基于低空傾斜攝影技術的三維建模平臺開發

潘 芳

（江蘇東交智控科技集團股份有限公司，江蘇南京 210002）

低空傾斜攝影技術通過多臺傳感器從不同角度進行圖像數據的采集，數據來源豐富多樣，滿足現代對于三維圖像信息的高要求。以無人機搭載低空傾斜攝影傳感器，將拍攝到的信息傳輸回三維建模平臺，平臺經過數據預處理、多視影像平差、幾何糾正、數據分塊、點云匹配、紋理貼圖、模型修改、模型單體化、3D模型輸出等操作完成對傾斜攝影拍攝到的目標直接測量。

1 無人及組件及功能要求

1.1 無人機平臺選擇

具備一定續航能力保證拍攝工作的連續進行和無人機的安全返航，一般要求標準荷載條件下續航時間≥25 min；針對圖像采集的特點，無人機平臺應具有較好的穩定性和抗干擾能力，抗風等級≥5級（10 m/s），通信距離≥2 km；具備穩定的相機云臺；具備有效荷載能力，有效任務荷載≥6 kg；為了進一步降低野外作業的事故風險，無人機平臺應具備自動避障系統。

結合管理的需求，本項目選擇多旋翼無人機作為平臺，搭載攝影設備進行傾斜攝影。

多旋翼無人機如圖1所示。

圖1 多旋翼無人機

1.2 傾斜攝影相機選擇

經過調研比選，五鏡頭攝像機符合本次課題的要求，如圖2所示。

圖2 五鏡頭攝像機

1.3 功能模塊選擇

（1）自動返航模塊。

自動返航模塊可以自主判斷控制信號是否丟失，針對丟失情況做出失控保護處理。執行全自動飛行任務時，信號丟失無人機會繼續完成預定的航線飛行任務；執行手動控制任務時，無人機會在丟失信號的地方自主懸停，10 s無響應會自動飛到航線開始地點，有安全保障。

（2）告警及處置功能。

針對信號弱、電量低、風力變化大等問題模塊會自主報警，并做出相應的應急措施。

（3）自動避障系統。

采用視覺傳感導航系統，可感知附近障礙物，使飛行器主動躲避，配備視覺超聲波組合傳感器，結合機器視覺算法保證飛行全程的安全。

（4）高精度視覺定位。

系統支持高精度立體視覺算法，算法精度達厘米級，即使是地形復雜的情況下依然能夠準確定位，定位的有效高度可以達到20 m。

（5）檢測航線規劃。

對圖像采集進行航線規劃，結合包含地理信息數據地圖，針對需要檢測的路段對飛行航線進行規劃。

2 三維建模過程

（1）影像預處理。

影像預處理包括畸變校正、勻光勻色處理。

（2）多視影像聯合平差和密集匹配。

傾斜攝影獲取的影像數據包括大量側面方向的圖像數據，通過構建影像圖庫，采用由粗到細的匹配策略，進行自動連接點提取、行區域網平差，采用POS輔助數據、控制點坐標的方法，建立多視影像間的平差方程，保證平差精度。采用多視影像密集匹配模型快速提取多視影像點坐標并自動匹配，獲取地物的三維信息。

（3）高精度DSM自動提取。

經過多視影像平差和密集匹配后，獲取成像區域地物的超高密度點云，根據超高密度點云進行網絡構筑即可完成高精度高分辨率的DSM自動提取。

（4）三維建模和成果優化。

基于傾斜影像對建筑物進行自動紋理映射，針對每個三角面對應的實際紋理區域，實現紋理影像與三維TIN模型的配準。

利用空三加密成果，通過拉伸方法制作三維模型實體，實現對原始模型缺陷明顯的目標區域的修復工作。

3 基于低空傾斜攝影三維建模的管理平臺開發

3.1 Rising fly GIS平臺簡介

完成航空攝影、地理信息技術的拓展，具有厘米級高分辨率、任意標注、任意測量、統計數據載入、地形數據分析等實用功能，載入圖文數據即可實現區域或行業的大數據管理。具有圖文并茂、簡單直觀、精準全面的特點，可隨時調取各種數據信息，實現為領導提供精準決策依據的目的。

3.2 管理平臺功能介紹

支持影像數據載入、支持CAD、地形數據、矢量數據、柵格數據載入；二維、三維同時瀏覽管理；任意位置任意標注、測量，多種分析功能；準確的經緯度坐標定位；支持各種傳感器接入，實現動態數據管理；支持網絡化運行、用戶名密碼登錄和U盾授權登陸；實景影像化資產管理平臺集成多種地圖資源；支持多種通用格式地形、影像、矢量數據的瀏覽和輸出；支持的地理數據格式包括影像、地形、矢量數據和文本數據等；快速瀏覽三維模型，支持大批量數據的三維場景瀏覽；多類型標繪功能；多類型空間分析；多類型量測功能；飛行瀏覽模式；可直接在球上進行自定義設置取點密度和等高線間距提取等高線，也可根據自有的高程數據提取；云端數據；在PC端、安卓端都可以從云端同步到本地，實現數據云存儲和云共享；可以轉換各種格式的GPS。

3.3 平臺部分功能演示

與三維地形精準貼合、輕松獲得地形海拔高程，可以提取導出。

海拔高程采集如圖3所示。

圖3 海拔高程采集

屬性標注編輯及單體化功能：支持標注點、線、面、體繪制，模型導入，編輯屬性，可插入鏈接、圖片、文字、視頻等內容，對傾斜攝影數據實現單體化功能，如圖4所示。

圖4 屬性標注編輯

測量功能：測量地表距離、空間距離、空間面積、投影面積、地表高度、空間高度、坐標點等，如圖5所示。

圖5 尺寸測量

雙屏對比剖面分析：支持雙屏對比不同時期影像，通過肉眼或剖面分析查找不同，查處違建，如圖6所示。

圖6 雙屏對比

4 結語

本項目選擇多旋翼無人機作為平臺，搭載五鏡頭攝影設備進行傾斜攝影硬件組合設計。對于采集的傾斜攝影圖像明確了通過影像預處理、多視影像聯合平差、多視影像密集匹配、高精度DSM自動提取及三維建模，形成真三維模型的數據分析流程。結合公路管理的需求，開發傾斜攝影建模的管理平臺，實現模型導入、屬性標注、測量、比對等功能。