無人機傾斜攝影實景三維模型制作優(yōu)化研究

摘要：針對傾斜攝影空三解算易失敗、實景三維模型建筑物變形、文字清晰度低等問題，本文在分析傾斜攝影技術后，給出空三易失敗的原因及提出優(yōu)化措施，并將其應用于實際作業(yè)項目。對生產(chǎn)的模型存在的問題，分析了模型問題產(chǎn)生的原因并給出了解決方案。通過對模型進行優(yōu)化處理后，優(yōu)化前后的模型對比顯示：優(yōu)化后的模型建筑物結構更完整，文字清晰度更高，從精度和模型美觀上來說，更有利于城區(qū)的三維管理。本文的研究旨在為城區(qū)精細化模型制作提供思路，并為城區(qū)高質量模型的制作帶來借鑒。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；實景三維模型；模型優(yōu)化；精細化模型

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）22-0117-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

近年來，城鎮(zhèn)化進程推動了城市的快速發(fā)展。然而，城市發(fā)展規(guī)劃之前一直停留在二維或模擬三維場景之下，這種規(guī)劃與實際情況差異較大，已經(jīng)無法滿足城市高質量發(fā)展規(guī)劃需求[1]。傾斜攝影由于其真實性高、現(xiàn)勢性強、數(shù)據(jù)易獲取、成果精度高等優(yōu)點，近年來被廣泛用于城區(qū)實景三維模型的生產(chǎn)[2-3]。然而，傾斜攝影也存在空三加密易失敗、實景三維模型建筑物變形、文字清晰度低等問題，這些問題在一定程度上限制了城市三維管理的發(fā)展[4-5]。為了解決上述問題，并將傾斜攝影技術真正運用于城區(qū)實景三維模型制作，本文對傾斜空三加密易失敗的原因進行了分析，并提出了優(yōu)化措施。本文以實際項目為例，說明了傾斜建模流程，并結合實際生產(chǎn)中模型存在的問題，分析其原因并給出優(yōu)化方案。最后，將優(yōu)化方案應用于本次生產(chǎn)的模型中，取得了較好的效果。希望本文的研究可以為城區(qū)精細化三維模型的生產(chǎn)提供參考。

1 無人機傾斜攝影技術

無人機傾斜攝影技術是一種以無人機為飛行平臺，搭載多個相機從空中對地面進行航空攝影的技術[6-8]。相較豎直攝影測量，傾斜攝影搭載的相機更多，獲取影像的視角更多，得到的影像信息更加豐富，成果精度更高，產(chǎn)品用途更廣。對于航空攝影來說，相機的像元大小、相機焦距、航攝相對高度和地面影像分辨率存在如式（1） 的關系：

[H=f*GSD/a] （1）

式（1） 中：[a]表示的是相機的像元大小，[GSD]表示航攝時獲取的影像地面分辨率，[f]表示相機焦距，[H]表示航攝時的航攝相對高度。當相機選定后，式（1） 中的變量只有[H]和[GSD]。對于影像解算來說，[GSD]的數(shù)值越小，影像清晰度越高，成果解算精度越高。對于城市航攝來說，在安全飛行的前提下，相機選擇長焦，像元大小選擇小的，可以獲取更高分辨率的影像，從而提升數(shù)據(jù)解算精度。

在傾斜攝影相機選擇時，為了數(shù)據(jù)解算精度更高，一般相機同一種相機，唯一不同的是相機焦距不同。以5鏡頭相機為例，其由4個下視和1個側視組成，下視和側視夾角為45°。在航攝過程中，側視相機距離被攝物體的距離（假設地面平坦）是下視相機的1.414倍，而分辨率相同可以提升數(shù)據(jù)的精算精度，因此需要對焦距調整，調整側視相機焦距是下視的1.414倍。

2 空三加密優(yōu)化

傾斜影像存在冗余度高、畸變大、分辨率差異大、色差大、定位定姿系統(tǒng)（Position and Orientation System，POS） 數(shù)據(jù)共用等問題，這都影響空三加密的解算精度。因此在作業(yè)前，對航攝數(shù)據(jù)進行預處理，可以實現(xiàn)對空三加密結果的優(yōu)化。

2.1 影像質量提升

影像是空三加密解算最重要的數(shù)據(jù)，目前的算法都是基于影像數(shù)據(jù)完成的。在傾斜攝影數(shù)據(jù)解算中，其主要包括影像金字塔構建、特征檢測、特征提取、圖像相似度計算、特征匹配、平差調整等內容。因此，影像的質量直接影響空三加密成果解算的結果，需要進行優(yōu)化處理。目前傾斜影像主要存在影像冗余度高、畸變大、分辨率差異大、色差大等問題。為解決上述問題，可采用以下方法：

