無人機傾斜攝影三維實景建模及其應用

侯仁福

（安徽省第一測繪院，安徽合肥 230031）

無人機傾斜攝影系統通過無人機在同一低空飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1個垂直、4個傾斜共5個不同的角度采集影像數據，能夠快速還原建筑物實景原型，記錄建筑位置、紋理、關系等信息生成三維實景模型、點云、TIN、DSM、DOM等數據產品。

1 無人機傾斜攝影三維建模的關鍵技術

1.1 主要技術流程

無人機傾斜攝影進行三維實景建模的流程為資料收集及分析、現場踏勘和制定航飛方案、航線布設及部分像片控制點標志布設、傾斜攝影、像片控制點測量、多視角影像預處理、區域網空三加密、DTM/DEM編輯和生產、TIN模型構建、正射糾正、紋理自動關聯、三維精細模型建立及精修、三維實景模型數據檢查、DOM/DSM和三維實景模型成果提交。具體流程圖1所示。

圖1 技術流程

1.2 關鍵技術探討

無人機傾斜攝影三維模型現已廣泛應用于高精度的不動產測量（包括房地一體項目）、大比例尺測圖（1∶500地形圖）、智慧城市等方面，都需要高精度三維實景模型（厘米級）。三維實景模型成果的精度與相機像素、鏡頭焦距、像片數量、像片重疊度、飛行高度、控制點數量及精度等眾多因素相關。

（1）受限于無人機和相機的采集質量、環境影響等各種復雜因素，為了滿足高精度模型要求，像片控制點的布設方案和設計要高于規范要求，控制點分布對模型精度影響較大，像控點越稀、模型精度越差，但像控制點密度過多，對模型精度提高有限。項目區應采用格網法布點，項目區各邊角外應布設足夠的像控點。

（2）像片控制點測量精度越高，越有利于提高三維實景模型精度。像控點及精度檢查點利用AHCORS系統，采用RTK測量或雙頻接收機雙參考站模式按快速靜態方式施測；高程采用水準測量或以控制點CGCS2000坐標為起算數據，利用安徽省區域似大地水準面精化模型內插控制點的高程異常值，確定各控制點高程，H正常高=H大地高-ζ，ζ為高程異常，提高高程精度。

（3）模型精度一般是地面分辨率的2～3倍，地面分辨率越高，模型精度越高，模型效果越好，但影像處理時間長，成本較高。

（4）像片重疊度對模型精度影響較大，航向重疊度越小、影像拍攝間距越大，航線間距越大。降低航向重疊度，采集影像越稀，生成模型扭曲變形、拉花越嚴重，模型精度越低。

（5）采用具有RTK和PPK的飛行設備，RTK測量技術具有快速高精度定位功能，實時獲得攝站三維坐標，PPK測量技術為后處理，定位頻率高。無人機速度快，RTK實時定位可能信號丟失，PPK高頻率定位彌補此不足，且作業范圍更大。采用雙重定位技術進行融合解算，避免信息失效，可提高精度。

2 試驗與分析

2.1 項目概況

根據安徽省測繪局部署，安徽省第一測繪院承擔黃山市風景區三維實景建模，包括西遞、宏村、呈坎、唐模、潛口民宅、徽州古城、牌坊群鮑家花園七個景點；項目區內居民地比較集中，房屋密集。采集優于2 cm高分辨率無人機傾斜攝影數據，生產高精度三維實景模型，建模軟件為Smart3d。

2.2 數據采集

項目采用混合動力五軸旋翼無人機搭載定制的五相機傾斜航空攝影系統，正射25 mm、傾斜35 mm相機，像元為4.5 μm；地面分辨率為2 cm。每個景點為一個航攝分區，每個分區飛一個架次（補飛除外），航片共54 175片；三維實景模型區域約3.2 km2，共布設25個像控制點、11個檢查點，均為平高點。

2.3 三維數據處理

外業數據采集獲取的原始影像數據、POS數據、像控點數據、進行數據預處理基于Context Capture Center軟件，結合POS系統提供的外方位元素和相機

安裝位置關系模擬所有影像（包括傾斜影像）的地表投影范圍，采取由粗到精的金字塔匹配方式，在各級影像上進行同名點自動匹配和光束法區域網平差。

利用已有的外業像片控制點，在影像上進行刺點，每個控制點的每個視角（單鏡頭）3～5張影像，利用控制點進行絕對定向。在空三平差迭代計算過程中，進行必要的人工干預，檢查連接點分布情況和連接強度，利用內部提供的工具進行人工連接點修改，得到點云，找到成像角度好、分辨率高的影像作為紋理數據源，優選出紋理影像映射入模型中，從而建立三維實景模型。

七景區三維實景模型之一如圖2所示。

圖2 七景區之一高精度三維實景模型

2.4 精度分析

為了檢驗三維實景模型的幾何精度，在三維實景建模區域內外業采集了11個精度檢查點。精度檢查點要求在成圖范圍內的地面、低層建筑物、高層建筑物等不同高度、不同類型的樣本上分別采集。

