淺談無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中的應(yīng)用

張秀雷 袁中朝 林士杰 李昕陽(yáng)

山東魯邦地理信息工程有限公司 山東 濟(jì)南 250101

引言

當(dāng)前智慧城市已經(jīng)成為城市未來發(fā)展的一個(gè)重要方向，在智慧城市的建設(shè)過程中，城市實(shí)景三維建模是一項(xiàng)重要的建設(shè)內(nèi)容，而無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對(duì)城市三維模型的建立而言，有著非常重要的幫助，但是就無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用而言，其本身控制難度較大，對(duì)管理要求較高，一旦出現(xiàn)問題，勢(shì)必會(huì)對(duì)城市實(shí)景三維模型造成影響，最終使得城市規(guī)劃與建設(shè)脫離實(shí)際，因此在城市實(shí)景三維建模中，不僅要重視無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)還要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)的把控，才能取得良好的應(yīng)用效果。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)概述

所謂無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)指的是在無人機(jī)平臺(tái)上搭載多臺(tái)攝影系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)從多個(gè)角度對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行攝影測(cè)量的一種技術(shù)。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)，極大地改變了傳統(tǒng)模式下航空攝影只有正射影像的缺陷，通過傾斜攝影系統(tǒng)的布置，能夠?qū)崿F(xiàn)從側(cè)面獲取目標(biāo)信息，避免了盲點(diǎn)以及遮擋而導(dǎo)致獲取信息不全面情況的出現(xiàn)。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)屬于新興的一種測(cè)量技術(shù)，其不僅對(duì)傳統(tǒng)的航空攝影技術(shù)缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，同時(shí)在應(yīng)用過程中，還能夠同步航速、航向以及坐標(biāo)等地理信息參數(shù)，為測(cè)量人員提供更加直接且直觀的實(shí)景輸出。綜合來看，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

1.1 便捷測(cè)量

無人機(jī)屬于小型飛行器，其起降過程無須過多的地面設(shè)備支持，對(duì)環(huán)境要求也較低，只要在空曠的場(chǎng)所，保證良好的通信條件，通過遙控設(shè)備就可以升空進(jìn)行攝影測(cè)量.不僅如此無人機(jī)還可以根據(jù)測(cè)量需求，在不同的高度進(jìn)行測(cè)量，甚至可以實(shí)現(xiàn)超低空飛行，實(shí)現(xiàn)更為精確地測(cè)量。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)極大地提高了攝影測(cè)量的便捷性[1]。

1.2 高效測(cè)量

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)通過多臺(tái)航攝儀搭載，能夠?qū)崿F(xiàn)從多個(gè)角度對(duì)地面目標(biāo)信息的獲取，更加真實(shí)、直接地反映出目標(biāo)的信息。另外，無人機(jī)傾斜攝影平臺(tái)搭載了高分辨率的航攝儀，能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)的攝影測(cè)量需求，在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠清晰地獲取地面目標(biāo)的影像數(shù)據(jù)，反饋出目標(biāo)的紋理及幾何特征。

1.3 自動(dòng)測(cè)量

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)具備較高的自動(dòng)化程度，無人機(jī)升空后，便可以根據(jù)指令的要求，自動(dòng)進(jìn)行攝影測(cè)量以及數(shù)據(jù)采集等作業(yè)，并且還能夠?qū)⑺@取的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄與輸出，為后期三維實(shí)景建模奠定基礎(chǔ)。

2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中的應(yīng)用

2.1 建模數(shù)據(jù)的獲取

城市實(shí)景三維建模所應(yīng)用到的數(shù)據(jù)主要包括建模區(qū)域的原始影像數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)以及相機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)，其中原始影像數(shù)據(jù)的獲取需要通過無人機(jī)搭載多臺(tái)航攝儀對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行多角度的拍攝，進(jìn)而才能獲取多角度的原始影像數(shù)據(jù)，在影像數(shù)據(jù)中能夠切實(shí)反映出建筑物的紋理特征、幾何特征[2]。在進(jìn)行影像采集的時(shí)候，必須要對(duì)所測(cè)量區(qū)域的下相關(guān)信息資料進(jìn)行收集，注意其周圍的環(huán)境，做好準(zhǔn)備工作，以確保影像數(shù)據(jù)采集工作的順利展開。在實(shí)際的測(cè)量過程中，應(yīng)當(dāng)選擇合適的飛行時(shí)間、高度，確定好航向以及重疊度，設(shè)置合理的像控點(diǎn)密度，以確保原始建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)于復(fù)雜的地形地貌側(cè)面紋理等信息，可通過數(shù)碼相機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，以便于后期進(jìn)行查找對(duì)比，以彌補(bǔ)無人機(jī)攝影在精度方面的不足之處。 POS數(shù)據(jù)則是無人機(jī)在測(cè)量過程中所自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)，其同原始影像數(shù)據(jù)存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系，而相機(jī)參數(shù)等數(shù)據(jù)則包括相機(jī)焦距、像素、曝光等參數(shù)，在攝影測(cè)量過程當(dāng)中，測(cè)量系統(tǒng)一般會(huì)自動(dòng)對(duì)POS數(shù)據(jù)以及相機(jī)參數(shù)進(jìn)行記錄并體現(xiàn)其同影像數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便于為后期的數(shù)據(jù)處理工作提供參考。

