無人機傾斜攝影測量技術(shù)在三維數(shù)字城市建模中的應(yīng)用

余亨源

（重慶市勘測院，重慶 400000）

0 引言

人們通過深入研究和分析無人機技術(shù)，逐漸實現(xiàn)了無人機技術(shù)與多種現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)和多個行業(yè)的深層融合，全面提升了測繪企業(yè)的工作質(zhì)量和效率，為我國社會的發(fā)展提供了有力支撐。傳統(tǒng)測繪工作需要采用正射影像圖，但其在實際應(yīng)用中存在較多局限，而無人機傾斜攝影測量技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)測繪工作中存在的問題，并在三維數(shù)字城市建模中呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。

1 無人機傾斜攝影測量技術(shù)

無人機傾斜攝影測量技術(shù)是新型測量技術(shù)，是把無人機作為測量平臺，以無人機搭載傾斜攝影設(shè)備及傳感設(shè)備的方式進(jìn)行被測物體數(shù)據(jù)信息測量和采集的綜合測量技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用具有多角度采集測量信息、無人化測量管理、高精度數(shù)據(jù)采集等優(yōu)勢。該技術(shù)的應(yīng)用要點如下。

（1）該技術(shù)把無人機作為測量和搭載攝像設(shè)備的平臺，利用無人機的遠(yuǎn)程航行、智能操控功能完成航行測量。在應(yīng)用該技術(shù)的過程中，航向設(shè)計、航線設(shè)計及無人機航攝時間都是非常重要技術(shù)要點，只有合理設(shè)置各項參數(shù)，才能確保合理應(yīng)用技術(shù)，也才能夠提升無人機的應(yīng)用效果[1]。

（2）該技術(shù)在應(yīng)用過程中利用傾斜攝影設(shè)備及傳感設(shè)備采集被測物體的信息。在采集信息的過程中，傾斜攝影設(shè)備的像素至少為2000萬，攝影的重疊范圍需在60%以上，垂直影像傾角一般不大于5°，最大不超過12°。同時，在測量工作中，要合理布置測量攝影點，進(jìn)而確保各項攝像測量工作良好開展，提升測量的效果。

（3）無人機傾斜攝影測量技術(shù)實質(zhì)上融合了無人機和攝影測量技術(shù)，能夠提升測量工作的效率[2]。在應(yīng)用該技術(shù)的過程中，需要進(jìn)行測量需求分析、控制點布設(shè)測量、數(shù)據(jù)源獲取分析、數(shù)據(jù)預(yù)處理測量及控制三角測量，按照上述流程進(jìn)行測量工作，才能夠確保測量工作的合理性。

2 三維建模技術(shù)

在測繪工作開展的過程中應(yīng)用三維建模技術(shù)是為了處理無人機測量的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)導(dǎo)線測量控制應(yīng)用。在有效應(yīng)用三維建模技術(shù)后，建模工作的開展將更加高效。三維建模技術(shù)的使用要點包括以下4個方面。

（1）導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)。將無人機測量的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維軟件的文件夾中，方便后續(xù)的軟件獲取及數(shù)據(jù)分析。

（2）完成空中三角測量檢查。該環(huán)節(jié)是對測量數(shù)據(jù)的精度進(jìn)行初步分析和檢查的環(huán)節(jié)。在三角測量檢查中，需要建立X、Y、Z三角平面坐標(biāo)，并需要利用共線方程原理對三角平面坐標(biāo)進(jìn)行檢查，進(jìn)而實現(xiàn)對平面坐標(biāo)精度的查驗，并構(gòu)建平面點之間的相應(yīng)關(guān)系。

（3）完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。在構(gòu)建模型之前，對各項查驗過的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取分析，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)去點降噪聲、數(shù)據(jù)差補、數(shù)據(jù)平滑及數(shù)據(jù)光順等工作[3]。在預(yù)處理完畢后，數(shù)據(jù)的精度及影像點云數(shù)據(jù)的精度提高，進(jìn)而提升了數(shù)據(jù)應(yīng)用的合理性和數(shù)據(jù)測量的效果。同時，預(yù)處理有助于落實數(shù)據(jù)處理的各項流程，提升數(shù)據(jù)處理管控的效果。

（4）構(gòu)建三維模型。在三維軟件完成了數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作后，就可以構(gòu)建三維模型。在構(gòu)建模型的過程中，采用多視覺影像匹配技術(shù)對模型進(jìn)行紋理映射，并在三維軟件中構(gòu)建Tile文件夾，將不同模塊的數(shù)據(jù)導(dǎo)入不同的文件夾中，實現(xiàn)文件夾的綜合應(yīng)用，最終通過持續(xù)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入和映射實現(xiàn)三維模型的構(gòu)建。

