斜航攝影技術的研究與應用

李愛明 張亮 馬慧勇 杜郁

摘 要：利用傾斜航空攝影技術對西安市幸福林帶建設工程示范段指定區域進行空中航拍，獲取該區域高分辨率、多視角航空影像。采用實景三維建模軟件對項目區綠化帶、核心建筑群等數據進行全要素、真實、準確還原，基于實景三維模型、BIM模型數據、CAD圖紙等資料，對批量生成的實景三維數據進行校正和修改，選用虛幻4引擎創建可視化平臺，實現場景內的多角度漫游，在數字世界中真實還原再現區域場景面貌，實現了傾斜航空攝影技術的完美應用。

關鍵詞：傾斜攝影;三維建模;幸福林帶

中圖分類號：P231.2 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）1-0054-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.01.012

Research and Application of Oblique Aerial Photography Technology

LI Aiming1? ? ZHANG Liang1? ? MA Huiyong1? ? DU Yu2

（1.China Construction Northwest Regional Headquarters（China Construction Silk Road Construction Investment Group Co.， Ltd.，Xi'an 710075，China; 2. Terra InfoTech （Beijing） Co.，Ltd.， Beijing 100192，China）

Abstract： uses oblique aerial photography technology to take aerial aerial photography of the designated area of the Xi'an Xingfu Forest Belt Construction Project Demonstration Section to obtain high-resolution， multi-view aerial images of the area; real-life 3D modeling software is used to analyze the data of the green belt and core building groups in the project area Carry out full-element， true and accurate restoration; based on real-world 3D models， BIM model data， CAD drawings and other materials， correct and modify the real-world 3D data generated in batches; use Unreal 4 engine to create a visualization platform to realize multi-angle roaming in the scene ， Really restore and reproduce the appearance of regional scenes in the digital world， and realize the perfect application of oblique aerial photography technology.

Keywords： oblique photography ;three-dimensional modeling; happiness forest belt

1 項目介紹

西安市幸福林帶項目是目前全球最大的地下空間綜合利用工程，也是全國最大的城市林帶建設項目，省市“重點工程”和西安市最大的市政、民生工程，被譽為“世紀工程”[1]。幸福林帶項目位于新城區幸福路，面積約為5.85×0.2 km2，分為地面（景觀）、負1（商業）、負2（地下停車場）、負3（地下管廊和地鐵）。該項目于2016年啟動建設，2021年7月1日對外展示運營。

DEMO選取幸福林帶項目示范段指定區域200 m×200 m范圍（見圖1），利用傾斜航空攝影技術，構建該區域三維真實場景，達到在數字世界中真實還原再現區域場景面貌。

2 建立模型

2.1 地上景觀實景三維建模

傾斜航空攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從前方、后方、左側、右側和垂直五個角度采集影像，顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限性[2]。該技術具有建模速度快、模型表達真實（尤其是側面紋理和鏤空紋理）、建模效率高、全要素表達地物等優點。

本次通過專業飛行器攜帶專業五鏡頭傾斜航攝儀對指定200 m×200 m范圍區域進行空中航拍，獲取該區域高分辨率、多視角航空影像，并進行實景三維建模。

2.1.1 傾斜航空攝影及外業布控。本次采用專業航空飛行器，搭載可見光傳感器即傾斜航空攝影專業五鏡頭航攝儀，對指定200 m×200 m范圍區域進行航拍。同時，按照規范要求，進行地面控制點的布設。

①測區踏勘。通過測區踏勘了解作業區的地形概況和地貌特征[3]。

②航線設計。航線設計是傾斜攝影影像質量保障的重要組成部分。進行航線設計時應明確航測范圍、影像地面分辨率要求，確認重疊度，考慮風向，確定航攝儀和飛行平臺等問題，具體步驟包含以下幾方面。第一，航攝儀參數確認。確認航攝儀焦距、傳感器尺寸、像元大小等參數，以計算航高。第二，航高確認。根據航攝儀參數，主要是焦距，確認航高。第三，計算相機的航線間距和曝光間距。第四，計算出結果后，再設置控制模塊參數，以控制相機的動作。

