基于無人機傾斜攝影測量的三維建模

李鴻宇 苗愛麗

（1.新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆烏魯木齊 830000；2.新疆疆海測繪院，新疆烏魯木齊 830000）

0.引言

無需外業觀測，就能得到精細的三維模型和測量成果，這是傾斜攝影技術最大的優點，而這一點正是攝影測量幾十年來苦苦追求的目標。傾斜攝影所構建的三維模型，可以替代航空攝影測量中的外業人工，實現更高精度、更快速度的自動建模和智能測圖。

1.無人機傾斜攝影測量技術

1.1 技術概述

傾斜攝影測量是無人機應用領域的一個重要研究方向，伴隨著無人機技術的出現應運而生。無人機傾斜攝影測量技術是在同一個飛行平臺上搭載一個垂直和多個傾斜相機的航空攝影測量系統，是一種可以實現多角度觀測的新型航空攝影測量技術，獲取的影像分辨率高、視場角廣、且具有豐富的立面紋理信息，可以快速實現大規模領域的三維建模[1]。傾斜攝影影像獲取的方式如圖1所示。

圖1 傾斜攝影影像獲取方式圖

1.2 技術優勢

（1）真實性強：傾斜攝影測量技術比以往的正射影像，因其可以實現多個角度的攝影測量，故反映出的地物信息更加真實；

（2）高效率、低成本：該技術可以實現大規模的快速三維建模，還可以極大減少測繪外業人工，有效降低成本；

（3）豐富的立面信息：能提供豐富的建筑物表面紋理（立面信息），這對三維建模技術有著極其深遠的影響。

2.建模流程及關鍵技術

2.1 技術流程圖（圖2）

圖2 建模流程圖

2.2 建模原理

建模軟件選取行業主流軟件Bently公司的Context Capture（Smart3D），Smart3D傾斜攝影測量三維建模的基本原理是利用空三加密計算出連接點，以連接點為基礎構建不規則三角網TIN。進而生成三維框模，然后利用軟件在三維框模中輸入航攝影像資料，由軟件完成自動映射，進而輸出完整的被測場景三維模型[2]。

2.3 關鍵技術

（1）影像預處理。影像預處理包括畸變校正、勻光勻色處理。受相機系統的安裝誤差和鏡頭畸變的影響，拍攝出的影像會存在像主點偏移以及影像邊緣發生畸變的情況，利用相機的內方位元素和畸變參數結合相應軟件完成影像的畸變處理。受光照條件、CCD特性、光學透鏡成像不均勻的影響，影像之間會存在顏色、對比度、明暗等方面的差異，需要對影像進行勻光勻色處理。

（2）區域多視影像聯合平差。以傾斜攝影瞬間POS系統提供的多角度影像的外方位元素作為初始值，通過構建影像金字塔，采用金字塔由粗到細的匹配策略，在每一等級的影像上進行自動連接點提取，提取后進行光束網區域網平差，同時加入POS輔助數據、控制點坐標可建立多視影像之間的平差方程，聯合解算后可保證平差結果精度。

（3）多視影像密集匹配。影像匹配是數字圖像處理的核心問題，影像匹配結果直接決定空三質量。多視影像具有覆蓋范圍大、分辨率高的特點，同一地物會對應多個不同視角的影像，在匹配的過程中可充分利用這些冗余信息，采用多視影像密集匹配模型快速提取多視影像上特征點坐標，實現多視影像之間特征點的自動匹配，進而獲取地物的三維信息。

（4）高精度DSM自動提取。多視影像經過聯合區域網平差后，可自動解算出每張影像精確的外方位元素，在此基礎上選擇合適的多視影像匹配單元進行逐像素的密集匹配，獲取成像區域超高密度點云，然后經過點云構網即可完成高精度高分辨率的DSM自動提取。

（5）模型貼圖。完成上述操作流程后，需要進行模型分塊，模型分塊操作結束之后，需要導出Smart3D計算結果當中不夠理想的部分，并利用第三方軟件進行修改、編輯，重新整合數據，確保數據的有效性、準確性。最后利用Smart3D的回爐功能重新修改三維模型，并輸出新的結果，進而構建出被測場景的三維模型。

3.項目實例

3.1 概述

項目區位于新疆維吾爾自治區生產建設兵團第六師奇臺農場，項目主要任務：利用無人機航空攝影測量，完成測區約12km21:1000正射影像圖編制，成果用于進行土地整治及數據庫建設。平面坐標系為2000國家大地坐標系，高斯—克呂格投影，中央子午線90°，3°分帶；高程系統采用1985國家高程基準[3]。

本項目采用大鵬CW-30型雙尾撐布局固定翼無人機作為航攝平臺，該無人機具有垂直起降、全自主飛行、載荷大、結構穩定、可靠性高等特點，搭載飛拓智控FT5-2120傾斜相機進行傾斜攝影測量工作。為得到高質量、高精度的產品，本項目進行了野外控制測量，共布設47個控制點，32個作為像控點使用，15個作為檢查點使用，檢查點與像控點交叉均勻分布于測區。

3.2 項目精度檢測和評價

利用15個檢查點的實測數據與模型上讀取的數據進行比對，以比對結果進行三維模型幾何的精度評定。15個點比對結果統計入如表1所示。

表1 三維模型精度統計表

表1顯示：平面最大誤差為0.243，最小誤差為0.042，中誤差為0.145； 高程最大誤差為0.235，最小誤差為0.028，中誤差為0.115。由此可以判斷：利用無人機傾斜攝影構建的三維模型，能滿足1：1000大比例尺攝影測量三維建模的精度。

4.結語

無人機和各類傾斜攝影系統的涌現，使傾斜影像數據的獲取變的越來越便捷，成本也大大降低，計算機集群、GPU、傾斜影像三維建模軟件技術的進步，使得三維建模的效率將大幅提升。目前，傾斜攝影三維建模工作所涉及的無人機、傾斜攝影系統、計算機集群、三維建模軟件等，已可以滿足批量化傾斜影像獲取和三維建模處理工作的要求，此項技術完全具備了工程化和規?；臈l件。