無人機傾斜攝影的城市三維建模方法優化

譚仁春，李鵬鵬，文 琳，潘 澄

(1. 武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022；2. 精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430022)

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無人機傾斜攝影的城市三維建模方法優化

譚仁春1,2，李鵬鵬1,2，文 琳1,2，潘 澄1,2

(1. 武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022；2. 精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室，湖北 武漢 430022)

介紹了無人機傾斜攝影技術，分析了無人機傾斜攝影在城市三維建模中的應用情況及其在三維城建建模過程和成果中的優劣勢，探索總結了一套無人機傾斜攝影城市三維建模的改進方法，將傾斜攝影和MAX等技術有效結合進行城市三維建模，并介紹了利用改進方法在武漢市和柳州市進行三維建模的實踐案例，該方法可以指導和推進基于無人機傾斜攝影三維模型的質量改善。

無人機；傾斜攝影測量；三維城市模型；空三加密；模型質量

三維城市運用描述城市地上景觀的三維模型來表達數字城市空間信息，是表達城市信息的重要載體，對城市規劃、建設、管理和應急響應有著極其重要的作用。

傳統的三維城市模型生產制作是結合遙感影像圖和地形圖來得到精確、逼真的建筑物模型、道路模型及其他景觀小品模型，將組成城市要件的各類三維模型集成為三維城市場景[1]。這種方法適合于普通精度的三維城市建模，但是對于高精度、高仿真、大區域的建模，傳統方法勢必需要投入更多的作業人員，其建模速度、效率及時效難以滿足三維城市的應用[2]。

三維城市建模也可以利用三維激光掃描獲取地面三維幾何數據，運用激光測距原理快速建立物體三維模型，但是該方法不能解決紋理數據獲取和處理的問題，紋理貼圖依然需要依靠大量人機交互來完成，無法提高城市三維建模效率和城市三維模型的逼真度。

一、 無人機傾斜攝影測量技術

1. 無人機技術

無人機是利用無線電遙控和自動程序控制的無人飛機或飛行器，包括固定翼、多旋翼、飛艇、直升機等多個機種。

無人機具有機動、快速、經濟的優勢，其結構簡單、機體重量輕、使用成本低、數字化和智能化程度高，應用范圍和領域更為廣闊，在快速獲取國土資源、自然環境、應急救災現勢數據及測繪領域有著突出的效率和優勢。

2. 傾斜攝影技術

隨著航空攝影技術的創新和發展，傾斜攝影測量技術擴大了遙感影像的應用范圍，顛覆了傳統航空攝影只從正攝角度采集影像的方式，其運用多角度相機同步獲取地面物體各個角度高分辨率的航攝影像。運用傾斜攝影測量技術生產的三維模型真實地反映了符合人眼視覺的城市場景，它結合GNSS技術，將三維城市納入城市地理信息框架，展現出全面豐富的地理信息，在提升用戶體驗度的同時大大降低了三維城市建模的成本。

無人機傾斜攝影測量技術特點如下：

1) 無人機飛行高度低，多角度相機組能夠多方位、高覆蓋獲取地物頂面、側面影像數據。

2) 相鄰影像間航向重疊度和旁向重疊度高，影像表達內容豐富。

3) 少量的人工干預，自動化的影像匹配、建模，主要過程由計算機完成。

4) 實體側面紋理可見：傳統的數字正射影像圖主要獲取實體頂部紋理，而傾斜攝影技術能夠同時映射側面紋理。

5) 綜合成本低：無人機傾斜攝影測量技術在數據采集和城市三維模型生產方面具有更高的效率，可以減少時間和人力成本。

3. 國內外發展情況

無人機出現于1917年，早期無人機主要應用于軍事領域，用于作戰、偵察和民用遙感。20世紀80年代以來，隨著計算機技術、通信技術的發展及各類硬件傳感器的面世，無人機性能得到不斷提高，應用范圍和領域不斷拓展，續航時間和載荷重量大幅提高。

文獻[3]探討了攝影測量技術在三維城市建模過程中的各個關鍵技術環節，充分利用大量傾斜影像以實現城市的三維模型建設。

HereMap面向全球發布了柏林、米蘭、馬德里、洛杉磯等城市的高分辨率傾斜攝影三維城市模型。其發布的所有傾斜模型都是利用低空飛行器包括無人機采集的傾斜影像重建而成，大區域的傾斜模型被分割為均勻的區塊，建立細節層次模型并發布至網絡，使用戶能夠在線瀏覽城市實景三維模型。