③航空攝影。在測區附近選定起飛點和降落點后，將以上計算出的航飛參數導入到飛行控制平臺，讓無人機和航攝儀根據設定參數進行自動巡航拍攝。

航飛參數設置包括相機參數、等距拍照、航高、起飛速度、航線速度、執行完動作返航、航向重疊度、旁向重疊度、航線角度、邊距等。

需要注意以下幾個方面。第一，無人機開機檢查狀態、操控模式、傳感器狀態，測試相機拍照;第二，作業流程：上傳航線、開始飛行，監控飛行姿態、氣象條件、相機工作狀態;第三，返航及續飛：任務執行完或低電自動返航，斷點續飛;第四，無人機的飛行安全：風速過大導致無法返航、未留足夠緊急電量、障礙物碰撞等;第五，及時導出航拍成果并檢查影像質量。

④控制點布設。在整個航測作業中，像控點的布設至關重要。

⑤質量檢查。飛行完成后，對航拍成果進行質量檢查也是一項十分重要的工作。質量檢查的目的是確認無人機采集的航片能夠用于內業數據處理，以免造成數據不滿足質量要求的情況，這將在很大程度上延誤項目實施進度，造成工期延誤與預算浪費。

其一，POS質量檢查。POS數據包含航片的地理位置信息，其精度會直接影響模型的精度和表現。較為常見的問題是POS丟失、POS數據錯位。航飛人員需要檢查記錄的拍照次數與記錄的POS數據是否對應，如有缺失，應及時補救。POS數據錯位存在于五鏡頭數據不能統一拷貝的相機中，一般是人為原因造成。其二，影像質量檢查。a.地面分辨率優于0.05 m。b.是否存在漏片現象等問題。如果存在，應采取補救措施;如果數據合格，應及時備份、分類保存好數據，交付內業同事使用。其三，控制點質量檢查。a.控制點分布是否均勻，不均勻或者局部缺失需要補測。b.控制點分布是否合理，是否能和地形地貌變化吻合。c.控制點位置是否清晰可判別，不能判別需要重新補測。d.控制點聯合平差，平面精度中誤差不超過0.12 m，高程精度不超過0.1 m。e.檢查采集的地圖坐標數據誤差，通過測試驗證，地圖數據誤差不應超過5 cm。f.地貌測繪完成后外業采集技術人員將在礦區現場進行地形總貌的檢驗。

2.1.2 實景三維建模。通過外業航拍獲取多角度、高分辨率影像后，采用實景三維建模軟件，對指定200 m×200 m范圍區域進行實景三維建模，實現對指定200 m×200 m范圍區域綠化帶、核心建筑群等數據進行全要素、真實、準確還原。所建模型具有真實紋理并能夠全要素真實反映建筑物、道路、植被等地物要素的精細結構和空間布局。模型數據采用國家2000大地坐標參考，整體分辨率精度為2 cm，重點建筑分辨率可達毫米級，平面及高程精度滿足1∶1 000測繪精度要求。局部效果如圖2所示，其中圖2（a）為實際航拍圖，圖2（b）為模型效果圖。

①數據預處理。一是數據檢查。數據檢查項和質量參數如表1所示。二是EO文件制作。EO文件中影像索引文件結構如表2所示。

②影像勻光處理。通常情況下傾斜影像和下視影像會由于光折射存在一定程度上的色調差異，因此需要進行影像勻光處理。

③傾斜攝影空三計算。傾斜攝影空三平差處理最重要的是如何將垂直下視影像和傾斜影像進行聯合平差[4]，經處理得到符合精度要求的空三成果，如表3所示。Photomesh全自動空三成果的精度指標為Mean Median Reprojection Error（重投影中誤差）。