2.1.1 影像冗余度高優(yōu)化

影像冗余度主要由影像重疊度和多鏡頭造成。對于范圍線內的影像，后期實際參與生產(chǎn)的應予保留；對于只參與數(shù)據(jù)解算、對后期模型生產(chǎn)無用的影像可剔除。對于傾斜數(shù)據(jù)而言，需保留下視鏡頭對應任務區(qū)范圍內的影像；側視鏡頭因覆蓋范圍和航高相等，因此距離任務區(qū)范圍內的一個航高距離的側視鏡頭影像也是可以剔除的。任務區(qū)范圍外的影像，由于其重疊度低、影像質量差，參與數(shù)據(jù)解算會導致數(shù)據(jù)解算成果精度降低。影像的剔除可以減少影像總數(shù)量，提升影像的解算效率和精度。

2.1.2 畸變大優(yōu)化

由于傾斜攝影影像畸變大，因此解決影像畸變問題，也可以提升空三的解算精度。影像畸變可以從兩方面入手，即對影像畸變進行糾正處理和去除影像邊緣部分，讓其不參與數(shù)據(jù)解算。影像畸變處理主要是借助高精度相機參數(shù)，對影像進行糾正，對于傾斜攝影相機來說，準確的相機參數(shù)獲取難度大，一般都是通過軟件自檢校獲取，再進行畸變處理。去除影像邊緣部分并不是對原始影像進行裁切，而是采用蒙板技術，對影像參與空三解算的部分進行約束，從而降低影像畸變對空三加密帶來的影響。

2.1.3 分辨率差異大優(yōu)化措施

由式（1） 可知，在相機選定后，影像地面分辨率只與航攝相對高度有關。對于相機焦距帶來的分辨率差異大的問題，可采用調整下視和側視相機焦距之間的關系來解決。對于航攝相對高度帶來的影像差異大的問題，目前主要采用變高飛行和仿地飛行技術來解決。即結合建筑物或地形高度，調整航線規(guī)劃方案，從而獲取分辨率盡可能一致的影像數(shù)據(jù)。

2.1.4 影像色差大優(yōu)化

在傾斜攝影測量中，由于相機安裝角度不同，因此每個相機在曝光時的進光量是不同的，地物互相遮擋，產(chǎn)生的陰影，這些都會導致航攝原始影像成果存在色差。數(shù)據(jù)解算主要依據(jù)影像的紋理等信息，因此色差大也會對影像數(shù)據(jù)的解算帶來影響。采用勻光勻色技術，對照片進行勻色處理，科技解決影像色差大的問題，還可以在一定程度上提升影像整體質量，更有利于數(shù)據(jù)的解算。

2.2 POS數(shù)據(jù)優(yōu)化

目前常見的5鏡頭相機，在作業(yè)過程中，只記錄下視鏡頭相機的POS數(shù)據(jù)，然后將其作為側視相機的POS數(shù)據(jù)共用。由于側視相機和下視相機存在一定的安裝距離和角度，如果能夠解算得到側視相機真實的POS數(shù)據(jù)，可以有效提升空三加密數(shù)據(jù)解算的精度和成功率。由于側視和下視相機安裝關系是固定的，因此可以以下視POS作為原始數(shù)據(jù)，結合相機之間的安裝距離和角度關系，解算出準確的側視相機曝光時的位置和角度，從而實現(xiàn)POS數(shù)據(jù)的優(yōu)化。

3 實景三維模型生產(chǎn)

本文基于傾斜攝影技術，生產(chǎn)實景三維模型的流程如圖1所示。

采用本文提到的優(yōu)化方案，對空三加密成果進行優(yōu)化，空三解算得到的加密點重投影中誤差為0.31個像素，所有像控點的三維中誤差為0.005m，空三結果精度好。采用傾斜攝影建模軟件，自動生產(chǎn)的部分模型如圖2所示。

4 模型問題產(chǎn)生的原因及優(yōu)化方案

對模型成果查看，發(fā)現(xiàn)模型存在如下問題：部分三維模型建筑物變形、文字清晰度低。

4.1 模型問題分析

4.1.1 建筑物變形問題分析

建筑物變形主要發(fā)生在建筑物底部，這與分析查看和航攝影像拍攝角度有關。傾斜攝影是一種從空中對地面進行的拍攝，由于建筑物相互遮擋、樹木遮擋等原因，在很多情況下，無人機無法拍攝到建筑物底部的影像數(shù)據(jù)，因此存在航攝盲區(qū)。在數(shù)據(jù)解算時，是基于影像紋理等信息進行解算的，對于盲區(qū)部分，由于缺乏可靠的影像數(shù)據(jù)，會導致解算失敗或解算錯誤，這些問題最終會導致建模過程中出現(xiàn)結構變形、紋理拉花等問題。