我國的武漢、上海、天津、柳州等多個城市已經開展了基于無人機傾斜攝影測量技術三維城市的研究和模型生產，傾斜攝影測量城市三維建模技術已經用于可視化、城市空間規劃和輔助決策等[4]。

二、基于無人機傾斜攝影的三維城市建模方法分析

中國、美國及歐洲部分國家正在開展基于無人機傾斜攝影測量技術的三維城市模型生產和應用[5]，對于城市三維建模，無人機傾斜攝影測量技術有以下優勢：

1) 無人機機動性強、成本低，能夠滿足多種尺度的攝影測量數據采集。

2) 能夠快速處理大范圍場景的傾斜影像，建立具有高精度的真三維模型[6]。

3) 高分辨率影像自動貼圖，能夠提高三維模型的生產效率。

4) 是可量測、可定位的三維模型，模型數據可以直接進行網絡發布和共享應用。

無人機傾斜攝影測量技術利用航空影像快速數據獲取方法，可以一次性處理多幅影像，建立區域初始實景三維模型，該技術能夠節約大量人工建模時間成本，提高三維城市發展的效率[5]。

利用無人機傾斜攝影影像進行三維城市模型的生產流程如圖1所示。

在實際的生產處理過程中，受無人機等設備、大氣環境及軟件算法的影響，實際模型會有一定的畸變和錯誤，引起視覺誤差和應用障礙。主要的模型畸變及原因有：

圖1 無人機傾斜攝影測量技術三維建模流程

1) 無人機姿態變化和顛簸影響影像重疊度、幾何畸變等，造成模型凸包、破洞等。

2) 大氣環境噪聲引起的模型飛面、凸包等。

3) 不同時段光照引起的模型紋理不均勻、破洞等。

4) 像主點落水而引起的水面缺失等。

5) 影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型邊緣平滑等。

引起模型缺陷的原因是多樣的、復雜的，這也是當前階段基于無人機傾斜攝影測量技術進行三維城市建模所面臨的不可避免的問題，采用無人機傾斜攝影測量技術快速、高效生產三維城市模型并提高三維城市模型質量是亟待解決的問題。

三、基于無人機傾斜攝影三維城市建模優化方法

如前文所述，基于無人機傾斜攝影測量技術生產的初始三維模型通常有若干種畸變類型，某些畸變是由工程實施過程中難以避免的客觀原因造成的，這種情況下，初始生產的實景三維模型難以滿足應用需求。

通過分析三維城市模型建設現狀和模型成果的缺陷可知，現狀三維城市模型需要改進的方面有：

1) 幾何修復：對破洞進行修補，凸包抹平并還原，刪除飛面等碎部。

2) 細部整飾：重要地物和標志物的三維模型整飾或替換。

3) 紋理修補：替換和修補不均勻紋理、清晰度不夠的紋理等。

實際上，紋理映射和曲面平滑始終伴隨著幾何修復的過程[7]，如何在幾何結構修復的同時提高從傾斜影像中提取紋理的速度，是目前主要的問題之一。

1. 無人機傾斜攝影測量三維城市模型的二次處理

結合傳統建模的優點和成熟技術，對無人機傾斜攝影三維成果模型中需要改進的地物目標或區域進行二次處理的技術路線如圖2所示。

圖2 無人機傾斜攝影測量三維城市模型的二次處理

2. 利用空三成果快速修復模型

攝影測量空三加密是根據若干均勻分布于區域內的控制點，運用立體測圖技術，計算得到匹配加密點的高程和平面位置[8]。空三加密過程是基于傾斜攝影測量技術三維建模的重要步驟，空三運算后的影像是經過校正和絕對定向的，多張影像間的同一匹配點能夠準確疊合，影像上的任一點均具有空間幾何信息，即具備定位性質和可量測性[9]。

系統性的無人機傾斜攝影測量三維重建成果包括初始化重建三維模型和空三加密成果，兩個成果間具有內在的聯系，Acute3D、街景工廠及其他傾斜攝影測量軟件通常僅展示空三加密結果，利用系統性的成果特別是空三加密成果是提升模型質量的一個途徑。

開發一套模型輔助編輯系統，導入空三加密成果和初始化重建三維模型，根據空三技術和空三加密成果的特點，利用空三加密成果，對原始模型缺陷明顯的目標和區域進行幾何修復和紋理修補工作，主要的工作流程如圖3所示。

