超低空聯合建模方法在河道景觀工程中的應用

孫 瑤

(深圳市水務規劃設計院股份有限公司，深圳 518131)

無人機傾斜攝影測量技術充分的結合了無人機在航測領域的低成本、低空域、所獲影像分辨率高、機動靈活的特點和傾斜攝影測量技術在三維建模方面方便、廉價和高效的突出優勢，為三維建模提供便捷高效的道路。近年來，無人機傾斜攝影測量發展迅速，已經廣泛地應用于工程建設、智慧城市、安保消防等領域。

目前以五鏡頭的傾斜相機已經成為主流，國內眾多廠商都紛紛推出了高集成度的五鏡頭產品，極大地推動了無人機傾斜攝影測量在國內的發展。但是由于掛載于無人機飛行平臺上的相機的攝影角度相對固定，獲取的影像對于攝影盲區與光滑細長的地物建模效果不理想，出現模型缺失、變形及紋理拉花的現象，某種程度上制約了該項技術的廣泛應用。

連蓉等人針對山地城市復雜的測區環境，采用多種相機系統及數據采集策略，基于無人機傾斜與近景攝影測量聯合建模的方式，獲取目標區域的精細化模型[6]。卞敏等人采用空地一體的建模方法較好地完成了校園的精細化建模[7]。

在工程建設領域中，項目建設區域內的建構筑物往往對工程方案設計具有決定性的影響，在工程設計階段獲取精準的建構筑物的空間位置和外部輪廓信息顯得尤為重要。在河道景觀設計中，利用無人機傾斜攝影測量技術對跨河橋梁和高壓線塔進行模型重建時，受無人機飛行高度及相機拍攝角度的限制，容易出現以下2點問題：

(1)河邊高壓線塔由于結構復雜且塔架的連接鋼條纖細光滑，模型重建較為困難，容易出現模型缺失。

(2)跨河橋梁底部屬于無人機低空攝影的盲區，通常會出現模型漏洞、紋理拉花、模型扭曲等現象。

本文通過無人機低空傾斜攝影與超低空補拍的聯合拍攝的方式，獲取目標地物詳盡的結構與紋理信息，基于常用的實景三維建模軟件與修模軟件DP-Modeler，實現項目區域精細化建模，而后分析模型精度，驗證該種聯合建模方式在河道工程中的可行性。

1 基本原理和技術路線

無人機航攝傾斜影像三維建模的關鍵技術包括影像預處理、多視影像匹配，區域網聯合平差，密集點云匹配，三維點云構網，紋理重建等步驟。具體技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

影像預處理包括剔除有云霧遮擋和像移過大的影像，以及對影像進行重命名和勻光勻色處理。

多視影像匹配為模型重建程序中的核心環節，常用的影像匹配方法為基于特征的影像匹配方法，如SIFT和ASIFT特征匹配；SIFT算子對影像間的平移、旋轉，影像間的尺度相異和影像間的亮度變化具有很好的適應性，ASIFT算子則對于視角不同、存在仿射變形的傾斜影像具有良好的匹配效果[4]。

基于影像的間的連接點，通過區域網平差后得到精準的影像外方位元素，再進行密集匹配，常見的密集匹配的算法有：帶共線條件約束的多片最小二乘影像匹配、基于多基元多影像匹配、基于物方面元的多視立體(Patch-based Multi-view Stereo，PMVS)等多種算法，其中PMVS算法重建的效果相對較好，該算法為現階段三維重建中使用頻率較高的密集匹配算法[8]。在密集匹配生成的點云的基礎上進行構網，經過平滑和簡化等處理，即生成物體表面的三維幾何模型(又稱3D TIN模型)。對影像進行篩選、優化處理后，將紋理映射到白膜上，生成高精度真三維模型。最后通過修模軟件將模型進行融合，實現精細化建模。

