斜航攝影技術(shù)的研究與應(yīng)用

李愛(ài)明 張亮 馬慧勇 杜郁

摘 要：利用傾斜航空攝影技術(shù)對(duì)西安市幸福林帶建設(shè)工程示范段指定區(qū)域進(jìn)行空中航拍，獲取該區(qū)域高分辨率、多視角航空影像。采用實(shí)景三維建模軟件對(duì)項(xiàng)目區(qū)綠化帶、核心建筑群等數(shù)據(jù)進(jìn)行全要素、真實(shí)、準(zhǔn)確還原，基于實(shí)景三維模型、BIM模型數(shù)據(jù)、CAD圖紙等資料，對(duì)批量生成的實(shí)景三維數(shù)據(jù)進(jìn)行校正和修改，選用虛幻4引擎創(chuàng)建可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景內(nèi)的多角度漫游，在數(shù)字世界中真實(shí)還原再現(xiàn)區(qū)域場(chǎng)景面貌，實(shí)現(xiàn)了傾斜航空攝影技術(shù)的完美應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：傾斜攝影;三維建模;幸福林帶

中圖分類號(hào)：P231.2 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）1-0054-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.012

Research and Application of Oblique Aerial Photography Technology

LI Aiming1? ? ZHANG Liang1? ? MA Huiyong1? ? DU Yu2

（1.China Construction Northwest Regional Headquarters（China Construction Silk Road Construction Investment Group Co.， Ltd.，Xi'an 710075，China; 2. Terra InfoTech （Beijing） Co.，Ltd.， Beijing 100192，China）

Abstract： uses oblique aerial photography technology to take aerial aerial photography of the designated area of the Xi'an Xingfu Forest Belt Construction Project Demonstration Section to obtain high-resolution， multi-view aerial images of the area; real-life 3D modeling software is used to analyze the data of the green belt and core building groups in the project area Carry out full-element， true and accurate restoration; based on real-world 3D models， BIM model data， CAD drawings and other materials， correct and modify the real-world 3D data generated in batches; use Unreal 4 engine to create a visualization platform to realize multi-angle roaming in the scene ， Really restore and reproduce the appearance of regional scenes in the digital world， and realize the perfect application of oblique aerial photography technology.

Keywords： oblique photography ;three-dimensional modeling; happiness forest belt

1 項(xiàng)目介紹

西安市幸福林帶項(xiàng)目是目前全球最大的地下空間綜合利用工程，也是全國(guó)最大的城市林帶建設(shè)項(xiàng)目，省市“重點(diǎn)工程”和西安市最大的市政、民生工程，被譽(yù)為“世紀(jì)工程”[1]。幸福林帶項(xiàng)目位于新城區(qū)幸福路，面積約為5.85×0.2 km2，分為地面（景觀）、負(fù)1（商業(yè)）、負(fù)2（地下停車場(chǎng)）、負(fù)3（地下管廊和地鐵）。該項(xiàng)目于2016年啟動(dòng)建設(shè)，2021年7月1日對(duì)外展示運(yùn)營(yíng)。

DEMO選取幸福林帶項(xiàng)目示范段指定區(qū)域200 m×200 m范圍（見(jiàn)圖1），利用傾斜航空攝影技術(shù)，構(gòu)建該區(qū)域三維真實(shí)場(chǎng)景，達(dá)到在數(shù)字世界中真實(shí)還原再現(xiàn)區(qū)域場(chǎng)景面貌。

2 建立模型

2.1 地上景觀實(shí)景三維建模

傾斜航空攝影技術(shù)通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從前方、后方、左側(cè)、右側(cè)和垂直五個(gè)角度采集影像，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限性[2]。該技術(shù)具有建模速度快、模型表達(dá)真實(shí)（尤其是側(cè)面紋理和鏤空紋理）、建模效率高、全要素表達(dá)地物等優(yōu)點(diǎn)。