圖3 基于空三建模成果的三維模型處理

該編輯系統的核心功能有三維模型同名點搜索、空三影像紋理自動提取、模型交互制作等，所有功能組織以空三后的影像數據為核心，充分利用糾正的傾斜影像和加密點，進行模型紋理提取和定向、建模。該方法的優點在于傾斜影像紋理提取快捷，自動紋理獲取能夠節省大量的手動處理時間，系統允許通過同名點將多張影像進行穿刺和對比，選擇影像傾斜、變形糾正小的傾斜影像提取紋理并映射[10]；在空三后的影像上繪制地物目標的結構線，并通過拉伸等方法實時制作三維模型實體并自動貼圖，形成場景三維模型。

四、 優化方法的建模實踐

利用上述基于無人機傾斜攝影測量成果的城市三維模型質量優化方法，在武漢、柳州等地進行了三維城市建模的實踐和驗證。

在武漢漢正街歷史街區與建筑保護項目中，利用無人機對漢正街中央商務區核心區3.46 km2區域進行了十字交叉航線法區域傾斜影像采集。通過傾斜攝影測量技術進行初始三維建模，并對區域內29處重點保護建筑進行了三維精細化建模，利用無人機低空靈活飛行的特點，克服了傳統建模無法收集目標物頂部及上部紋理和形態數據的缺陷；同時高質量獲取側面紋理和數據來輔助精細建模，將傳統方法與無人機傾斜攝影測量技術相結合，利用傳統方法對重點保護建筑進行側面精細建模，利用無人機傾斜攝影測量技術對頂面進行建模，兩手段相結合，完成重點保護建筑的精細建模。對模型局部缺陷進行修補，將重點保護29處建筑模型在傾斜攝影初始三維模型中進行一一替換，并進行模型的一體化集成，如圖4所示。

圖4 漢正街歷史保護建筑三維模型

該項目結合無人機傾斜攝影測量技術和傳統建模技術的優點，利用無人機低空飛行采集目標物頂部高清序列影像，解決了傾斜攝影實景模型細節補充和精細建模的問題，豐富了建模數據采集的手段，滿足了項目對各類數據精度的需求。

在柳州市城市三維建設項目中，對120 km2多山和建筑密度低的市郊進行三維建模。無人機傾斜影像采集方案采用150 m航高飛行方案，搭載3臺相機，單次飛行采集4～6 km2,共計12 GB影像。基于無人機傾斜攝影測量技術實現120 km2初始三維模型建模并導出空三加密影像；同時開發能夠導入上述成果的編輯工具，利用模型和空三成果的內在關系，在空三糾正影像上拉伸實體進行白模建模，聯動初始三維模型進行補充建模和修繕，抓取影像紋理并自動映射，解決模型畸變和錯誤的同時提高了模型質量。

柳州市城市三維建模僅有6個月的實施時間，依賴于傳統建模的方式需要投入大量的人力、物力、財力及時間成本，并且難以保障模型的一體化集成質量。而利用無人機傾斜攝影測量技術，耗時1個月采集傾斜影像，耗時4個月進行三維模型重建和模型質量提升，耗時1個月用于模型質量檢查和成果提交發布,如圖5所示。

圖5 柳州項目模型重建和置換

五、結束語

在三維城市項目中，隨著無人機傾斜攝影測量技術建模范圍的增大，快速的傾斜影像采集和自動化空三及建模在效率上顯現出強大的優勢。但是受不可抗拒因素的影響，無人機傾斜攝影測量技術自動化生產三維模型有一定的限制，模型局部和細節缺陷使得傾斜攝影測量三維模型難以滿足應用要求，需要研究基于無人機傾斜攝影測量技術的城市三維模型質量提升方案，本文提出的人工干預方法和空三成果的輔助應用建模優化方案已經在工程和應用項目中進行了驗證，對模型中有明顯缺陷和不足的局部進行模型修改和重建，大大提升了三維城市模型生產的質量和效率。

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Improvement of 3D Urban Modeling Method Based on Unmanned Aerial Vehicle Oblique Photography

TAN Renchun, LI Pengpeng, WEN Lin, PAN Cheng

2016-03-10；

2016-07-12

精密工程與工業測量國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金項目(PE2009-4)

譚仁春(1978—)，男，博士，教授級高級工程師，研究方向為地理信息系統、攝影測量與三維城市建模。E-mail：tanrc@126.com

譚仁春，李鵬鵬，文琳，等.無人機傾斜攝影的城市三維建模方法優化[J].測繪通報，2016(11)：39-42.

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P23

B

0494-0911(2016)11-0039-04