2 項目區域分析與數據采集

2.1 工程背景及概況

屯梓河碧道工程位于深圳市龍崗區坪地街道，地處與惠州市交界處。本次工程范圍共計2.2km2，項目區域內共計有15座高壓線塔，2座跨河橋，其中一座為深圳外環高速跨河橋，另一座為鹽龍大道跨河橋。本工程要求提供高精度及高精細度的三維模型成果數據，為景觀方案設計提供基礎地形資料，測區范圍如圖2所示。

圖2 測區范圍

2.2 無人機選型

2.2.1低空傾斜攝影無人機

國內無人機種類繁多，運用較為廣泛的有：多旋翼、固定翼和垂直起降固定翼。對于不同的應用場景需選取相應的機型。在河道景觀提升工程項目中，對模型精度和精細度要求高，則要求影像分辨率大，相機的曝光點高度需要足夠低。當無人機飛行高度降到一定高度時，為保障飛行安全，飛行速度不可過快。根據規范：在曝光瞬間造成的像點位移一般不應大于0.5個像素，最大不應大于1個像素。目前市面上主流的五鏡頭相機下視相機的焦距為25mm，像元大小為3.91μm，當飛機的飛行高度為140m時，地面影像分辨率為2.2cm，像點位移計算公式如下：

式中，δ—像點位移，個像素；ν—航攝飛機飛行速度，m/s；R—地面分辨率(GSD)，m；t—相機曝光時間，s。當相機曝光時間為1/1000s時，飛行速度的上限為11m/s；當相機曝光時間為1/1500s時，飛行速度上限為16.1m/s。

非量測型的普通數碼相機曝光時間相對固定，要控制影像像移符合規范要求，只能降低無人機的飛行速度。

由上可知，項目對飛行平臺的需求為：飛行速度慢、飛行高度低、安全性高。多旋翼無人機對飛行速度無要求，可空中懸停，而飛行高度可根據需求實時調整，且飛行安全性相對較高，其在小區域河道景觀提升工程的航測任務中，相對于固定翼無人機具有無可比擬的優勢。綜上選擇多旋翼無人機作為運載平臺。

2.2.2超低空攝影無人機

超低空攝影無人機作為低空傾斜攝影的補充，需具備穩定、靈活、操縱性強，具有定位定姿的功能。

2.3 外業數據獲取

根據項目需求，重建整個項目范圍內的實景三維模型。采用四旋翼無人機執行傾斜攝影任務，以變高飛行的作業模式，獲取測區范圍內的無人機傾斜影像。傾斜攝影任務設置的航向重疊度為80%，旁向重疊度為75%。相對航高設置為140m，影像地面分辨率為2.2cm，測區下游部分采用井字形飛行。共獲取影像3.8萬張。在測區中均勻布設了11個像控點，像控點間距約為1km，采用網絡RTK施測。

補拍采用手動遙控無人機的方式。對測區內5座高壓線塔進行上下和環繞飛行補拍，由于高壓線塔有高壓線東西方向穿過，無人機先于塔頂上方環繞飛行拍攝，環繞飛行采用漸近降高式不斷靠近高壓線塔，拍照時保持高壓線塔始終位于照片的中間位置；再操控無人機于相距電塔約20m的南北側上下飛行拍攝，相機曝光位置如圖3所示。

圖3 高壓線塔超低空補拍相機曝光位置

對于2座跨河橋體的補拍，無人機沿橋體左右兩側分別以仰視、平視、斜俯視以及正俯視4個視角對橋體進行拍攝。平視和仰視拍攝時，保持無人機與橋體的距離15m左右，斜俯視和正俯視拍攝時使無人機與橋體的距離保持在40m左右。通過不同視角的拍攝，充分獲取橋梁各個部位的紋理及結構信息，相機曝光位置如圖4所示。

圖4 跨河橋梁超低空補拍相機曝光位置

通過人工控制無人機的飛行方向與飛行速度，使得兩張相鄰影像具有一定重疊度，航向和旁向都保持在60%～80%之間。補拍影像共計4944張，影像分辨率在0.5～1cm之間，同時在補拍的每座橋梁和高壓線塔周邊均勻布設4個像控標靶作為像控點，采用網絡RTK施測像控點坐標。