3 數(shù)字城市建模的要求及特征

三維建模技術(shù)能夠有效提高三維建模的質(zhì)量，為三維數(shù)字城市建設(shè)提供有力支持。使用三維建模技術(shù)分析數(shù)字化建模數(shù)據(jù)，能夠使數(shù)據(jù)更加高效地融入三維模型，增強數(shù)字化建模效果，同時能使模型更符合用戶的使用要求，該技術(shù)在城市的創(chuàng)新發(fā)展中具有較高的使用價值。相關(guān)單位應(yīng)不斷加強三維數(shù)字城市建模管理，采用航拍、三維激光掃描等措施提升三維建模的質(zhì)效。三維建模技術(shù)與無人機傾斜攝影測量技術(shù)的有效結(jié)合能實現(xiàn)良好的模型管理效果，減少模型的建設(shè)成本，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景[4]。這兩項技術(shù)的有效結(jié)合在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，并且具有較高的價值，能全面提高測繪工程效果。相關(guān)單位應(yīng)提高模型的生產(chǎn)質(zhì)效，節(jié)約模型生產(chǎn)的各項費用，保障數(shù)字城市的建模效果。

4 項目概況

某城市不斷加快建設(shè)步伐，智能化采集、整合、處理信息數(shù)據(jù)以保證城市治安工作的順利、高效開展，同時使二維空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間數(shù)據(jù)。當(dāng)前，該城市開展的智能三維建模項目采用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，智能三維建模工作開展過程中的關(guān)鍵事項是對前期已有三維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行更新，并依托相關(guān)數(shù)據(jù)創(chuàng)建新的市區(qū)三維模型。該城市新建城區(qū)占地面積為80 km2，主要建筑內(nèi)容為該市新建火車站及主干道路，火車站占地面積約為5120 m2。

5 三維數(shù)字城市建模中無人機傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用

5.1 應(yīng)用優(yōu)勢

無人機傾斜攝影測量技術(shù)在項目的進(jìn)程中呈現(xiàn)出以下3個優(yōu)點。

（1）機動性強，成本低，符合多種尺度攝影測量數(shù)據(jù)采集工作開展的標(biāo)準(zhǔn)，并能有效減少城市三維建模的各項費用支出，節(jié)約項目總成本。

（2）智能、自動化。該技術(shù)在運用中能夠智能化、自動解決大面積場景的傾斜影響，有效降低工作人員的工作強度，減少人力資源損耗，節(jié)約人工成本，同時能有效避免由人工操作造成的失誤，進(jìn)一步提升三維建模的準(zhǔn)確度。

（3）該測量技術(shù)能夠智能化應(yīng)對高分辨率影響，保證三維建模的效率。

5.2 三維數(shù)字城市建模存在的問題及其成因

無人機傾斜攝影測量技術(shù)具有較多的應(yīng)用優(yōu)勢，但是在實際運用中，由于受到設(shè)備、自然環(huán)境、程序算法等各種因素的干擾，該技術(shù)在三維建模的過程中會造成視覺偏差、運用障礙等問題。通過研究和分析，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)當(dāng)前在運用中存在問題的主要原因有以下4點。

（1）無人機姿態(tài)變化：設(shè)備姿態(tài)變化會引發(fā)無人機拍攝重疊度方面的問題。

（2）大氣環(huán)境的影響：大氣環(huán)境的變化會給技術(shù)的應(yīng)用造成障礙。

（3）光照的影響：不同時段的光照存在差異，導(dǎo)致了三維建模中紋理不均勻、破洞等問題。

（4）影像分辨率不高：拍攝的影像模糊，導(dǎo)致建設(shè)的模型不清晰。

5.3 建模優(yōu)化措施及建模實踐

針對無人機傾斜攝影測量技術(shù)在運用中存在的問題，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)行建模優(yōu)化。

首先，相關(guān)人員應(yīng)全面分析三維數(shù)字城市建模的實際情況，了解模型的不足，并采用幾何修復(fù)優(yōu)化措施有效修補攝影破洞，抹平不均勻的紋理，有效修復(fù)凸包位置[5]。

然后，相關(guān)人員應(yīng)結(jié)合三維數(shù)字城市的建模現(xiàn)狀，施行細(xì)節(jié)優(yōu)化措施，替換或者有針對性地修飾三維模型的主要地面標(biāo)志物，科學(xué)、合理地修補不均勻的紋理。

最后，工程人員應(yīng)采用相關(guān)技術(shù)研發(fā)三維模型輔助編輯系統(tǒng)，全面提升三維拍攝技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)效，并保證幾何修復(fù)、紋理修補的成效。三維模型初建和修補后的效果如圖1所示。