模型精度分析：借助檢查點，讀出11個檢查點在模型上的坐標和高程，與該點的實際坐標和高程進行對比以及精度評估。

精度統計結果如表1、表2所示。

表1 平面精度統計 單位：m

表2 高程精度統計 單位：m

由表可知，平面精度中誤差為±0.05 m，接近滿足不動產測量成果規范要求，低于《城市測量規范》（CJJ/T 8—2011）中地物點相對于鄰近平面控制點的點位中誤差。高程誤差±0.072 m，低于《城市測量規范》（CJJ/T 8—2011）中平面高程注記點相對于鄰近圖根點的高程中誤差。

平面精度為±0.05 m，檢測點數為11個，粗差個數為0，粗差率為0。

高程精度為±0.072 m，檢測點數為11個，粗差個數為0，粗差率為0。

2.5 項目生產的經驗總結

通過無人機傾斜攝影三維實景建模七景區項目（相當于7個子項目）生產和實踐，總結生產經驗。

（1）像控點高精度是空三加密精度的保證。

像控點的位置選擇情況也關系到精度高低，個別測在圍墻角上、門墩上和牌坊上的像控點，內業難以量測正確（生產中重新布設點位和測量），外業測量也不能保證像控點高精度。像控點只能做檢查點或廢點處理，浪費了人力、物力和寶貴的時間。像控點應盡量分布在空曠道路交叉口的位置，可選取特征明顯的地物如斑馬線角點、道路中心線的角點、不同顏色路面交匯角點，提前布設像控點標志等。外業要檢查像控點點之記，查看像控點的位置情況。

像控點標志如圖3所示。

圖3 像控點標志

（2）保證測區邊界處模型紋理完整性。

由于航向和旁向重疊度大，像對（基線）間有效面積小，在模型制作過程中航向和旁向范圍應超出測區邊界的基線數，高于規范規定數目（本項目航向超出測區邊界不少于7條基線，旁向超出測區邊界不少于3條基線）。地物存在較大高差時，應當提高像片重疊度，保證高處重疊度。房屋密集時也需要提高重疊度，保證模型效果和精度。

（3）保證空三精度和接邊精度。

相對定向結束后，觀察POS點排列是否平整，如果出現較大高差（不同航高），則分別進行空三，空三完成后再合并處理，保證空三精度和接邊精度。

（4）Smart3d空三對控制點的依賴較高。

作業中應先對區域內數據進行空三自動加密，根據自動加密結果，對項目區空三加密進行人工處理，適當添加控制點、檢查點對連續性不好的區域進行補點，檢查殘差報告，以確保絕對定向精度。

（5）空三加密是三維建模的關鍵。

加密過程中，合理分塊、控制點的選取及添加密度、連接點檢查及相機參數檢校以消除分層問題，都是影響空三質量的因素。解算的外方位元素精度高、空三精度高，能夠大幅度減少后期修模工作量。

（6）提高建模效率。

子項目區域面積比較大即像片總數大于14 000張時，空三應采用分塊分別進行空三加密，新建工程合并，建模采用集群式多臺計算機來提高建模效率。

3 無人機傾斜攝影三維實景建模的應用

隨著無人機傾斜攝影三維實景建模技術不斷成熟，憑借大范圍、自動、快速、低成本、高精度、高精晰的構建三維實景模型的優勢，三維實景模型的真實紋理效果和測繪級精度被廣泛應用于大比例尺地形圖測繪、智慧城市、城市管理、國土資源管理、地質防災、不動產測量等領域。

無人機傾斜攝影建模技術在當前全國正在實施的“房地一體”項目優勢明顯。

（1）作業優勢。

非接觸方式，降低感染風險；人為誤差小；成本低，效率高。

（2）成果優勢。

直觀反映建筑物層高、外表建筑材料；直接切準房檐的房角位置，減少工作量；直接量算每個建筑物占地面積等，無人機傾斜攝影建模加速“房地一體”進程。

4 結語

本文探討了無人機傾斜攝影三維實景模型關鍵技術及流程，并以黃山七景區項目三維實景建模為例，對平面和高程精度進行了分析驗證。結果表明無人機傾斜攝影三維實景模型精度符合相關標準和規范要求，相較于傳統建模方式，三維實景模型在紋理和色彩更逼真，模型幾何精度和生產效率具有重大的優勢，且數據采集更便捷，影像分辨率高，成為當下測繪領域的重要測量方式之一，受到測繪人士的高度認可，在各個領域得到廣泛應用。但無人機傾斜攝影三維實景模型也具有一定局限性：

（1）三維模型精度要求高，影像數量大幅度增加，處理效率下降。

（2）三維實景建模的要求較高的完整性和高精度，但實際模型遮擋影響，存在漏洞、模糊等缺陷，甚至受天氣、光線、太陽高度角影響，模型出現地物邊緣暈渲的情況，導致補飛、補測等工作量增大，降低效率。

（3）無人機傾斜攝影三維實景模型生產與生產人員經驗有較大關系，需要磨合和積累。

無人機傾斜攝影測量技術可與激光掃描等其他技術相結合，解決遮擋、避免后發問題，并補充測量手段，進一步提高節約運算時間，提高效率。未來還需要對如何減少誤差、提高精度等進行進一步研究。