淺談無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用

張秀雷 袁中朝 林士杰 李昕陽

山東魯邦地理信息工程有限公司 山東 濟南 250101

引言

當前智慧城市已經成為城市未來發展的一個重要方向，在智慧城市的建設過程中，城市實景三維建模是一項重要的建設內容，而無人機傾斜攝影技術對城市三維模型的建立而言，有著非常重要的幫助，但是就無人機傾斜攝影技術的實際應用而言，其本身控制難度較大，對管理要求較高，一旦出現問題，勢必會對城市實景三維模型造成影響，最終使得城市規劃與建設脫離實際，因此在城市實景三維建模中，不僅要重視無人機傾斜攝影技術的應用，同時還要對其進行重點的把控，才能取得良好的應用效果。

1 無人機傾斜攝影技術及其應用優勢概述

所謂無人機傾斜攝影技術指的是在無人機平臺上搭載多臺攝影系統，以實現從多個角度對目標物進行攝影測量的一種技術。無人機傾斜攝影技術的出現，極大地改變了傳統模式下航空攝影只有正射影像的缺陷，通過傾斜攝影系統的布置，能夠實現從側面獲取目標信息，避免了盲點以及遮擋而導致獲取信息不全面情況的出現。無人機傾斜攝影技術屬于新興的一種測量技術，其不僅對傳統的航空攝影技術缺陷進行彌補，同時在應用過程中，還能夠同步航速、航向以及坐標等地理信息參數，為測量人員提供更加直接且直觀的實景輸出。綜合來看，無人機傾斜攝影技術主要有以下幾個方面的應用優勢：

1.1 便捷測量

無人機屬于小型飛行器，其起降過程無須過多的地面設備支持，對環境要求也較低，只要在空曠的場所，保證良好的通信條件，通過遙控設備就可以升空進行攝影測量.不僅如此無人機還可以根據測量需求，在不同的高度進行測量，甚至可以實現超低空飛行，實現更為精確地測量。無人機傾斜攝影技術極大地提高了攝影測量的便捷性[1]。

1.2 高效測量

無人機傾斜攝影技術通過多臺航攝儀搭載，能夠實現從多個角度對地面目標信息的獲取，更加真實、直接地反映出目標的信息。另外，無人機傾斜攝影平臺搭載了高分辨率的航攝儀，能夠實現厘米級的攝影測量需求，在實際應用過程中，能夠清晰地獲取地面目標的影像數據，反饋出目標的紋理及幾何特征。

1.3 自動測量

無人機傾斜攝影技術具備較高的自動化程度，無人機升空后，便可以根據指令的要求，自動進行攝影測量以及數據采集等作業，并且還能夠將所獲取的影像數據進行實時的記錄與輸出，為后期三維實景建模奠定基礎。

2 無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用

2.1 建模數據的獲取

城市實景三維建模所應用到的數據主要包括建模區域的原始影像數據、POS數據以及相機參數等數據，其中原始影像數據的獲取需要通過無人機搭載多臺航攝儀對目標區域進行多角度的拍攝，進而才能獲取多角度的原始影像數據，在影像數據中能夠切實反映出建筑物的紋理特征、幾何特征[2]。在進行影像采集的時候，必須要對所測量區域的下相關信息資料進行收集，注意其周圍的環境，做好準備工作，以確保影像數據采集工作的順利展開。在實際的測量過程中，應當選擇合適的飛行時間、高度，確定好航向以及重疊度，設置合理的像控點密度，以確保原始建模數據的準確性。對于復雜的地形地貌側面紋理等信息，可通過數碼相機現場拍攝的方式進行數據采集工作，以便于后期進行查找對比，以彌補無人機攝影在精度方面的不足之處。 POS數據則是無人機在測量過程中所自動生成的數據，其同原始影像數據存在著對應關系，而相機參數等數據則包括相機焦距、像素、曝光等參數，在攝影測量過程當中，測量系統一般會自動對POS數據以及相機參數進行記錄并體現其同影像數據之間的對應關系，以便于為后期的數據處理工作提供參考。

2.2 空中三角測量與計算

傾斜攝影測量所獲取的影像數據包括垂直和傾斜兩個方面的影像數據，數據的獲取更為全面，但同時也使得數據的處理難度得以增加，也對數據測算方式提出了更高的要求，以往同名像點的量測算方式是無法滿足需求的。無人機傾斜攝影測量技術通過光束法區域網整體平差的方式，能夠實現自動化的空三計算，其中平差單元指的是一張相片形成的一個光束，而平差單元的基礎方程則是指中心投影的共線方程，不同的相片產生多個光束，不同光束在區域空間內的平移、旋轉，相互交會，便可以實現模型光線最佳的交會，區域模型也便可以通過光束的交會，在坐標控制系統中得到完美的嵌入，使得空間之間的相互位置關系得到最佳的恢復與體現。傾斜攝影測量過程中，會生成動態的POS數據，對此可以將其視為方位元素，在多基線、多特征匹配計算的支持下，通過定向處理，進行空中三角測量，從多個視角實現對目標的拍攝，進而為后續的三維建模打下基礎[3]。

2.3 影像數據的處理

無人機傾斜攝影測量主要分為飛行控制系統、地面監控系統以及數據傳輸系統等幾部分組成，在實際的拍攝過程中，通過預先設定好的航線、航高等數據，由這幾部分相互協作共同完成對地面相關目標的攝影測量工作，繼而獲取相對應的數據。但實際上由于多方面因素的影響，所獲取的數據可能會存在一定的變形、重疊等情況，因此在獲取影像數據之后必須要對其進行進一步的檢查與處理，重點在于對影像數據的變形情況、重疊度情況以及其同POS數據之間的對應關系等是否滿足建模要求，若是影像數據滿足建模要求，則可以通過預處理便可以應用到建模過程當中，若是無法滿足要求，則必須要采取措施對影像數據進行一定的修復，促使其滿足建模的基本要求，保證三維場景建模的準確性。

