無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在三維建模中的應(yīng)用研究

王永興，劉明岐

（1.濟(jì)寧市勘測(cè)院，山東 濟(jì)寧 272000；2.山東省淮河流域水利管理局，山東 濟(jì)南 250100）

近年來，由于三維數(shù)字模型可以形象準(zhǔn)確的反應(yīng)地形地物的客觀特征，在數(shù)字城市、城市規(guī)劃、交通運(yùn)輸、工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。三維建模的難度比二維數(shù)據(jù)要復(fù)雜的多，隨著測(cè)繪技術(shù)的發(fā)展和三維建模算法的不斷優(yōu)化，數(shù)據(jù)獲取的方法越來越多，精度越來越高，分析各種三維建模方法的優(yōu)缺點(diǎn)，深入探討無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在三維建模中的應(yīng)用，并分析其精度，很有必要[1]。

1 常用的三維建模方法

按照數(shù)據(jù)來源分類，常用的三維建模方法有基于基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的三維建模方法、基于遙感影像的三維建模方法、基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維建模方法、基于過程式的三維建模方法等。

（1）基于基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)的三維建模方法。該方法首先利用DLG的二維矢量數(shù)據(jù)獲得建筑物輪廓，通過人機(jī)交互制成高精度復(fù)雜模型；該方法建模的精度較高，但是數(shù)據(jù)獲取成本高，周期長，不適合對(duì)大面積的城市建筑群建模。

（2）基于遙感影像的三維建模方法。該方法首先利用相關(guān)算法從影像中提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或者直接生成三維模型。目前最常用的是基于傾斜攝影測(cè)量的三維建模方法，是基于傾斜和垂直航拍的影像，經(jīng)過相機(jī)標(biāo)定、空中三角測(cè)量、構(gòu)建TIN模型以及紋理貼圖等過程，全自動(dòng)完成三維模型的建立。傾斜攝影三維建模精度較高且形象逼真，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的自動(dòng)化三維建模，但是得到的模型要進(jìn)行地物分離和單體化則需要較多的人工交互才能完成[2]。

（3）基于三維激光掃描的三維建模方法。利用三維激光掃描儀獲取高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)去噪、空間配準(zhǔn)、表面重建以及紋理映射等點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，最終實(shí)現(xiàn)建筑物的三維重建基于三維激光掃描的三維建模方法精度較高，但是設(shè)備較為昂貴，操作復(fù)雜，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理也較繁瑣，工作量大，大范圍的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后期處理也有較大難度，所以難以推廣到對(duì)于大規(guī)模的三維重建領(lǐng)域。

（4）基于過程式的三維建模方法。該方法是利用參數(shù)化方法來構(gòu)建模型，借助算法來控制建筑物幾何造型。該方法主要有三種情況：結(jié)合人工智能的方法、采用數(shù)學(xué)模型的方法以及基于文法的方法。目前該技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)槎喾椒ǖ娜诤?，并采用交互控制來增?qiáng)實(shí)用性。此類方法的優(yōu)勢(shì)在于人工交互極少，參數(shù)可控，建模速度較快，適合大規(guī)模的三維重建，且建立的模型屬于單體模型，可以查詢模型信息，方便后期的應(yīng)用[3]。

2 基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維建模方法

2.1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量

（1）無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量簡介。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)是一種以無人機(jī)為飛行平臺(tái)，以各類傳感器為主要載荷，能夠獲取遙感影像信息的無人航測(cè)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺(tái)、任務(wù)傳感器系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)組成。其中無人機(jī)飛行平臺(tái)主要包括飛行器平臺(tái)、推進(jìn)系統(tǒng)、飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、機(jī)載起降系統(tǒng)等；根據(jù)用途和功能不同，常搭載的任務(wù)傳感器系統(tǒng)主要有多視角航空攝影測(cè)量儀器、小徑合成孔徑雷達(dá)、高光譜成像系統(tǒng)、小型機(jī)載雷達(dá)、氣象傳感器等；地面保障系統(tǒng)主要包括起降系統(tǒng)地面服務(wù)部分、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)地面部分、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面后勤人員、其他地面輔助設(shè)備等。無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量系統(tǒng)的組成