4.1.2 文字清晰度低

文字清晰度低以及結構不完整主要與航攝影像的質量和分辨率有關。對于模型中的文字，由于航攝影像分辨率低、影像亮度不足等問題，會導致生產(chǎn)出來的模型比較模糊。文字通常較小，有些為鏤空結構，因此在建模時，由于缺乏足夠的密集點云，模型中的字體可能會出現(xiàn)殘缺，這會影響模型的視覺效果。文字作為位置標識，也是一種日常關注的內容，因此對文字進行優(yōu)化處理是非常必要的。

4.2 模型問題優(yōu)化方案

4.2.1 建筑物變形優(yōu)化方案

分析建模全過程，結合航攝影像存在的盲區(qū)特點，可以從影像和點云兩個方面對建筑物變形進行優(yōu)化處理。

1） 補充盲區(qū)影像數(shù)據(jù)。由于傾斜攝影是因為視角及遮擋等問題，才導致了建筑物變形，因此可以采取地面補拍照片的方式對建筑物變形進行處理。補拍照片分辨率更高、像片質量更好，可以利用大量的像控點對補拍和傾斜數(shù)據(jù)生產(chǎn)的空三成果進行約束，確保兩種數(shù)據(jù)源的空三成果能夠完全融合。然后基于空三成果，完成多視影像密集匹配、三角網(wǎng)構建及模型的生產(chǎn)，可以解決建筑物模型底部變形拉花的問題。

2） 增加盲區(qū)點云數(shù)據(jù)。模型是無數(shù)的三角網(wǎng)組成的，三角網(wǎng)是基于點云構建的，因此增加變形區(qū)域的點云數(shù)量，提供準確的點云數(shù)據(jù)，可以解決建筑物變形問題。可采用地面靜態(tài)或軌跡掃描的方式，獲取建筑物底部的點云數(shù)據(jù)，并在掃描時同時采集建筑物底部的影像數(shù)據(jù)，確保后期兩種點云數(shù)據(jù)一起完成三角網(wǎng)的構建，將采集的影像映射到三角網(wǎng)上，得到最終優(yōu)化的建筑物模型成果。

3） 單體化模型優(yōu)化。模型是利用三角網(wǎng)構建的，采用單體化技術，重新構建三角網(wǎng)，完成模型的優(yōu)化處理?；谄讲詈蟮目杖用艹晒瑢С鑫椿冋掌?，優(yōu)化后的外方位元素和相機參數(shù)。將這些數(shù)據(jù)導入到專業(yè)的單體化軟件中，構建影像金字塔，重建立體模型，在模型上采集建筑物的頂點三維坐標和建筑物邊界線，完成建筑物線框的采集，然后構建三維白模。利用航攝影像完成單體化模型的紋理映射，并對映射錯位區(qū)域進行修飾，確保紋理映射準確，過渡自然。

4.2.2 文字清晰度低優(yōu)化方案

對于文字存在的問題，目前可以采用降低航飛高度獲取更高分辨率的影像，以提升影像質量，確保構建完整的文字結構。對于獲取高分辨率影像，一般要降低航飛高度，或更換相機，實際操作性較差。一般都是基于原始影像，在立體像對模型中，量取字體的高度、寬度等參數(shù)，然后重新構建對應的文字，并對字間距、字體進行調整，完成最終的文字部分三維模型成果的優(yōu)化處理。

5 模型優(yōu)化處理

本次采用單體化模型優(yōu)化方案，對建筑物變形問題進行處理，對樹木進行刪除，得到如圖3所示成果。

對清晰度低的文字進行處理，得到如圖4所示成果。

6 結束語

本文從傾斜攝影入手，介紹了傾斜攝影技術，并分析了航攝數(shù)據(jù)對空三加密解算的影響，提出了優(yōu)化航攝原始數(shù)據(jù)的措施。以實際項目為例，完成對航攝數(shù)據(jù)成果預處理操作，并生產(chǎn)得到實景三維模型。查看模型并對模型中存在的問題進行了分析，提出了優(yōu)化方案，并最終對模型進行了優(yōu)化處理。通過對比優(yōu)化前后的模型，可以看出采用本文提出的方案優(yōu)化后的模型，建筑物結構更加完整，文字效果更加美觀，可為城區(qū)精細化模型制作帶來新的啟示。

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【通聯(lián)編輯：梁書】