2.4 紋理提取

紋理提取的目的是為了在三維模型中對實景進行體現，在點云密集匹配的過程中，按照單模型點云提取的方法對紋理進行提取。也就是說要將整個建模區域分割為不同的子區域，繼而分別對子區域進行紋理的匹配與貼附，通過相應的優化，使得子區域能夠同紋理機型高效的融合，體現出實景的特征。如此一來不僅使得模型的層次感得到了增強，同時也使得實景建模的質量得以提升。而由于城市環境比較復雜，在實際的紋理提取過程當中，不僅需要根據實際情況對傾斜攝影的相關參數進行科學的設定與調整，同時還要準確攝影目標，合理進行像控點的影像標識工作，在獲取相關數據之后，還要對數據一定的結算，進而將各控制點位以及攝影信息在坐標體系中進行體現，利用相關處理軟件在信息核對無誤后便可以進行導出作業。坐標的構建必須要確保其位置信息同攝影測量信息之間的高度匹配，進而經過相關參數的調整之后，使得數據處理的效率以及準確性都得到提升。攝影測量數據信息導出之后，便可以進行三維立體模型的構建，此時要對傾斜攝影所獲取的數據進行進一步的核驗，以避免其測量誤差超出所規定的范圍。數據測圖應當按照建模的要求進行，以確保生成的線性畫圖能夠準確貼合實景模型，保證傾斜攝影測量的精確性。

2.5 模型的建立與糾正

三維模型的建立需要借助專業的處理軟件，如Context Capture三維建模實景軟件，其能夠根據所拍攝的多角度影像，在對建模范圍以及相關參數設定后，便可以自動化進行點云匹配、紋理關聯等操作，實現三維模型的自動創建，并將相關紋理關聯到具體的模型當中，促使其具備一定的實景效果。利用軟件自動進行建模雖然比較高效，但是其在細節方面仍然存在一定的不足之處，特別是實際測量過程當中，由于測量角度以及尺度方面的誤差，很有可能造成相關目標遮擋、陰影等情況的出現，使得模型的精確度受到一定的影響，此時就需要通過影像外的方位元素對其進行進一步的匹配，結合模型的相關算法，對目標的高度、尺寸等相關參數進行進一步的處理，使得所建立的城市實景三維模型的精確性得到進一步的提升。獲取高密度的數據之后，必須要通過濾波等方式對數據進行處理，以融合不同的單元構成一體化的數據系統，為實景建模提供數據支持。利用多方位攝影技術開展城市三維實景模型建立的過程當中，應當重視對建筑屋頂等表面信息的獲取，輔助以一定的技術手段對其進行優化，科學進行均光處理，使得所建立實景模型的真實性得到充分的體現。

3 無人機傾斜攝影技術的在城市實景三維建模中的局限性

在城市實景三維建模中，通過無人機傾斜攝影技術的應用，實現了高效的影像數據采集與處理，并在建模技術的支持下快速準確進行了三維的實景模型的建立，相對于傳統的坐標定位等技術方式而言，無人機傾斜攝影測量技術的優勢得到了極大的體現，其構建的城市實景三維模型具備極高的真實性、還原性，在智慧城市的建設過程中，有著極大的應用空間，滿足了智慧城市的發展需求。但是就無人機傾斜攝影技術的實際應用來看，其在攝影測量過程中也存在一定的局限性，比如說其攝影過程中容易受到天氣、地形地貌等外界環境因素的影響，使得所獲取的影像數據產生一定的幾何變形或者是數字轉化影像噪音過大等情況的出現，此外航拍飛行模式以及比例的設定也會造成數據的不準確，如何采取有效的措施來保證測量過程的精確性，一直是無人機傾斜攝影技術的一個重要應用難題。城市適應三維建模會受到影像精度的影響，在實際的攝影測量過程當中，相關人員就應當注意以下幾個方面的要點：首先，無人機傾斜攝影技術的應用應當選擇天氣狀況良好，環境因素穩定、光線充足的狀況下進行測量，以避免這些因素對攝影測量的過程形成干擾，保證數據測量的準確性。其次，要做好現場攝影測量的控制，選擇合理的控制點，結合現場實際情況，規劃合理的航線以及航行高度，并對飛行過程進行控制，保證飛行過程的穩定性。航測的過程當中，工作人員也要結合城市規劃設計圖紙對坐標進行拾取，保證傾斜攝影測量的專業性，以應對城市復雜的建筑、交通布局。最后，傾斜攝影測量本質上是一種攝影技術，在這其中涉及大量的數據獲取、傳輸以及處理工作，任何一個環節出現問題都會影響到影像數據的準確性，因此必須要強化對各項設備的管理，監測其工作狀態，避免在影像數據在這一過程中出現重疊、變形等情況，影響到數據的準確性。

4 結束語

綜上所述，無人機傾斜攝影測量計算屬于當下一種新興的攝影測量技術，雖然其在城市實景三維建模中有著較為廣泛的應用，但是其實際的應用較為復雜，涉及數據的采集、分析以及模型的建立等諸多內容，需要從多方面對其應用進行管理，才能獲取更為準確的數據，建立高質量的城市實景三維模型，為智慧城市的建設提供一定的幫助。