基于無人機傾斜攝影的快速三維建模方法研究

王立平

摘 要：近年來，隨著無人機技術、傾斜攝影技術以及三維建模技術的發展，基于無人機傾斜影像的快速三維建模己成為測繪領域的一項新技術。本文闡述了無人機傾斜攝影測量的定義和特點，研究了運用Context Capture 進行快速三維建模的技術路線和方法。

關鍵詞：無人機 傾斜攝影 三維建模

目前，利用航攝影像進行空間變化監測的應用已經比較普遍，尤其在監測城市更新方面已經有成熟的技術方法，但是仍無法解決監測建筑物高度變化的問題。而傾斜攝影三維建模支持三維瀏覽、量測，包含完整的空間信息，是真實世界的直觀表達，在城市建設、工程監測等方面的應用愈加廣泛，優勢愈加明顯。

1.傾斜攝影概述

傾斜攝影技術近些年發展迅速，它改變了遙感正射影像只能從垂直角度獲取的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺（5臺以上）攝影鏡頭，同時從多個不同的角度采集影像，通過后期軟件對獲取的信息進行分析、處理、建模，最終向用戶展現真實的實景數據，讓用戶仿佛置身于真實世界。

2.傾斜攝影測量技術特點

（1）真實反映現實世界。傾斜攝影獲得的數據是現實世界的真實反映，用戶可以多視角觀察世界，彌補了正射影像的的缺點。

（2）多成果輸出。傾斜攝影獲得的數據帶有空間地理位置信息，能同時獲取DSM，DOM，DLG等成果。相比傳統航空遙感攝影大大提高了工作效率，降低了工作成本。

（3）快速貼紋理三維建模。傾斜攝影測量技術借助無人機可成片區、大規模、快速、批量的采集影像數據及貼紋理，實現全自動化的快速三維建模。

（4）可量測數據。傾斜攝影獲得的數據，在相應的軟件里可以進行量測，獲取長度、寬度、高度、角度、面積、體積等信息。

3.技術流程

參照相關的技術規范標準，完成測區范圍內傾斜航空影像數據獲取工作，具體實施流程主要為：前期踏勘收集測區的基本地理情況、三維數據采集、三維數據處理三個步驟進行。

4.三維數據采集

4.1基本要求及技術指標

根據測區基本情況提出的航攝要求，向主管部門申請航飛。經批準后，制定航攝計劃。根據實地勘察測區的地形特征和無人機的特點，參考《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影規范》（GB/T15661-2008）對測區進行合理航線設計，基本的基本要求及技術指標如下：

（1）所獲取影像為真彩色數字影像。

（2）像片的重疊度，航向重疊度75%；旁向重疊度75%。

（3）影像質量，獲取的測區像片應影像清晰、反差適中，彩色色調柔和、鮮艷。

（4）漏洞補攝，對各種原因獲取的不合格航片（航攝漏洞）要及時補飛，漏洞補攝按原設計航跡進行。

（5）后期人工處理：重點處理飛地、飛樓等突出異常模型。

4.2航高確定

數碼航空攝影的地面分辨率（GSD）取決于飛行高度，如圖2所示。

4.3航飛時間

航空影像的質量對航攝飛行的時間有一定的要求，航攝時間受天氣條件的制約。具體要求如下：

（1）水平能見度≥1500m，垂直能見度≥1000m；

（2）多云、陰天為佳，晴天次之。雨天、暴雨天氣均不適合飛行作業；

（3）在風速小于3級時進行作業，風速超過3級時，獲取的傾斜攝影照片將會不利于建模；

（4）氣流相對穩定：每天的正午氣流相對較強，對飛行安全不利，同時也對影像質量影像較大；

（5）選擇航攝時間，既要保證具有充足的光照度，又要避免過大的陰影，一般對于攝區的太陽高度和陰影倍數要求如表1所示。

注：特殊情況根據測區地形和季節天氣條件，航飛時間具體設定。

4.4航線設計

參考《1：500、1：1000、1：2000地形圖航空攝影規范》（GB/ T15661-2008）對測區進行合理航線設計。通常情況下航線應按東西向或南北向直線飛行；特定條件下亦可根據地形走向與專業測繪的需要沿道路、 河流、 海岸等任意方向飛行。平行于攝區邊界線的首末航線一般敷設在攝區邊界線上或者邊界外；旁向覆蓋超出攝區邊界線，一般不少于像幅的30%，確保目標攝區完全覆蓋。行高依據周邊建筑高度而定。后期如果照片存在質量問題，將對不合格的對各種原因獲取的不合格航片（航攝漏洞）要及時補飛，漏洞補攝按原設計航跡進行。

5.三維數據處理

無人機傾斜攝影后期處理采用Context Capture軟件對采集的數據進行三維建模。傾斜攝影建模采用高精度、高效率、一體化的自動建模技術，建立測區三維模型。該技術集傾斜攝影、空中精密定位和基于密集匹配的自動建模技術于一體。

5.1工程建設的數學基礎

數據采集的坐標系統采用WGS84坐標系，三維模型數據采用以測區幾何中心為原點的ENU（East-North-Up）坐標系統。

5.2多級分辨率融合三維自動建模流程

（1）無人機數據采集與地面數據采集同步進行。

（2）采用Context Capture軟件，結合影像的外方位元素，進行全自動空三解算。

（3）同時利用無人機與地面采集的影像數據，采用智能人工交互技術將數據進行融合，生成一體化的三維模型。

（4）以測區幾何中心為坐標原點，設立ENU（East-North-Up）笛卡爾坐標系，將模型按照該坐標系進行切分和輸出。

（5）對數據生產過程中的重要環節進行檢查控制，直到其符合項目成果質量要求。

（6）數據成果輸出成可瀏覽格式S3C和標準OBJ文件。

6.結束語

隨著建模范圍的增大，傾斜攝影技術快速的傾斜影像采集和自動化空三使得其在建模的效率上具有強大的優勢，加上無人機靈活、機動、快速、經濟等特點，以無人機作為傾斜攝影平臺的快速三維建模技術值得大力推廣。該技術將在海事測繪尤其是應急測繪保障、海岸資源開發、港口建設與海洋工程監測等方面有著廣闊應用前景。

參考文獻：

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