無人機(jī)傾斜攝影測量在城市三維實(shí)景建模中的應(yīng)用及精度分析

劉曉菲 房華樂

1. 濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東 濟(jì)寧 272000

2. 山東光大空間地理信息有限責(zé)任公司 山東 濟(jì)寧 272000

隨著測繪地理信息技術(shù)的不斷發(fā)展，城市由“數(shù)字化”逐步向“智慧化”升級轉(zhuǎn)型，城市建筑不斷向高處延伸，傳統(tǒng)的二維地圖數(shù)據(jù)已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，三維實(shí)景模型具有直觀的表達(dá)性，成為城市發(fā)展建設(shè)的重要基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，是城市測繪的發(fā)展方向[1-3]?，F(xiàn)階段，城市三維實(shí)景模型構(gòu)建的方式主要有單體建模、三維激光掃描以及傾斜攝影測量等方法。單體建模精度較高，但建模效率太低，適用于單個(gè)復(fù)雜建筑物，對于大面積、多數(shù)量的建筑物建設(shè)成本較高[4]；三維激光掃描技術(shù)建模精度較高，但建設(shè)成本高并且需要大量的內(nèi)業(yè)工作，同樣適用于少量建筑物建模；傾斜攝影測量技術(shù)在構(gòu)建城市三維實(shí)景模型中具有覆蓋面廣、成本低以及紋理豐富的特點(diǎn)，并且測量精度較高，極大的降低了大規(guī)模城市建模的成本[5]?；诖耍疚牟捎眯頍o人機(jī)開展城市三維實(shí)景建模工作，分析傾斜攝影測量工作建模的關(guān)鍵技術(shù)及數(shù)據(jù)處理流程，為城市大范圍三維實(shí)景模型的建立提供技術(shù)參考。

1 無人機(jī)三維建模的原理及技術(shù)流程

1.1 傾斜攝影測量原理

傾斜攝影測量將近景攝影測量技術(shù)與常規(guī)無人機(jī)攝影測量技術(shù)相融合，在無人機(jī)飛行平臺上搭載五個(gè)不同方向的攝像頭，其中一個(gè)垂直向下，四個(gè)傾斜角度，可獲取不同角度的地物影像。垂直鏡頭獲取的正射影像可以制作4D產(chǎn)品[6,7]，傾斜鏡頭可以從不同角度獲取建筑物的紋理，借助傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理平臺，可高效的構(gòu)建位置準(zhǔn)確、紋理清晰的三維地物模型。現(xiàn)階段，傾斜攝影測量構(gòu)建的三維模型兼容多種GIS應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享與應(yīng)用。

與傳統(tǒng)的航空攝影測量相比，傾斜攝影測量從不同角度獲取地物紋理及高程，可以從多面反映地物的真實(shí)情況，從三維模型上可以直接量取長寬高、坡度、角度等參數(shù)[8]，極大的彌補(bǔ)了正射影像測量的不足。但是，由于城市中復(fù)雜的建筑物、構(gòu)筑物以及樹木植被的影響，對于遮擋區(qū)域也需要人工采用補(bǔ)測的方式將三維模型建立的更加完整，補(bǔ)充缺失區(qū)域。

1.2 技術(shù)流程

本文采用運(yùn)5無人機(jī)搭載SWDC5AP100傾斜攝影測量系統(tǒng)，采用系統(tǒng)垂直拍攝獲取的影像構(gòu)建地形模型，并制作DOM與DEM[9]，采用四個(gè)傾斜鏡頭及垂直影像制作建筑物的三維白模，紋理貼圖后制作三維實(shí)景模型。采用人工地面補(bǔ)拍獲取遺漏的細(xì)節(jié)紋理作為補(bǔ)充紋理，總體技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 城市實(shí)景模型建設(shè)總體路線圖

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 飛行參數(shù)設(shè)置

無人機(jī)飛行參數(shù)主要包括航線、飛行高度兩項(xiàng)重要參數(shù)。航線設(shè)置要滿足航向重疊率和旁向重疊率的要求[10]，本次飛行設(shè)置航向重疊率為75%，旁向重疊率為80%。飛行高度由基準(zhǔn)面高度和地面分辨率決定，計(jì)算公式如式1所示。

式1中，H為無人機(jī)飛行高度；f為攝影測量鏡頭焦距；GSD為像片的地面分辨率；s為ccd元件的尺寸。

2.2 控制測量

為確保三維實(shí)景產(chǎn)品的數(shù)據(jù)精度，此次攝影測量工作在測區(qū)均勻布設(shè)了25個(gè)像控點(diǎn)和15個(gè)檢查點(diǎn)，像控點(diǎn)布設(shè)于明顯的道路拐角及空地上，采用CORS系統(tǒng)直接獲取40個(gè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。

3 三維實(shí)景模型生產(chǎn)

