基于無人機傾斜攝影技術的城市三維建模分析

薛 磊

（山西省測繪地理信息院，山西 太原 030001）

0.引言

數字化時代，人們對于構建三維城市也更加關注。三維城市就是采用三維模型對城市的地上景觀進行描述，屬于數字空間信息，也是城市信息表達過程中的關鍵載體，影響到城市的管理、規劃和建設等。三維城市當前已經在社會發展當中展現了其優點。無人機傾斜攝影技術的出現則很好地解決了這方面的問題，可以將地理信息更全、更豐富地展現出來，促進構建三維城市模型所花費的成本。也有不少學者研究了城市三維建模當中無人機傾斜攝影技術的應用，比如，吳飛宇[1]認為城市三維建模當中無人機傾斜攝影技術的應用可以幫助解決很多問題，也是今后的重要應用方向。武堅等[2]分析城市社區三維建模實踐中無人機傾斜攝影測量的應用。以上研究大多是以理論研究為主，而本次研究當中將理論和實際案例結合起來，希望可以增強研究的實用性。

1.無人機傾斜攝影技術

在地球空間信息學當中，遙感學與攝影測量技術都是核心技術，國際攝影測量認為攝影測量在其內涵界定的過程中，將其認定是非接觸城鄉系統，需要完成信息的記錄、測量和后續的分析表達環節，最終得到和地球建筑、環境以及各種實物相關的信息技術、工藝和科學等。數字化的航空攝影測量技術構建起的模型更加逼真，工作效率更高，處理更大規模場景和自動化程度高。

因為傳統測量技術本身存在的問題使得一些問題難以有效解決，而傾斜攝影測量技術在產生和廣泛應用后很好地解決了這些問題。比如，五目相機借助于航天和航空搭載平臺，來完成攝影，可以得到四個斜視影像和1個下視影像，這些影像圖之間還存在著固定的位置關系。

無人機傾斜攝影技術結合了GNSS技術，可以在城市地理信息框架當中納入三維城市，給大家提供更豐富更全面的地理信息，技術特點（如表1所示）：

表1 無人機傾斜攝影技術主要特點

2.基于無人機傾斜攝影構建城市三維模型過程分析

2.1 構建三維模型整體流程

傳統的影像匹配算法無法開展傾角大和尺度更多的傾斜攝影[3]。在這些年以來，在影像匹配算法不斷發展的過程中，SURF以及SIFT技術等都得到了進一步改進和發展，對于多角度、多尺度等的傾斜攝影也有了更多的獲取途徑，得到更好的效果。采用無人機傾斜攝影測量方法來構建城市的三維模型，主要流程（如圖1所示）：

圖1 傾斜攝影技術構建城市三維模型整體流程

2.2 三維模型構建具體流程

在明確城市三維模型構件中無人機傾斜攝影技術的整個流程后，需要對每個具體過程的情況進行詳細分析。具體步驟（如表2所示）：

表2 傾斜攝影技術構建城市三維模型具體流程

3.無人機傾斜攝影構建城市三維模型的畸變原因和優化方法

3.1 無人機傾斜攝影構建城市三維模型產生畸變的原因

在實際構建城市三維模型過程當中，因為受到各種元素的影響，導致實際構建出的模型會產生一定的錯誤和畸變情況，讓人們出現應用方面的障礙和視覺層面的誤差[4]。主要畸變原因（如表3所示）：

表3 無人機傾斜攝影構建城市三維模型畸變原因

3.2 優化無人機傾斜攝影構建城市三維模型的方法

由于構建起的模型會出現不同情況的畸形，必須要采取措施開展積極改進。（1）幾何修復方法。破洞問題及時修補，磨平凸包還原，刪除飛面碎部；（2）細部整飾工作。可以直接進行整飾或者是直接替換掉重要的地物以及標志物等；（3）紋理修補。針對清晰度以及不均勻的紋理進行修補。

幾何修復工作在曲面平滑以及紋理映射的過程中貫穿始終，如何在幾何修復過程中加快紋理提取的速度，也是當前傾斜影像技術中比較關鍵的一個問題。

采用這種方法最大的優點是以比較快的速度來自動獲取紋理，幫助節約了很多的時間。系統還允許小傾斜影像的紋理提取和映射，穿刺對比多張影像等。采用拉伸等方法開展三維模型實體實時制作，得到相關自動貼圖，最終也能夠得到三維場景的模型圖。

4.無人機傾斜攝影技術在城市三維建模中的應用現狀和案例分析

4.1 城市三維建模中無人機傾斜攝影技術應用現狀分析

4.1.1 城市規劃選址中的應用

城市的規劃和選址過程中也會使用到無人機傾斜攝影技術，可以讓用戶借助于系統提供人機對話工具，提供虛擬環境物體交互操作，在現實環境當中可以融入規劃環境，最終讓規劃成果達到可視化的目標。采用傾斜攝影能夠得到傾斜三維數據模型以及高分正射影像數據等，這就為城市觀察提供了微觀和宏觀不同層面的研究對象，便于在開展總體規劃的同時，更好地觀察到城市當中的每個細節，方便對周邊的詳細環境開展研究分析，通過和規劃數據相互融合，讓周邊環境和規劃內容之間的融合程度更加密切。