本次通過(guò)專業(yè)飛行器攜帶專業(yè)五鏡頭傾斜航攝儀對(duì)指定200 m×200 m范圍區(qū)域進(jìn)行空中航拍，獲取該區(qū)域高分辨率、多視角航空影像，并進(jìn)行實(shí)景三維建模。

2.1.1 傾斜航空攝影及外業(yè)布控。本次采用專業(yè)航空飛行器，搭載可見(jiàn)光傳感器即傾斜航空攝影專業(yè)五鏡頭航攝儀，對(duì)指定200 m×200 m范圍區(qū)域進(jìn)行航拍。同時(shí)，按照規(guī)范要求，進(jìn)行地面控制點(diǎn)的布設(shè)。

①測(cè)區(qū)踏勘。通過(guò)測(cè)區(qū)踏勘了解作業(yè)區(qū)的地形概況和地貌特征[3]。

②航線設(shè)計(jì)。航線設(shè)計(jì)是傾斜攝影影像質(zhì)量保障的重要組成部分。進(jìn)行航線設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)明確航測(cè)范圍、影像地面分辨率要求，確認(rèn)重疊度，考慮風(fēng)向，確定航攝儀和飛行平臺(tái)等問(wèn)題，具體步驟包含以下幾方面。第一，航攝儀參數(shù)確認(rèn)。確認(rèn)航攝儀焦距、傳感器尺寸、像元大小等參數(shù)，以計(jì)算航高。第二，航高確認(rèn)。根據(jù)航攝儀參數(shù)，主要是焦距，確認(rèn)航高。第三，計(jì)算相機(jī)的航線間距和曝光間距。第四，計(jì)算出結(jié)果后，再設(shè)置控制模塊參數(shù)，以控制相機(jī)的動(dòng)作。

③航空攝影。在測(cè)區(qū)附近選定起飛點(diǎn)和降落點(diǎn)后，將以上計(jì)算出的航飛參數(shù)導(dǎo)入到飛行控制平臺(tái)，讓無(wú)人機(jī)和航攝儀根據(jù)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)巡航拍攝。

航飛參數(shù)設(shè)置包括相機(jī)參數(shù)、等距拍照、航高、起飛速度、航線速度、執(zhí)行完動(dòng)作返航、航向重疊度、旁向重疊度、航線角度、邊距等。

需要注意以下幾個(gè)方面。第一，無(wú)人機(jī)開(kāi)機(jī)檢查狀態(tài)、操控模式、傳感器狀態(tài)，測(cè)試相機(jī)拍照;第二，作業(yè)流程：上傳航線、開(kāi)始飛行，監(jiān)控飛行姿態(tài)、氣象條件、相機(jī)工作狀態(tài);第三，返航及續(xù)飛：任務(wù)執(zhí)行完或低電自動(dòng)返航，斷點(diǎn)續(xù)飛;第四，無(wú)人機(jī)的飛行安全：風(fēng)速過(guò)大導(dǎo)致無(wú)法返航、未留足夠緊急電量、障礙物碰撞等;第五，及時(shí)導(dǎo)出航拍成果并檢查影像質(zhì)量。

④控制點(diǎn)布設(shè)。在整個(gè)航測(cè)作業(yè)中，像控點(diǎn)的布設(shè)至關(guān)重要。

⑤質(zhì)量檢查。飛行完成后，對(duì)航拍成果進(jìn)行質(zhì)量檢查也是一項(xiàng)十分重要的工作。質(zhì)量檢查的目的是確認(rèn)無(wú)人機(jī)采集的航片能夠用于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，以免造成數(shù)據(jù)不滿足質(zhì)量要求的情況，這將在很大程度上延誤項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度，造成工期延誤與預(yù)算浪費(fèi)。

