基于無人機傾斜攝影的城市三維建模方法研究

王靜

摘 要：無人機傾斜攝影是當前熱門的城市三維建模研究和應用內容。該文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的應用情況，分析了無人機傾斜攝影在三維城建建模過程和成果中的優(yōu)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，最后介紹了利用改進方法在廣州市和長沙市進行三維建模的實踐案例，指導和推進基于無人機傾斜攝影三維模型的質量改善。

關鍵詞：無人機 傾斜攝影測量 三維城市模型 空三加密

中圖分類號：P231 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（a）-0020-02

三維城市運用描述城市地上景觀的三維模型來表達數(shù)字城市空間信息，是表達城市信息的重要載體，對城市規(guī)劃、建設、管理和應急響應有著極其重要的作用，三維城市已經展現(xiàn)出其較高的經濟價值和應用潛力。

傳統(tǒng)的三維城市模型生產制作是結合遙感影像圖和地形圖，得到精確的、可靠性強的建筑物模型、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。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(qū)域的建模，傳統(tǒng)方法勢必需要投入更多的作業(yè)人員，其建模速度、效率以及時效難以滿足三維城市的應用。

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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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，無法進一步提升城市三維建模質量。

1 無人機傾斜攝影測量技術

1.1 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(yōu)勢，其結構簡單、機體重量輕、使用成本低、數(shù)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(huán)境、應急救災現(xiàn)勢數(shù)據(jù)及測繪領域有著突出的效率和優(yōu)勢。

1.2 傾斜攝影技術

隨著航空攝影技術的創(chuàng)新和發(fā)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(tǒng)航空攝影只從正攝角度采集影像的方式，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，結合GNSS技術，將三維城市納入城市地理信息框架，展現(xiàn)出全面豐富的地理信息，提升用戶體驗度的同時大大降低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(shù)據(jù)；（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(tǒng)的數(shù)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(shù)據(jù)采集和城市三維模型生產工作上具有更高的效率，減少時間和人力成本。

2 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，對于城市三維建模，無人機傾斜攝影測量技術有以下優(yōu)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(shù)據(jù)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；（3）高分辨率影像自動貼圖，提高三維模型的生產效率；（4）可量測、可定位的三維模型，模型數(shù)據(jù)直接進行網(wǎng)絡發(fā)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(shù)據(jù)獲取方法，一次性處理多幅影像，建立區(qū)域初始實景三維模型，該技術能夠節(jié)約大量人工建模時間成本，提高三維城市發(fā)展的效率。

利用無人機傾斜攝影影像進行三維城市模型生產流程如圖1所示。

在實際的生產處理過程中，受無人機等設備、大氣環(huán)境及軟件算法影響，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：（1）無人機姿態(tài)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(huán)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化、復雜的，這也是當前階段下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。

3 基于無人機傾斜攝影三維城市建模優(yōu)化方法

如上文所述，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(xiàn)狀和模型成果的缺陷，可知現(xiàn)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，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。

結合傳統(tǒng)建模的優(yōu)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(qū)域進行二次處理。

開發(fā)一套模型輔助編輯系統(tǒng)，導入空三加密成果和初始化重建三維模型，根據(jù)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(qū)域進行幾何修復和紋理修補工作。endprint

該編輯系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(yōu)點在于傾斜影像紋理提取快捷，自動紋理獲取能夠節(jié)省大量的手動處理時間，系統(tǒng)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；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。

4 優(yōu)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(yōu)化方法，我們在長沙等地進行了三維城市建模的實踐和驗證。

在長沙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相機，單次飛行采集4～6km2共計12GB影像。基于無人機傾斜攝影測量技術實現(xiàn)120km2初始三維模型建模并導出空三加密影像，同時開發(fā)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(lián)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模型質量。

長沙市城市三維建模僅有6個月的實施時間，依賴于傳統(tǒng)建模的方式需要投入大量的人力、物力、財力以及時間成本，并且難以保障模型的一體化集成質量。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，1個月時間用于模型質量檢查和成果提交發(fā)布，見圖2。

5 結語

在三維城市項目中，無人機傾斜攝影測量技術隨著建模范圍的增大，快速的傾斜影像采集和自動化空三及建模使得其在建模的效率上具有強大的優(yōu)勢。但是受不可抗拒因素影響，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(jié)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，該文提出的人工干預方法和空三成果的輔助應用建模優(yōu)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。

參考文獻

[1] N.Snavely，S.M.Seitz，and R.Szeliski.Photo Tourism：Exploring photo collections in 3D[J].TOG，2006，25（3）：835-846.

[2] Agarwal S，Snavely N，Simon I，et al. Building Rome in a day[A].Computer Vision，2009 IEEE 12th International Conference on IEEE[C].2009：72-79.endprint