2.2 空中三角測(cè)量與計(jì)算

傾斜攝影測(cè)量所獲取的影像數(shù)據(jù)包括垂直和傾斜兩個(gè)方面的影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的獲取更為全面，但同時(shí)也使得數(shù)據(jù)的處理難度得以增加，也對(duì)數(shù)據(jù)測(cè)算方式提出了更高的要求，以往同名像點(diǎn)的量測(cè)算方式是無法滿足需求的。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)通過光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的空三計(jì)算，其中平差單元指的是一張相片形成的一個(gè)光束，而平差單元的基礎(chǔ)方程則是指中心投影的共線方程，不同的相片產(chǎn)生多個(gè)光束，不同光束在區(qū)域空間內(nèi)的平移、旋轉(zhuǎn)，相互交會(huì)，便可以實(shí)現(xiàn)模型光線最佳的交會(huì)，區(qū)域模型也便可以通過光束的交會(huì)，在坐標(biāo)控制系統(tǒng)中得到完美的嵌入，使得空間之間的相互位置關(guān)系得到最佳的恢復(fù)與體現(xiàn)。傾斜攝影測(cè)量過程中，會(huì)生成動(dòng)態(tài)的POS數(shù)據(jù)，對(duì)此可以將其視為方位元素，在多基線、多特征匹配計(jì)算的支持下，通過定向處理，進(jìn)行空中三角測(cè)量，從多個(gè)視角實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的拍攝，進(jìn)而為后續(xù)的三維建模打下基礎(chǔ)[3]。

2.3 影像數(shù)據(jù)的處理

無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量主要分為飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等幾部分組成，在實(shí)際的拍攝過程中，通過預(yù)先設(shè)定好的航線、航高等數(shù)據(jù)，由這幾部分相互協(xié)作共同完成對(duì)地面相關(guān)目標(biāo)的攝影測(cè)量工作，繼而獲取相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。但實(shí)際上由于多方面因素的影響，所獲取的數(shù)據(jù)可能會(huì)存在一定的變形、重疊等情況，因此在獲取影像數(shù)據(jù)之后必須要對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的檢查與處理，重點(diǎn)在于對(duì)影像數(shù)據(jù)的變形情況、重疊度情況以及其同POS數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系等是否滿足建模要求，若是影像數(shù)據(jù)滿足建模要求，則可以通過預(yù)處理便可以應(yīng)用到建模過程當(dāng)中，若是無法滿足要求，則必須要采取措施對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的修復(fù)，促使其滿足建模的基本要求，保證三維場(chǎng)景建模的準(zhǔn)確性。

2.4 紋理提取

紋理提取的目的是為了在三維模型中對(duì)實(shí)景進(jìn)行體現(xiàn)，在點(diǎn)云密集匹配的過程中，按照單模型點(diǎn)云提取的方法對(duì)紋理進(jìn)行提取。也就是說要將整個(gè)建模區(qū)域分割為不同的子區(qū)域，繼而分別對(duì)子區(qū)域進(jìn)行紋理的匹配與貼附，通過相應(yīng)的優(yōu)化，使得子區(qū)域能夠同紋理機(jī)型高效的融合，體現(xiàn)出實(shí)景的特征。如此一來不僅使得模型的層次感得到了增強(qiáng)，同時(shí)也使得實(shí)景建模的質(zhì)量得以提升。而由于城市環(huán)境比較復(fù)雜，在實(shí)際的紋理提取過程當(dāng)中，不僅需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)傾斜攝影的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)的設(shè)定與調(diào)整，同時(shí)還要準(zhǔn)確攝影目標(biāo)，合理進(jìn)行像控點(diǎn)的影像標(biāo)識(shí)工作，在獲取相關(guān)數(shù)據(jù)之后，還要對(duì)數(shù)據(jù)一定的結(jié)算，進(jìn)而將各控制點(diǎn)位以及攝影信息在坐標(biāo)體系中進(jìn)行體現(xiàn)，利用相關(guān)處理軟件在信息核對(duì)無誤后便可以進(jìn)行導(dǎo)出作業(yè)。坐標(biāo)的構(gòu)建必須要確保其位置信息同攝影測(cè)量信息之間的高度匹配，進(jìn)而經(jīng)過相關(guān)參數(shù)的調(diào)整之后，使得數(shù)據(jù)處理的效率以及準(zhǔn)確性都得到提升。攝影測(cè)量數(shù)據(jù)信息導(dǎo)出之后，便可以進(jìn)行三維立體模型的構(gòu)建，此時(shí)要對(duì)傾斜攝影所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的核驗(yàn)，以避免其測(cè)量誤差超出所規(guī)定的范圍。數(shù)據(jù)測(cè)圖應(yīng)當(dāng)按照建模的要求進(jìn)行，以確保生成的線性畫圖能夠準(zhǔn)確貼合實(shí)景模型，保證傾斜攝影測(cè)量的精確性。

