無人機傾斜航空攝影在三維實景建模中的應用分析

達建興

（核工業華東二六七工程勘察院，江西 九江 332000）

引言

無人機科技、計算機視覺、相機等呈現多樣化的發展趨勢，攝影測量技術也逐漸成熟，應用范圍比較廣泛[1]。因此，分析無人機傾斜航空攝影測量技術的應用，可以通過三維建模的方式，對城市規劃、建設、管理、信息化等基礎數據進行分析，從而實現無人機傾斜航空攝影精度提升。隨著智慧城市、數字城市的快速發展，利用三維激光掃描技術，可以獲得三維模型，而且，三維模型的計算精度比較高，但是，適用范圍比較小，極容易出現測量精度不足的情況。為解決這一問題，利用ContextCapture 軟件，通過無人機傾斜航空攝影獲得影像數據，并對實景進行三維建模分析。在三維建模分析的過程中，可以對測區進行提取，并解決密集匹配點云結果不準確的問題。利用用戶添加連接點的方式，對三維建模過程進行優化，提高無人機傾斜航空攝影測量水平[2]。

一、無人機傾斜航空攝影技術分析

無人機傾斜航空攝影技術是利用航測系統，對場景影像、IMU、GPS 信息數據等進行獲取，并通過無人機、攝影鏡頭、IMU 慣性測量單元、GPS 模塊等影像傳感器進行設計，通過場景數據采集與處理，可對IMU 慣性測量單元、GPS 模塊等，對關注影像的空間位置、物體形態等進行識別與標記[3]。與此同時，可通過對無人機的航行速度、高度、傾角、相片旋角等相關數據管理與處理，完成多組場景重疊影像。利用自動識別技術，可對場景影像進行模型計算，獲得影像數據。無人機傾斜航空攝影測量過程中，可通過共線方程與空間后方交會，對平面坐標進行確定，構建輔助坐標系，從而實現影像成像的處理效果提升。其表達公式如下：

x、y 可以對平面坐標進行分析與處理，并建立空間坐標，對三個空間輔助坐標系之間的關系進行檢驗與處理，可對影像成像的主距進行優化，滿足影像計算與綜合處理的綜合需求。無人機傾斜航空攝影測量技術在實際應用中，可通過數據采集以及外業采集、內業處理等方式進行處理。外業采集是通過實地考察的方式，對相關數據進行統計與整理，內業采集則是通過整理數據信息，并建立內業資料庫。在本次研究中，利用電子地圖劃分航拍的區域，并利用無人機傾斜航空攝影測量技術，對IMU/DGPS 數據進行采集，并對三角測量的精度進行分析，將數據導入到Smart3D 中，從而建立三維數字模型[4]。

Smart3D在對數據信息進行處理的過程中，可以對數據缺陷進行分析與處理，并構建多試影像三維數據，對獲取的影像數據進行單元網絡劃分，并利用像方信息與物方信息的多影像匹配算法，對不同數據信息進行特征提取[5]。參考影像可利用自適應特征點最優分組匹配算法對場景坐標進行密集匹配，例如，在對的遮擋數據區域進行處理中，可以通過多視傾斜數據中的冗余信息進行處理，并對密集匹配所產生的影像進行分析，可利用CPU、GPU 的調用與加速，完成呢過數據運算，并提高信息軟件的整體運算速率，獲得不同影像的像方坐標，空間前方交會策略的應用，可建立地面三維高密度點云數據。為對不同比例下的三維模型結構屬性進行分析，可建立不同層次的多精度三角網，對區域點云數據進行分割與處理，并對連續性變化的邊緣區域數據進行計算，達到邊緣區域三角網優化的目的，并獲得精確的三維重構模型[6]。

二、三維建模分析

無人機傾斜航空攝影測量中，因為無人機的飛行高度比較低，所以，可以獲得高分辨率的影像，多角度相機組合可以無死角拍攝，冰火地物頂面、側面的信息。傾斜攝影測量的成本比較低，可以通過無人機進行作業，可縮短工作周期。三維建模自動化的程度比較高，模型精度可以滿足測繪要求。無人機傾斜航空攝影的三維建模分析，按照密集匹配點云、生成不規則三角網、自動紋理映射的流程進行處理，并對傾斜影像、POS 數據、控制點數據進行采集，進行數據傳輸后，對數據信息進行預處理，相片刺點，建立空中三角測量，匹配點云數據，自動進行紋理映射，完成三維模型建設[7]。

三、無人機傾斜航空攝影在三維建模中的應用分析

（一）數據獲取

以某地區為研究對象，坐標系為2000 國家大地坐標系。無人機飛行前要做好準備工作，包含飛行范圍、設計航線、布設像控點、像控點測量等內容。選擇零度智控ZT-3VS 無人機為主要設備，傾斜相機為SONY ILCE-5100，影像尺寸的像素為6000×4000，焦距為35mm，傳感器的規格是23.5×16.5mm，無人機為垂直起降固定翼無人機，航高為168m，航向的重疊度為80%，旁向重疊度為75%。實際應用中，拍攝五組影像數據，可生成8045 張影像。像控點實測可利用連續運行衛星定位測量綜合服務系統連續運行參考站進行坐標測量，并對現場測量時控制點位置的照片[8]。

（二）數據預處理

三維建模的平臺是通過Benrley 公司的實景建模軟件ContextCapture，具有集群運算處理功能，可以利用多臺計算機進行作業。在獲取原始數據后，可對數據進行預處理，處理的數據包含控制點數據、POS 數據、影像數據等。其中，控制點數據是指浮動解進行檢查，并重復分析觀測數據。POS數據可以記錄位置信息，通過信息轉換，將大地坐標系轉換為CGCS2000 坐標。傾斜影像攝影過程會產生巨大的數據量，一個架次總影像的數量為一萬張，影像的名稱以DSC 開頭，例如，DSC00001，在達到最大編號后，可以重新開始編號。如果對其不盡興重新命名，可以導入影像組數據后，對影像名稱進行修改，采用添加字母加數字的方式進行組合。