3 工程應用

3.1 空中三角測量

空中三角測量為還原相機在每次曝光時所得影像間的姿態關系，首先通過影像的匹配算法得出影像間一定數量的連接點，再關聯影像之間的連接點、構建自由網，最后利用區域網平差的方法通過迭代計算出解算出每張影像的精確外方位元素，為后續建模流程提供精確的參數。

無人機傾斜攝影時，飛機按預定的航線飛行，相機曝光位置規律性強，影像間重疊度變動幅度小，一般情況下傾斜影像在影像處理軟件中可順利完成空三測量。而超低空補拍是由人工操控無人機的方式完成，無人機姿態變化較大，導致相機曝光位置較為雜亂，規律性較差，且影像間重疊度變化較大，加劇了影像間匹配的難度，補拍影像在通用的建模軟件中難以完成空中三角測量，容易出現錯位、分層，此處我們采用Meta shape進行空三，得到補拍影像精準的外方位元素。

3.2 聯合三維模型重建

經空三計算后，分別對傾斜影像和補拍影像進行建模，同時生成OSGB及OBJ格式的模型文件，以便于后期模型修飾和模型間的融合。

單采用傾斜影像生產的模型成果，由于飛機飛行高度高、相機攝影角度固定，造成傾斜影像中高壓線塔的紋理及結構信息不夠充足，導致高壓線塔模型塔頂缺失，高壓線塔模型塔頂部分缺失如圖5所示；傾斜影像存在攝影盲區則致使橋梁模型底部出現空洞、變形，跨河橋梁模型底部空洞如圖6所示。

圖5 高壓線塔模型塔頂部分缺失

圖6 跨河橋梁模型底部空洞

將超低空補拍影像的空三成果從Meta shape中導出，再導入建模軟件中進行建模，需注意在對超低空補拍影像建模過程中，要將補拍所建模型的坐標原點設為與傾斜三維模型坐標原點一致，便于后期在DP-Modeler中對傾斜三維模型上的相應部位進行替換，使得補拍模型與傾斜三維模型無縫貼合，實現聯合建模。

高壓線塔模型如圖7所示，采用超低空補拍的影像含有高壓線塔豐富的紋理和結構信息，所得高壓線塔模型較為完整。跨河橋梁模型如圖8所示，可以看出空地聯合建模很好地解決了跨河橋梁模型空洞、紋理拉花的問題。最終生成模型中的橋梁底部和高壓線塔的外部輪廓及空間位置信息得到很好的展現，為該工程的景觀方案設計提供了精準的基礎數據。

圖7 高壓線塔模型

圖8 跨河橋梁模型

3.3 模型精度分析

在本項目實施中采用RTK施測了測區中聯合建模及其他部位部分地物點坐標，并與模型中提取相應位置的坐標進行對比，對比結果見表1—2。超低空補拍部位由于無人機采用貼近被攝物體飛行，具備超高的影像分辨率，致使模型精度相較傾斜模型精度得到小幅度提升，聯合模型整體優于1∶500測圖精度，滿足景觀方案設計所需的精度要求。

表1 聯合建模部位精度對比表 單位：m

表2 傾斜三維模型精度對比表 單位：m

4 結語

本文從實際出發，有效地解決了由于無人機飛行高度高和相機存在攝影盲區導致的測區特定位置上的影像信息不全，致使模型空洞、拉花和缺失。生成的三維模型很好地展現了測區的全貌，地物細節得到了較好的表達，為碧道工程的景觀方案設計提供了真實可靠的模型數據。

但是本次聯合建模的方式為將補拍影像和傾斜影像分開建模后再進行疊加，由于補拍和傾斜攝影采用的相機鏡頭不同，導致兩種影像之間存在較為明顯的色差，雖然對兩部分影像進行過勻光勻色，但是模型上的疊加部分仍然較為突兀；且傾斜影像上的有關高壓線塔與橋梁的信息被全部棄用，造成影像資源的浪費。基于以上兩點不足，下一步的工作將補拍影像和傾斜影像一塊空三后再融合建模，進一步解決模型空洞、拉花和缺失的問題。