測(cè)區(qū)特征進(jìn)行航線規(guī)劃和像控布設(shè)。本項(xiàng)目測(cè)區(qū)的飛行航線和像控點(diǎn)布設(shè)方案，共布設(shè)57個(gè)像控點(diǎn)，飛行時(shí)設(shè)置航高設(shè)置為250 m，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，采集垂直影像14萬(wàn)張，傾斜影像56萬(wàn)張。

2.2? 三維建模

依據(jù)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)獲取的有效原始影像和 POS 數(shù)據(jù)，制作城市實(shí)景真三維模型流程如下：（1）將獲取到的影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CONTEXT CAPTURE建模軟件，進(jìn)行自動(dòng)空中三角測(cè)量。（2）結(jié)合空三加密解算出來(lái)的影像外方位元素（線元素和角元素），運(yùn)用多視影像密集匹配算法解算，生產(chǎn)出由高密度點(diǎn)云構(gòu)成的具有真實(shí)地理景觀的數(shù)字表面模型。（3）根據(jù)離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合的原則，把這些離散點(diǎn)（各三角形的頂點(diǎn)）連接成相互連續(xù)的三角面，在連接時(shí)盡可能地使每個(gè)三角形為銳角三角形或三邊的長(zhǎng)度近似相等，將區(qū)域劃分為相連的角面網(wǎng)格，構(gòu)建出不規(guī)則三角網(wǎng)。（4）不規(guī)則三角網(wǎng)模型經(jīng)過(guò)紋理映射，附上地物應(yīng)有紋理顏色，就得到具有真實(shí)景觀的三維數(shù)字城市模型，如圖1所示。（5）城市三維模型力求精細(xì)化，對(duì)生產(chǎn)出的模型要進(jìn)行修飾。（6）檢查并驗(yàn)收模型成果，符合要求后方可提交。

2.3? 模型精度檢核

三維模型質(zhì)量直接影響著智慧城市的建設(shè)，而模型的精度是評(píng)定模型質(zhì)量非常關(guān)鍵的指標(biāo)之一。三維模型的精度分析主要包括平面位置精度和高度精度的評(píng)定[2]。模型的精度和模型生產(chǎn)效率對(duì)地理信息系統(tǒng)的實(shí)用性和建設(shè)程度影響很大，同時(shí)，也為城市規(guī)劃和合理建設(shè)提供重要保障。因此，對(duì)模型精度進(jìn)行評(píng)定分析具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。測(cè)區(qū)共選擇20個(gè)檢查點(diǎn)，其精度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

研究區(qū)域模型的精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果：X方向中誤差為0.020 1 m，誤差絕對(duì)值最大為0.07;Y方向中誤差為? 0.019 3 m，誤差絕對(duì)值最大為0.08;高程坐標(biāo)中誤差為? 0.016 5 m，誤差絕對(duì)值最大為 0.04 m。

從以上計(jì)算得到的精度值不難分析出，無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維建模的模型精度分布比較均衡[3-4]，而且生產(chǎn)的模型完全滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在云南省昆明市智慧城市三維建模項(xiàng)目中的應(yīng)用研究，得出如下結(jié)論：（1）無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通過(guò)高效率的實(shí)景三維建模，能夠還原真實(shí)城市和周邊地物地貌，很大程度上提高了城市測(cè)繪工作的效率。（2）在實(shí)景三維模型上均勻抽取了20個(gè)檢查點(diǎn)，實(shí)景模型上檢查點(diǎn)的三維坐標(biāo)與實(shí)測(cè)坐標(biāo)值進(jìn)行比較，計(jì)算得到檢查點(diǎn)的平面位置和高程中誤差：mx=2.01 cm;my=1.93 cm;mz=1.65 cm，模型精度滿足智慧城市建設(shè)項(xiàng)目要求。

[參考文獻(xiàn)]

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[4]孫亮，夏永華.基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)測(cè)繪大比例尺地形圖的可行性研究[J].價(jià)值工程，2017（8）：209-212.

（編輯 姚 鑫）