④實景三維模型構建。模型構建采用分塊計算，程序自動選擇不同視角上的最佳像對模型，生成三維尺度的密集點云。點云自動轉換為不規則三角網TIN模型，基于內在幾何關系，將TIN模型進行平滑和優化。根據三維TIN的空間位置信息，獲取最佳視角影像紋理，自動賦予模型紋理，輸出OSGB格式實景三維模型成果。模型構建邏輯說明如圖3所示。

⑤數據分塊。Photomesh節點工作以云的方式進行組織管理生產。為了生產作業，將測區分成多個作業區，然后根據每個作業區的相片數量劃分作業子區，原則上每個作業子區相片數量最多不超過25 000張，以作業子區中心點為原點，自動進行分塊建模。

⑥點云匹配。基于空三平差輸出的外方位元素成果，Photemesh可以自動將影像進行匹配，組成三維像對。對Tile內包含的所有三維像對分別進行點云匹配計算，并將這些像對點云進行匯總合并。

⑦三角網生成、紋理貼圖。因為所有影像均具有精確位置信息，PhotoMesh可在全部候選影像中自動快速地選取最清晰最好的紋理貼在對應位置的實景三維模型面上，最后輸出紋理清晰逼真的實景三維模型。

⑧實景三維模型修改。一是模型核查，重點檢查區域有高層建筑及用戶指定的重點區域等。二是實景三維模型修改內容，對于存在問題，編輯三角網結構，然后賦予優選紋理。

⑨質量控制。對項目實行多級檢核制度。

2.2 指定區域三維建模

由于通過實景三維建模軟件批量生成的實景三維模型可能存在破洞、褡褳、紋理扭曲、懸浮等問題。為了保證整體數據精度及展示效果，決定本次通過基于實景三維模型、BIM模型數據、CAD圖紙等資料，手工制作場景三維模型數據，如圖4所示。并實地赴現場采集紋理貼圖數據，在軟件內將真實紋理映射至場景模型中，以達到在三維場景中還原現實樣貌的目的。

2.3 可視化演示平臺

為了提高數據展示效果和瀏覽體驗，筆者選用虛幻4引擎進行數據效果展示，并將手工三維模型導入平臺后進行綠化植被等數據的處理，通過虛幻引擎基于物理的光柵化器和光線追蹤器，獲取逼真的光柵化和光線追蹤效果，以及通過引擎內的相關控制模塊設置，實現在場景內的多角度漫游效果。

3 結論

傾斜航空攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，可以同時從不同角度采集影像，具有建模速度快、模型表達真實、建模效率高、全要素表達地物等優點。通過對西安市幸福林帶建設工程示范段指定區域進行空中攝影并建立模型，充分發揮傾斜航空攝影技術的優點，在數字世界中真實還原再現區域場景面貌，實現了傾斜航空攝影技術的完美應用。

參考文獻：

[1] 令狐延，李愛明，馬慧勇，等.西安市幸福林帶魯班獎創優的12345工作法[J].工程管理學報，2021，35（2）：137-141.

[2] 俞建康.無人機傾斜攝影測量在立交橋三維重建中的應用[J].測繪通報，2020（10）：106-109.

[3] 賴文輝.傾斜攝影測量在農村地籍測量中的運用[J].住宅與房地產，2019（33）：150.

[4] 魏祖帥.傾斜攝影空中三角測量若干關鍵技術研究[D].焦作：河南理工大學，2015.

收稿日期：2021-11-09

作者信息：李愛明（1994—），男，碩士，助理工程師，研究方向：橋梁與隧道工程;張亮（1984—），男，本科，工程師，研究方向：土木工程;馬慧勇（1977—），男，本科，高級工程師，研究方向：橋梁工程;杜郁（1984—），男，本科，助理工程師，研究方向：地理信息科學。

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