其一，POS質(zhì)量檢查。POS數(shù)據(jù)包含航片的地理位置信息，其精度會(huì)直接影響模型的精度和表現(xiàn)。較為常見(jiàn)的問(wèn)題是POS丟失、POS數(shù)據(jù)錯(cuò)位。航飛人員需要檢查記錄的拍照次數(shù)與記錄的POS數(shù)據(jù)是否對(duì)應(yīng)，如有缺失，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)救。POS數(shù)據(jù)錯(cuò)位存在于五鏡頭數(shù)據(jù)不能統(tǒng)一拷貝的相機(jī)中，一般是人為原因造成。其二，影像質(zhì)量檢查。a.地面分辨率優(yōu)于0.05 m。b.是否存在漏片現(xiàn)象等問(wèn)題。如果存在，應(yīng)采取補(bǔ)救措施;如果數(shù)據(jù)合格，應(yīng)及時(shí)備份、分類保存好數(shù)據(jù)，交付內(nèi)業(yè)同事使用。其三，控制點(diǎn)質(zhì)量檢查。a.控制點(diǎn)分布是否均勻，不均勻或者局部缺失需要補(bǔ)測(cè)。b.控制點(diǎn)分布是否合理，是否能和地形地貌變化吻合。c.控制點(diǎn)位置是否清晰可判別，不能判別需要重新補(bǔ)測(cè)。d.控制點(diǎn)聯(lián)合平差，平面精度中誤差不超過(guò)0.12 m，高程精度不超過(guò)0.1 m。e.檢查采集的地圖坐標(biāo)數(shù)據(jù)誤差，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，地圖數(shù)據(jù)誤差不應(yīng)超過(guò)5 cm。f.地貌測(cè)繪完成后外業(yè)采集技術(shù)人員將在礦區(qū)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地形總貌的檢驗(yàn)。

2.1.2 實(shí)景三維建模。通過(guò)外業(yè)航拍獲取多角度、高分辨率影像后，采用實(shí)景三維建模軟件，對(duì)指定200 m×200 m范圍區(qū)域進(jìn)行實(shí)景三維建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定200 m×200 m范圍區(qū)域綠化帶、核心建筑群等數(shù)據(jù)進(jìn)行全要素、真實(shí)、準(zhǔn)確還原。所建模型具有真實(shí)紋理并能夠全要素真實(shí)反映建筑物、道路、植被等地物要素的精細(xì)結(jié)構(gòu)和空間布局。模型數(shù)據(jù)采用國(guó)家2000大地坐標(biāo)參考，整體分辨率精度為2 cm，重點(diǎn)建筑分辨率可達(dá)毫米級(jí)，平面及高程精度滿足1∶1 000測(cè)繪精度要求。局部效果如圖2所示，其中圖2（a）為實(shí)際航拍圖，圖2（b）為模型效果圖。

①數(shù)據(jù)預(yù)處理。一是數(shù)據(jù)檢查。數(shù)據(jù)檢查項(xiàng)和質(zhì)量參數(shù)如表1所示。二是EO文件制作。EO文件中影像索引文件結(jié)構(gòu)如表2所示。

②影像勻光處理。通常情況下傾斜影像和下視影像會(huì)由于光折射存在一定程度上的色調(diào)差異，因此需要進(jìn)行影像勻光處理。

③傾斜攝影空三計(jì)算。傾斜攝影空三平差處理最重要的是如何將垂直下視影像和傾斜影像進(jìn)行聯(lián)合平差[4]，經(jīng)處理得到符合精度要求的空三成果，如表3所示。Photomesh全自動(dòng)空三成果的精度指標(biāo)為Mean Median Reprojection Error（重投影中誤差）。

④實(shí)景三維模型構(gòu)建。模型構(gòu)建采用分塊計(jì)算，程序自動(dòng)選擇不同視角上的最佳像對(duì)模型，生成三維尺度的密集點(diǎn)云。點(diǎn)云自動(dòng)轉(zhuǎn)換為不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型，基于內(nèi)在幾何關(guān)系，將TIN模型進(jìn)行平滑和優(yōu)化。根據(jù)三維TIN的空間位置信息，獲取最佳視角影像紋理，自動(dòng)賦予模型紋理，輸出OSGB格式實(shí)景三維模型成果。模型構(gòu)建邏輯說(shuō)明如圖3所示。