4.1.2 對比城市規劃不同方案

采用無人機傾斜攝影測量能夠得到城市或者是一些重點區域不同角度的分辨率比較高的遙感影像，然后再自動生成實景的城市三維模型[5]。還可以和三維地理信息平臺結合起來，從更加直觀的方式來對比城市當中一些建筑物的規劃情況，為一些重點建筑物選擇更加合適的規劃，提供更多方案（如圖2所示）：

圖2 城市規劃方案選擇中的應用

4.1.3 城市具體建設中的應用

可以借助于無人機傾斜攝影技術得到城市當前實際發展情況的一些數據，也是一種比較基礎的圖件。一方面，可以為城市編寫城市發展總體規劃，控制性的詳細方案提供具體的資料依據，減少現狀調查過程中的盲目性；另一方面，也可以為城市的規劃提供專業的信息調查資料。

除此之外，在城市的管理中也能應用到這一技術。傾斜攝影技術受到人為因素干擾，成果內容信息比較豐富可以為政府部門迅速判斷是否出現違規用地、違章建筑等提供全面的一手資料，讓管理內容變得更加有理有據。比如，在調查違章建筑過程中，就會疊加顯示分析合法數據和傾斜攝影所得到的成果數據，這樣就能夠得到違章建筑的情況。藍色棚房在合法歷史的矢量數據當中并沒有這一相關建筑，就可以將其標注為違章建筑，再到現場去實際查驗，是否屬于違章建筑（如圖3所示）：

圖3 城市違章建筑檢查作用

4.2 采用無人機傾斜攝影構建城市三維場景的實例分析

研究中使用到多旋翼無人機搭載當前的單目自由旋轉相繼低空自由拍攝山西某村，使用“海芯”傾斜攝影無人機，采用相機傾斜攝影的方式獲取多視角影像，飛行高度80m，共計飛行4個架次，分辨率優于3cm。最終得到了675張不同視角的影像以及對應的POS數據，得到若干數量的像控點地理空間坐標和相機的相關參數信息。該平臺集量測、建模、紋理自動獲取、紋理映射、三維模型快速編輯等功能于一體，提供了一種實用的、快捷高效的半自動城市建模方案，避免了基于超高密度點云匹配生成DSM的三維建模方法存在的數據量大等問題。

4.2.1 處理原始數據

使用到的處理軟件主要有Smart3D軟件，PS軟件，Street Factory軟件，還有國內的DP-smart軟件。研究中同時還應用到了Pix4D軟件，處理傾斜攝影，獲得多視角影像等原始數據，建立起三維模型。在調整與統一了控制點坐標信息以及POS數據后，需要把這些數據資料納入到Pix4D軟件當中開展自動化處理。采用這一軟件完成三維重建的過程（如表4所示）：

表4 Pix4D軟件三維重建傾斜影像過程

4.2.2 建模過程

該過程包括地面建模和建筑物建模。地面建模采用將數字高程模型DEM構成TIN，然后疊加DOM生成。建筑物建模采用中國測繪科學研究院開發的基于3dsMax插件開發的半自動三維建模平臺。該平臺將建筑物根據屋頂結構特點進行分類，將建筑物分為簡單結構建筑和復雜結構建筑。

4.2.3 軟件處理結果

最終得到的影像圖片類型有兩種，真實紋理以及密集點云圖片，再按照點云的情況構建起三角網模型，實現三維場景模型的紋理影像構建。這也是本次研究當中所涉及到的基礎數據。真實紋理三維場景模型圖（如圖4所示）：

圖4 真實紋理三維場景模型圖

4.2.4 數據基礎和分析

在開展系列的處理工作之后，得到了不同格式的文件，具體的文件名稱和格式類型（如表5所示）：

表5 文件名稱和格式類型

Obj本身就屬于標準公開且適用范圍十分廣泛的文件格式，所得到的三維場景模型文件的適用范圍十分廣泛。本次研究當中就得到了場景紋理映射圖，另外，也有漂移中心相關文件，避免具體計算當中得到的坐標實際值過大，讓復雜程度明顯增加。研究中所應用的軟件也增加了漂移中心。而在本次研究當中所得到漂移和三維模型點文件坐標，再將這些坐標相加之后，就可以得到模型點的實際情況了。

4.2.5 研究結論

基于傾斜攝影技術和3dsMax插件開發的半自動三維建模平臺完成區域的三維建模，實現了具有真實感三維場景的快速構建，能與傳統航測產品生產工藝有機融合，從而延伸傳統航測產品線。

5.結束語

科學技術水平的發展推動了無人機傾斜攝影技術的普及，基于這一技術所構建起的三維模型圖，采用的相關技術整體比較先進，應用范圍廣泛。在城市三維建模過程當中引入這一技術，可以幫助選擇更合適的城市規劃方案，幫助城市違章建筑管理等。彌補了傳統遙感攝影技術所存在的一些弊端，得到更加全面詳細的影像數據資料，提供更準確的材料依據。在本次研究當中也通過引入無人機傾斜攝影技術在城市三維建模當中的實際應用，明確了此種技術的優越性。在今后的應用當中也需要結合具體建模的類型，完成針對性的測量和采集，這樣能夠讓建模效率不斷提升，減少建模工人的工作量。