無人機傾斜攝影技術(shù)在城市三維建模中的應用

秦少林 田振東 李艷貴 杜新紅

（1.輝縣市春誠測繪有限公司，河南 輝縣 453600；2.輝縣自然資源和規(guī)劃局，河南 輝縣 453600）

1 引言

城市三維模型是數(shù)字城市最重要的基礎(chǔ)框架數(shù)據(jù)，是城市數(shù)字化的重要基礎(chǔ)，是城市各項數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)載體[1,2]。隨著城市管理和地理信息服務(wù)對空間精密性、動態(tài)可視性需求的增強，數(shù)字三維城市已成為城市管理的重要手段。傳統(tǒng)三維建模方法通過人工拍照獲取建筑物的結(jié)構(gòu)和紋理，結(jié)合航空正射影像、平面矢量圖、建筑物頂部矢量圖等數(shù)據(jù)建立白模，通過照片紋理分析模型的細部結(jié)構(gòu)，最終將處理后的紋理信息賦予相應的白模上。無人機傾斜攝影技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)測繪的作業(yè)方式，能全面感知復雜場景，并以高清晰、高精度方式來呈現(xiàn)[3]。通過高效率的攝影采集設(shè)備和高精度的數(shù)據(jù)處理方式，能以真實效果和測繪級精度反映研究對象的外觀特征、高度及位置等信息。以鄭州市某小區(qū)城市三維建模為例，基于無人機航空攝影測量技術(shù)，采用Smart3D 專業(yè)處理軟件，通過影像獲取與處理、聯(lián)合區(qū)域網(wǎng)平差、多視影像密集匹配及紋理映射等關(guān)鍵技術(shù)，快速構(gòu)建實驗區(qū)實景三維模型。

2 傾斜攝影測量系統(tǒng)

2.1 傾斜攝影系統(tǒng)

傾斜攝影系統(tǒng)由飛行平臺、工作人員和儀器組成。其中飛行平臺為無人機，工作人員為地面指揮人員，儀器包括傳感器和姿態(tài)定位系統(tǒng)。傳感器主要是多頭相機（用于多角度拍攝）和GNSS 定位裝置（用于獲取三個線元素XS，YS，ZS），姿態(tài)定位系統(tǒng)主要記錄相機在曝光瞬間時的姿態(tài)（三個角元素φ、ω、κ）。

2.2 傾斜攝影三維建模關(guān)鍵技術(shù)

傾斜攝影測量技術(shù)數(shù)據(jù)處理流程包括影像預處理、多視影像聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、高精度DSM自動提取及城市三維建模等[4]，如圖1 所示。

圖1 傾斜攝影三維建模流程

3 研究區(qū)域

3.1 實驗區(qū)概述

研究區(qū)域位于鄭州市某居民小區(qū)，小區(qū)面積約為0.2 平方公里，配套設(shè)施齊全，建筑物規(guī)劃合理，綠地率高，有利于城市居民小區(qū)三維一體化模型構(gòu)建研究。實驗區(qū)范圍如圖2 所示。

圖2 實驗區(qū)范圍

3.2 數(shù)據(jù)獲取及模型建立

利用低空遙感技術(shù)快速獲取實驗區(qū)數(shù)據(jù)，利用ContetxtCapture Master 建立真三維城市模型，技術(shù)流程如圖3 所示。①分析和預處理數(shù)據(jù)資料，確保建模數(shù)據(jù)完整。②將傾斜影像進行空中三角測量，獲得所有影像的高精度外方位元素；通過多視影像密集匹配，獲得高密度三維點云，建立城市3DTIN 模型。③根據(jù)3DTIN 每個三角形面片的法線方程與二維圖像間的夾角挑選最佳紋理信息，并實現(xiàn)紋理的自動關(guān)聯(lián)；④輸出并獲得城市真三維模型成果[5]。

圖3 三維模型構(gòu)建技術(shù)流程

（1）數(shù)據(jù)獲取。研究區(qū)數(shù)據(jù)獲取設(shè)備采用飛馬智能航測系統(tǒng)D200，傾斜模塊為D-OP300，相機數(shù)量：5；有效像素：2400 萬×5；傳感器尺寸：23.5×15.6mm；鏡頭焦距：中間25mm，四周四個相機35mm；相機傾斜角度：45°。根據(jù)既定方案進行資料收集、實地踏勘、航線設(shè)計、空域申請、航攝設(shè)備安裝調(diào)試、基準站建立、控制點布設(shè)等一系列準備工作。設(shè)計航線東西向飛行，航向重疊度≥70%，旁向重疊度≥60%，共獲取面積約0.3km2地面分辨率大小為5cm 的傾斜影像。實驗區(qū)傾斜影像如圖4 所示。