⑤數(shù)據(jù)分塊。Photomesh節(jié)點(diǎn)工作以云的方式進(jìn)行組織管理生產(chǎn)。為了生產(chǎn)作業(yè)，將測(cè)區(qū)分成多個(gè)作業(yè)區(qū)，然后根據(jù)每個(gè)作業(yè)區(qū)的相片數(shù)量劃分作業(yè)子區(qū)，原則上每個(gè)作業(yè)子區(qū)相片數(shù)量最多不超過(guò)25 000張，以作業(yè)子區(qū)中心點(diǎn)為原點(diǎn)，自動(dòng)進(jìn)行分塊建模。

⑥點(diǎn)云匹配?；诳杖讲钶敵龅耐夥轿辉爻晒琍hotemesh可以自動(dòng)將影像進(jìn)行匹配，組成三維像對(duì)。對(duì)Tile內(nèi)包含的所有三維像對(duì)分別進(jìn)行點(diǎn)云匹配計(jì)算，并將這些像對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行匯總合并。

⑦三角網(wǎng)生成、紋理貼圖。因?yàn)樗杏跋窬哂芯_位置信息，PhotoMesh可在全部候選影像中自動(dòng)快速地選取最清晰最好的紋理貼在對(duì)應(yīng)位置的實(shí)景三維模型面上，最后輸出紋理清晰逼真的實(shí)景三維模型。

⑧實(shí)景三維模型修改。一是模型核查，重點(diǎn)檢查區(qū)域有高層建筑及用戶指定的重點(diǎn)區(qū)域等。二是實(shí)景三維模型修改內(nèi)容，對(duì)于存在問(wèn)題，編輯三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)，然后賦予優(yōu)選紋理。

⑨質(zhì)量控制。對(duì)項(xiàng)目實(shí)行多級(jí)檢核制度。

2.2 指定區(qū)域三維建模

由于通過(guò)實(shí)景三維建模軟件批量生成的實(shí)景三維模型可能存在破洞、褡褳、紋理扭曲、懸浮等問(wèn)題。為了保證整體數(shù)據(jù)精度及展示效果，決定本次通過(guò)基于實(shí)景三維模型、BIM模型數(shù)據(jù)、CAD圖紙等資料，手工制作場(chǎng)景三維模型數(shù)據(jù)，如圖4所示。并實(shí)地赴現(xiàn)場(chǎng)采集紋理貼圖數(shù)據(jù)，在軟件內(nèi)將真實(shí)紋理映射至場(chǎng)景模型中，以達(dá)到在三維場(chǎng)景中還原現(xiàn)實(shí)樣貌的目的。

2.3 可視化演示平臺(tái)

為了提高數(shù)據(jù)展示效果和瀏覽體驗(yàn)，筆者選用虛幻4引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)效果展示，并將手工三維模型導(dǎo)入平臺(tái)后進(jìn)行綠化植被等數(shù)據(jù)的處理，通過(guò)虛幻引擎基于物理的光柵化器和光線追蹤器，獲取逼真的光柵化和光線追蹤效果，以及通過(guò)引擎內(nèi)的相關(guān)控制模塊設(shè)置，實(shí)現(xiàn)在場(chǎng)景內(nèi)的多角度漫游效果。

3 結(jié)論

傾斜航空攝影技術(shù)通過(guò)在同一飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)傳感器，可以同時(shí)從不同角度采集影像，具有建模速度快、模型表達(dá)真實(shí)、建模效率高、全要素表達(dá)地物等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)西安市幸福林帶建設(shè)工程示范段指定區(qū)域進(jìn)行空中攝影并建立模型，充分發(fā)揮傾斜航空攝影技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字世界中真實(shí)還原再現(xiàn)區(qū)域場(chǎng)景面貌，實(shí)現(xiàn)了傾斜航空攝影技術(shù)的完美應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2021-11-09

作者信息：李愛(ài)明（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向：橋梁與隧道工程;張亮（1984—），男，本科，工程師，研究方向：土木工程;馬慧勇（1977—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：橋梁工程;杜郁（1984—），男，本科，助理工程師，研究方向：地理信息科學(xué)。

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