無人機(jī)低空攝影測(cè)量系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)靈活、空域限制小、高效快速、成本低廉等一系列優(yōu)點(diǎn)，極大地補(bǔ)充了傳統(tǒng)航測(cè)系統(tǒng)的不足，在小區(qū)域獲取高分辨率影像方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是通過在飛行器上搭載多臺(tái)傳感器，從垂直、傾斜等多個(gè)角度拍攝，獲取高精度影像，在每個(gè)曝光點(diǎn)上，由多個(gè)鏡頭同時(shí)獲得不同角度的影像；同一特定地物可以在不同曝光點(diǎn)多個(gè)不同角度影像上成像。為便于后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，拍攝影像時(shí)自動(dòng)獲取平面位置、曝光時(shí)間、航高、大地高、飛行姿態(tài)等數(shù)據(jù)。將無人機(jī)與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)低成本、快速建立城市實(shí)景三維模型的有效方式。由于無人機(jī)飛行高度低，所拍攝的傾斜像片分辨率高，色彩更加接近人眼觀測(cè)顏色，能夠顯著提高三維模型的真實(shí)感。

（2）基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維建模流程。基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模流程見圖2。

圖2 基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維建模流程圖

2.2 傾斜影像的獲取

利用具有固定角度的傾斜相機(jī)拍攝獲取傾斜影像。本研究采用目前國內(nèi)較成熟的Microdrones md4 旋翼無人機(jī)平臺(tái)搭載DM5-3600航攝儀獲取數(shù)據(jù)，航攝儀由5臺(tái)索尼7R相機(jī)組成，傾斜相機(jī)與下視夾角為 38°。

根據(jù)三維建模的需要，本項(xiàng)目下視影像設(shè)置GSD為0.1m，平均航高200m，航向、旁向重疊度均為80%。根據(jù)無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，共計(jì)設(shè)計(jì)18個(gè)架次，54條航線。經(jīng)過數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)預(yù)處理、補(bǔ)攝等流程，得到傾斜攝影影像數(shù)據(jù)[4]。

2.3 空三平差與三維建模

（1）利用下視影像的概略POS，對(duì)下視影像進(jìn)行空三加密，設(shè)置定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)，通過二者的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的較差分析空三精度，以獲得精度較高的下視外方位元素?？杖缺仨殱M足GB/T23236―2009《數(shù)字航空攝影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》中1∶2000基本定向點(diǎn)和檢查點(diǎn)限差要求。

（2）利用下視影像的精確外方位元素，根據(jù)下視和側(cè)視（前視、后視、左視、右視）像機(jī)之間的角度及位置關(guān)系，計(jì)算同一攝站各側(cè)視影像的概略外方位元素。

（3）利用每張傾斜影像的內(nèi)、外方位元素進(jìn)行POS輔助傾斜影像光束法平差，得到傾斜影像的精確外方位元素。

（4）利用傾斜影像數(shù)據(jù)及每張影像精確的內(nèi)、外方位元素進(jìn)行密集匹配，得到三維密集點(diǎn)云。系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建TIN網(wǎng)，同時(shí)賦予三角網(wǎng)模型畸變糾正影像紋理，見圖3、圖4。

圖3 TIN網(wǎng)構(gòu)建和實(shí)景三維模型

2.4 精度檢核

三維模型生產(chǎn)完成后，使用SDCORS配合全站儀實(shí)地對(duì)房屋拐角及硬化路面拐角進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)拐角點(diǎn)獨(dú)立觀測(cè)兩次，計(jì)算與模型解算成果的平面坐標(biāo)和高程較差，統(tǒng)計(jì)分析實(shí)景三維模型精度。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型與實(shí)測(cè)檢核檢核表見表1。可以看出，基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的三維模型精度較高，可以滿足項(xiàng)目的要求。

表1 精度檢核表

3 結(jié)論

近年來，基于無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量進(jìn)行三維建模發(fā)展迅速，成果其具有紋理真實(shí)、數(shù)據(jù)精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在未來實(shí)景三維城市和智慧城市的建設(shè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。無人機(jī)具有快速靈活和成本低廉的特點(diǎn)，促進(jìn)了傾斜攝影數(shù)據(jù)的快速獲取[5]。無人機(jī)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)相結(jié)合為未來數(shù)字城市以及智慧城市空間框架數(shù)據(jù)采集提供了一種新的解決思路。