圖4 傾斜五鏡頭影像數(shù)據(jù)

（2）數(shù)據(jù)預處理。無人機影像數(shù)據(jù)預處理包括POS 數(shù)據(jù)與航帶整理、像片旋轉(zhuǎn)、勻光勻色、畸變改正[6]。首先采用布爾莎七參數(shù)模型，將測區(qū)影像數(shù)據(jù)的曝光點原始坐標WGS84 橢球下的地理坐標經(jīng)緯度和大地高轉(zhuǎn)換為2000 國家大地坐標系和1985 國家高程基準或者自定義投影坐標。其次整理無人機航帶和確定航向，通過恢復像片拍照時的方向，保證像片拼接和重疊，同時對影像進行勻光勻色處理。最后通過正解和反解確定原始影像與糾正影像間的幾何關(guān)系，運用灰度插值法實現(xiàn)圖像的改正[7]，糾正后像主點的位置及像幅大小都出現(xiàn)了輕微變化，如圖5 所示。

圖5 傾斜五鏡頭影像畸變改正

（3）空三加密。空三加密是無人機影像處理的關(guān)鍵，也是處理流程的難點。打開ContetxtCapture Master軟件，建立工程，導入影像、POS 數(shù)據(jù)、控制點，設(shè)置相機焦距。POS 輔助下影像間通過同名像點匹配，自動構(gòu)建像點自由網(wǎng)，并進行自由網(wǎng)平差和相機參數(shù)的自由網(wǎng)優(yōu)化。最后進行地面控制點的自動預測和手動量測，聯(lián)合地面控制點自動平差及空三平差結(jié)果導出。實驗區(qū)空三關(guān)系模型如圖6 所示。

圖6 空三加密

（4）模型重建。空三精度滿足要求后，開始進行模型重建。利用ContetxtCapture 進行空三多視影像密集匹配，生成高密度三維點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建不同層次細節(jié)下的不規(guī)則三角網(wǎng)TIN，同時生成帶白膜的三維模型。根據(jù)POS 數(shù)據(jù)計算TIN 模型中每個三角面與影像對應區(qū)域間的幾何關(guān)系，將對應的紋理圖像與三維TIN 模型進行配準，最后通過紋理影像的反投影實現(xiàn)紋理貼圖，生產(chǎn)城市實景三維模型。實驗區(qū)局部實景三維模型成果如圖7 所示。

圖7 實驗區(qū)局部區(qū)域三維點云及實景三維模型成果

（5）三維模型精度。

①模型復雜度。基于三維模型瀏覽平臺，360°旋轉(zhuǎn)觀看真三維模型成果，模型與實體地物無縫銜接；建筑物、道路等主要地物要素主體完整，輪廓清晰，屋頂、陽臺等細節(jié)表現(xiàn)良好。但植被模型細節(jié)表現(xiàn)不完整、有些樹木出現(xiàn)漂浮情況，一些尺寸較小的地物如電線桿、通訊基站、塔吊等沒有表現(xiàn)出來[8]。按照《基礎(chǔ)地理信息三維模型產(chǎn)品規(guī)范》[9]相關(guān)模型復雜度來衡量，該三維模型成果復雜度介于Ⅱ級到Ⅲ級之間。

②模型幾何精度。為了評定傾斜影像構(gòu)建出的城市三維模型成果精度，在測區(qū)選取約0.2km2的區(qū)域檢核，將外業(yè)實測的20 個三維坐標與模型上采集的三維坐標對比分析。幾何精度如表1 所示。

表1 三維模型精度統(tǒng)計（單位：m）

利用傾斜影像自動生產(chǎn)的三維模型成果，平面最大誤差為0.422m，最小誤差為0.157m，中誤差為0.285m，高程方向最大誤差為0.537m，最小誤差為0.312m，中誤差為0.439m，完全滿足《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》中Ⅰ級成果平面位置中誤差不超過0.3m，高度中誤差不超過0.5m 的要求[9]。

4 結(jié)語

基于無人機傾斜攝影測量技術(shù)進行城市三維建模，包括數(shù)據(jù)采集、處理分析、三維建模及數(shù)據(jù)管理等工作。本文以鄭州市某小區(qū)三維建模為例，基于無人機航空攝影測量技術(shù)，采用Smart3D 專業(yè)軟件，經(jīng)過區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配及紋理映射等關(guān)鍵技術(shù)，快速構(gòu)建該區(qū)域?qū)嵕叭S模型。經(jīng)驗證，該方法自動化程度高，生產(chǎn)成本低，有效提高了工作效率，并具有紋理真實、精度高等優(yōu)點，能夠快速實現(xiàn)城市三維景觀的可視化，滿足城市三維建模需求。