2.5 模型的建立與糾正

三維模型的建立需要借助專業(yè)的處理軟件，如Context Capture三維建模實(shí)景軟件，其能夠根據(jù)所拍攝的多角度影像，在對(duì)建模范圍以及相關(guān)參數(shù)設(shè)定后，便可以自動(dòng)化進(jìn)行點(diǎn)云匹配、紋理關(guān)聯(lián)等操作，實(shí)現(xiàn)三維模型的自動(dòng)創(chuàng)建，并將相關(guān)紋理關(guān)聯(lián)到具體的模型當(dāng)中，促使其具備一定的實(shí)景效果。利用軟件自動(dòng)進(jìn)行建模雖然比較高效，但是其在細(xì)節(jié)方面仍然存在一定的不足之處，特別是實(shí)際測(cè)量過程當(dāng)中，由于測(cè)量角度以及尺度方面的誤差，很有可能造成相關(guān)目標(biāo)遮擋、陰影等情況的出現(xiàn)，使得模型的精確度受到一定的影響，此時(shí)就需要通過影像外的方位元素對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的匹配，結(jié)合模型的相關(guān)算法，對(duì)目標(biāo)的高度、尺寸等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，使得所建立的城市實(shí)景三維模型的精確性得到進(jìn)一步的提升。獲取高密度的數(shù)據(jù)之后，必須要通過濾波等方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以融合不同的單元構(gòu)成一體化的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為實(shí)景建模提供數(shù)據(jù)支持。利用多方位攝影技術(shù)開展城市三維實(shí)景模型建立的過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)重視對(duì)建筑屋頂?shù)缺砻嫘畔⒌墨@取，輔助以一定的技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，科學(xué)進(jìn)行均光處理，使得所建立實(shí)景模型的真實(shí)性得到充分的體現(xiàn)。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的在城市實(shí)景三維建模中的局限性

在城市實(shí)景三維建模中，通過無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高效的影像數(shù)據(jù)采集與處理，并在建模技術(shù)的支持下快速準(zhǔn)確進(jìn)行了三維的實(shí)景模型的建立，相對(duì)于傳統(tǒng)的坐標(biāo)定位等技術(shù)方式而言，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到了極大的體現(xiàn)，其構(gòu)建的城市實(shí)景三維模型具備極高的真實(shí)性、還原性，在智慧城市的建設(shè)過程中，有著極大的應(yīng)用空間，滿足了智慧城市的發(fā)展需求。但是就無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用來看，其在攝影測(cè)量過程中也存在一定的局限性，比如說其攝影過程中容易受到天氣、地形地貌等外界環(huán)境因素的影響，使得所獲取的影像數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的幾何變形或者是數(shù)字轉(zhuǎn)化影像噪音過大等情況的出現(xiàn)，此外航拍飛行模式以及比例的設(shè)定也會(huì)造成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，如何采取有效的措施來保證測(cè)量過程的精確性，一直是無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用難題。城市適應(yīng)三維建模會(huì)受到影像精度的影響，在實(shí)際的攝影測(cè)量過程當(dāng)中，相關(guān)人員就應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)方面的要點(diǎn)：首先，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)選擇天氣狀況良好，環(huán)境因素穩(wěn)定、光線充足的狀況下進(jìn)行測(cè)量，以避免這些因素對(duì)攝影測(cè)量的過程形成干擾，保證數(shù)據(jù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。其次，要做好現(xiàn)場(chǎng)攝影測(cè)量的控制，選擇合理的控制點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，規(guī)劃合理的航線以及航行高度，并對(duì)飛行過程進(jìn)行控制，保證飛行過程的穩(wěn)定性。航測(cè)的過程當(dāng)中，工作人員也要結(jié)合城市規(guī)劃設(shè)計(jì)圖紙對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行拾取，保證傾斜攝影測(cè)量的專業(yè)性，以應(yīng)對(duì)城市復(fù)雜的建筑、交通布局。最后，傾斜攝影測(cè)量本質(zhì)上是一種攝影技術(shù)，在這其中涉及大量的數(shù)據(jù)獲取、傳輸以及處理工作，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)影響到影像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此必須要強(qiáng)化對(duì)各項(xiàng)設(shè)備的管理，監(jiān)測(cè)其工作狀態(tài)，避免在影像數(shù)據(jù)在這一過程中出現(xiàn)重疊、變形等情況，影響到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量計(jì)算屬于當(dāng)下一種新興的攝影測(cè)量技術(shù)，雖然其在城市實(shí)景三維建模中有著較為廣泛的應(yīng)用，但是其實(shí)際的應(yīng)用較為復(fù)雜，涉及數(shù)據(jù)的采集、分析以及模型的建立等諸多內(nèi)容，需要從多方面對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行管理，才能獲取更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，建立高質(zhì)量的城市實(shí)景三維模型，為智慧城市的建設(shè)提供一定的幫助。