3.1 建筑物模型

通過立體像對獲取建筑物房頂?shù)母叱碳拜喞?，測量房頂面到DEM的距離，將建筑物直接拉升到地面得到建筑物的白模數(shù)據(jù)。

（1）建筑物頂部輪廓高程。通過DLG數(shù)據(jù)直接獲取建筑物的頂部輪廓數(shù)據(jù)，通過空三成果數(shù)據(jù)在立體采集軟件中恢復(fù)建筑物的立體像對，獲取建筑物的準(zhǔn)確高度。對于平頂建筑物可直接量取到建筑物頂面，將測量獲取的各建筑物高程賦值到建筑物的頂部范圍面上，可以得到帶有高程數(shù)據(jù)的平頂建筑物頂部輪廓；對于尖頂或復(fù)雜建筑物則需要量取頂尖結(jié)構(gòu)到屋檐的高度，并通過立體像對采集尖頂房屋到頂部邊緣的準(zhǔn)確房脊線，并將測量數(shù)據(jù)添加到各房脊線輪廓上，得到尖頂或復(fù)雜建筑物的房頂。

（2）制作實(shí)體模型。通過將TIN數(shù)據(jù)內(nèi)插獲取DEM數(shù)據(jù)，對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行修整獲的DEM成果。根據(jù)獲取的建筑物頂部輪廓高程到DEM的距離，將房頂直接下拉到地面，建立實(shí)體模型。

（3）生產(chǎn)建筑物白模。將生產(chǎn)的實(shí)體模型導(dǎo)入3Dmax軟件中，對建筑物進(jìn)行細(xì)部處理，對地面、房脊線以及特殊結(jié)構(gòu)線等進(jìn)一步細(xì)化處理，最終得到如圖2所示的建筑物白模數(shù)據(jù)。

圖2 建筑物白模數(shù)據(jù)

3.2 建筑物紋理匹配

無人機(jī)傾斜攝影測量獲取的建筑物紋理特征具有紋理真實(shí)的特點(diǎn)，可以反映建筑物外表面真實(shí)狀況。傾斜影像的貼圖流程如圖3所示。

圖3 影像貼圖

無人機(jī)攝影測量工作開展時(shí)，POS數(shù)據(jù)已經(jīng)記錄相機(jī)拍攝時(shí)的瞬時(shí)空間位置，根據(jù)POS數(shù)據(jù)計(jì)算影像的外方位元素。根據(jù)影像定向確定影像的姿態(tài)及空間位置，才能滿足圖片貼圖的條件。通過3Dmax軟件自動讀取三維模型和影像數(shù)據(jù)，通過軟件的自動匹配功能將最佳影像貼圖與建筑物白模進(jìn)行貼合，結(jié)果如圖4所示。

圖4 建筑物紋理匹配

3.3 補(bǔ)測紋理匹配

對于建筑物的頂面和側(cè)面可以通過傾斜影像直接匹配紋理，而對于建筑物旁的道路底面則需要人工進(jìn)行干預(yù)，采用補(bǔ)拍的方式進(jìn)行影像貼圖。無人機(jī)是從空中獲取地物影像，底面影像由于樹木及高大建筑物遮擋，無人機(jī)獲取的地面影像并不滿足直接貼附三維模型的條件，因此需要人工補(bǔ)充獲取，采用此種方式獲取的地面影像更加真實(shí)。通過Photoshop軟件的畸變矯正工具對獲取的影像進(jìn)行處理，消除因影像鏡頭拍攝時(shí)產(chǎn)生的角度偏差，校正后的地面影像線條間的位置關(guān)系正確，無角度偏差和存在扭曲現(xiàn)象。對于地面有車、人或其它遮擋物的區(qū)域進(jìn)行影像處理，采用Photoshop軟件將道路面修整獲取地面原貌。采用相同方法對具有代表性的門店廣告、高架道路、交通標(biāo)志等進(jìn)行補(bǔ)測。

4 精度評價(jià)

選取模型中較為明顯的18個(gè)點(diǎn)作為檢查點(diǎn)，從模型中直接獲得點(diǎn)位坐標(biāo)。使用CORS系統(tǒng)直接量測18個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的實(shí)體位置，獲取實(shí)測坐標(biāo)。將從三維模型獲取的解析坐標(biāo)與實(shí)測獲取的坐標(biāo)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表1所示。

對表1進(jìn)行分析可知，18個(gè)點(diǎn)中平面位置最大為0.292m，高程最大誤差為0.288m，平面中誤差和高程中誤差均按式（2）計(jì)算。經(jīng)計(jì)算可得平面中誤差為±0.136m，高程中誤差為±0.266m，滿足相關(guān)測量精度要求。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)與三維模型數(shù)據(jù)對比表

式2中，M為中誤差，△為誤差值，n為檢測點(diǎn)個(gè)數(shù)。

5 結(jié)論

通過實(shí)踐可知，基于無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)建立城市大范圍三維模型具有豐富的紋理特征和較高的空間精度特征，采用此方法極大的降低了城市實(shí)景三維模型建立的成本，并且在數(shù)據(jù)屬性和數(shù)據(jù)精度方面都滿足相關(guān)測量規(guī)范要求。在實(shí)際工作中，相關(guān)數(shù)據(jù)處理也存在兩點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)，一是在處理紋理匹配過程中需要配置較高的計(jì)算機(jī)以及較為穩(wěn)定的數(shù)據(jù)處理軟件；二是在進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)測過程中要抓住重點(diǎn)，補(bǔ)測具有代表性的地物或區(qū)域。