（三）空中三角測量

攝影測量空三加密是通過若干均勻分布在區域內設置控制點，利用立體測圖技術，獲得機密點的高程與平面位置。空三作業中，可以從測區提取、用戶連接點添加的方式進行處理。測區提取中，將影像數據、POS 數據、相機參數導入到系統中，并對測量區域內的數據信息進行提取。完整的POS 數據提取，可對區域影像進行分析，并通過相片的位置數據處理，獲得區域相片。首先，導出測區的KML 文件，將其倒入到Arcgis 中，在轉換為shp 文件后，可以利用ArcGIS 對其進行分析。選擇目標區域后，將選擇好的區域影像倒入到Google earth 中，并對區域位置進行導出處理，最后進行影像提取。用戶連接點的添加是在空中三角測量結束后，查看空三質量報告，可以在CC 中的3Dview 中分析密集匹配點云的結果。在部分場景中，紋理偏弱，無法進行匹配，會出現升起、下降的相片，這一類的相片并沒有參與到計算中，在Photos 面板下，可以對相片進行計算。添加用戶連接點，可以對空中三角測量進行調解，選擇上升或下降的相片，在Surveys 面板下添加用戶連接點，在相片中，可尋找標志性的地物，地物的選擇需要具有明顯的不易移動特征。升起以及下降部分會是一個方向的相片，并對相片與用戶連接點刺點進行處理，提高連接點的有效性。考慮到可以對影像數據進行重新編輯，所以，可以區分五視方向，每個方向可以保留五張相片刺點，在一定程度上可以節省時間，而且，用戶連接點不需要過密，均勻分布在升起、下降的區域中。用戶連接點完成處理后，重新對空中三角測量數據進行提交，查看密集匹配點云結果。

（四）建模分析處理

完成空中三角測量的相關任務后，提交三維建模進行生產。無人機傾斜航空攝影測量中，通過影像匹配獲取密集匹配點云，匹配的三維點云可以生成不規則的三角網。將TIN 模型的三角面片與對應的紋理影像自動映射處理，獲得有效的三維模型。在提交三維建模后，結合自身計算機的實際情況，根據影像任務，計算最大隨機存取存儲器的使用量，通過調整瓦片的大小，對其進行分塊瓦片，確保計算機的正常操作。提交生產后，選擇生產模型的格式，并選擇坐標系統，并對三維模型進行計算與量化。

（五）三維模型修飾

無人機傾斜航空攝影測量與分析中，影像虎丘方面會出現死角、數據關聯點不足的情況，導致三維模型匹配過程中，出現扭曲變形、模糊不清的情況，對遙感影像處理與分析等會產生直接的影響。例如，路燈、旗桿、廣告牌等出現特征點模糊的情況。由于匹配截面比較小，無法產生有效的特征點，會出現三維模型數據缺失的情況。因此，三維模型的修飾與處理，可對三維模型進行編輯加工，并對三維模型進行分塊，對模型數據導出與模型修飾軟件的應用等進行處理，從而實現三維模型的編輯加工處理水平提升。三維模型的修飾可以刪除懸浮物，補充影像空洞位置。針對不平整的路面，可以進行平滑、擬合處理，達到平整的狀態。對建筑物的影像進行處理中，可通過單體化重建，對映射實景紋理進行分析與處理，實現無人機傾斜航空攝影測量精度的進一步提升。

（六）三維建模的精度分析

無人機傾斜航空攝影測量技術的精度對實測景觀會產生直接的影響，所以，通過無人機傾斜航空攝影測量技術的應用，可以對測量空間進行三維重建與處理，并提高計算機之間的負載連接與數據分析水平。通過空間區域的三維建模分析，可將無人機傾斜航空攝影與自動化技術聯系到一起，搭建集成化三維模型。空間區域內的三維模型，為三維信息化建設的數據采集提供成本較低、效率較高的解決方案。隨著相關技術的發展，該方案生成的三維模型將越來越完善。

打開S3C 索引文件的三維建模，利用無人機傾斜航空攝影測量功能，通過多次量測的方式，對平均值進行計算，獲得模型點的坐標，結合模型坐標點與現實實際測量的坐標值進行對比。在本次的精度評價與分析中，K001 的模型坐標為-2.1cm，實際的平均值為-3.9cm。K002 的模型平均值為0.4cm，實際的平均值為1.3cm。K003 的模型精度為0.7cm，實測精度為-0.4cm。在對精度誤差進行計算與分析中，可以對X、Y 坐標的誤差進行計算，X 的誤差為1.5cm，Y 軸的誤差為2.3cm，點位中的誤差為2.7cm。從上述精度評估的角度進行分析，本次的三維模型精度比較高，可以應用到大比例尺地形圖測繪、立面測量、國土空間規劃中。

結論：無人機傾斜航空攝影技術在三維建模中的應用，可以對實景進行測繪，并實現遙感影像的數據分析與處理。無人機傾斜航空攝影三維建模模型在實際應用中，其中包含數據獲取、預處理、空中三角測量等操作流程，確定測區后，可對空中三角網格進行測量，結束測量后，對密集匹配點云出現的問題，利用用戶連接點添加的方式，提高空三結果的精度。三維模型可以實現自動化處理，并對影像紋理、拉花、建筑物扭曲等現象進行處理，可通過模型優化，實現無人機傾斜航空攝影測量技術的實際應用效果提升。