圖1 三維模型初建和修補后的效果

某城市三維建模項目在實踐過程中應(yīng)用無人機傾斜攝影測量技術(shù)，根據(jù)150 m航高飛行方案進(jìn)行三維拍攝工作。在此過程中，無人機搭載3臺相機對新建城區(qū)及火車站進(jìn)行細(xì)致的拍攝和建模，并在拍攝過程中合理利用模型和空中三角測量成果之間的內(nèi)在聯(lián)系，在空中三角測量糾正影像建設(shè)的過程中，通過拉伸實體建造白模，并根據(jù)初始三維模型修繕白模，保證三維建模的成效。

三維建模是數(shù)據(jù)采集工作順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，可以利用傾斜攝影自動批量建模軟件實現(xiàn)多角度、全方位傾斜影像的幾何校正、聯(lián)合平差和多視匹配，獲取可視化三維傾斜模型。相關(guān)測繪人員完成三維傾斜建模之后，可借助傾斜影像，高效完成相關(guān)地物結(jié)構(gòu)及地貌等多項數(shù)據(jù)信息的采集工作。數(shù)據(jù)采集主要包含以下3個方面的內(nèi)容。

（1）人工采集地物要素。例如，工作人員采集傾斜影像中各個控制點的信息數(shù)據(jù)，獲得簡單的建筑物輪廓，同時采集建筑物外側(cè)面邊線，有效提高采集成果的精度。

（2）自動提取地貌要素三維信息，主要包含等高線、高程點信息的提取工作。工作過程中可借助配套軟件實現(xiàn)自動提取，自動提取的信息經(jīng)過人工操作后可正式投入使用。

（3）處理要素遮擋問題：工作人員可以借助相片等資料補充測量遮擋位置的信息，也可使用激光雷達(dá)技術(shù)等穿透能力較強的技術(shù)避免要素遮擋問題。

5.4 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。相關(guān)人員需進(jìn)行航攝數(shù)據(jù)檢查，影像勻光勻色處理等數(shù)據(jù)預(yù)處理工作。①檢查傾斜數(shù)據(jù)。在檢查過程中，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)保證航攝數(shù)據(jù)鏡頭影像的亮度、顏色基本保持相同，在數(shù)據(jù)相同的情況下，可以直接進(jìn)行空中三角測量加密處理；在數(shù)據(jù)不同的情況下，需進(jìn)行合理的影像勻光勻色處理。②影像勻光勻色處理。在航空拍攝的過程中，由于受到大氣的影響，光源會發(fā)生折射，因此拍攝的影像經(jīng)常出現(xiàn)位移、變形、色差等問題，從多視角拍攝的影像色差尤其大，為了保證后續(xù)多視角拍攝影像空中三角測量的精度，需要相關(guān)人員科學(xué)、合理地使用色調(diào)模板進(jìn)行批量勻光勻色處理，同時保證影像紋理信息完整，確保影像色彩平衡，并確保影像與之前獲得的影像內(nèi)容一致。

（2）空中三角測量加密處理。傾斜攝影信息數(shù)據(jù)的空中三角測量應(yīng)進(jìn)行多視角聯(lián)合平差，在平差過程中需要綜合考量多視角影像的遮擋關(guān)系和幾何形變，同時要針對多視角和垂直視角下的影像開展聯(lián)合平差。本工程相關(guān)人員應(yīng)用PhotoMesh軟件針對性地模擬多視角影像地表投影范圍，同時應(yīng)用從低到高精度的金字塔匹配方法，在各個級別的拍攝影像中實現(xiàn)同名點自動匹配和光束法平差，進(jìn)而有效獲得同名點匹配結(jié)果。相關(guān)人員創(chuàng)建連接和控制點的坐標(biāo)文件，根據(jù)每秒采樣次數(shù)（sample per second,SPS）或慣性測量單元（inertial measurement unit,IMU）數(shù)據(jù)信息進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差迭代計算，通過反復(fù)聯(lián)合平差結(jié)算，最后獲得的平面、高程誤差更加符合精度標(biāo)準(zhǔn)。

5.5 實景三維模型制作

相關(guān)人員通過分塊計算建設(shè)模型，選擇各個視角的最優(yōu)模型，形成三維尺度密集點云。點云自動轉(zhuǎn)變成不規(guī)則三角網(wǎng)TIN模型，根據(jù)幾何關(guān)系，不斷改善和優(yōu)化TIN模型，依照TIN網(wǎng)中的空間位置信息，獲得與其相關(guān)的多視角影像紋理信息，自動賦予模型紋理，輸出三維模型結(jié)果。該軟件節(jié)點采用云的形式實現(xiàn)組織管理生產(chǎn)，在實際工作中結(jié)合特定位置劃分建模區(qū)域，將作業(yè)區(qū)當(dāng)作原點中心，自動化合理分塊，同時針對分塊內(nèi)部多視角影像數(shù)據(jù)開展點云匹配計算，形成高密度點云數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

三維數(shù)字城市建模運用無人機傾斜攝影測量技術(shù)獲得了良好的效果，提高了城市規(guī)劃和建設(shè)的質(zhì)效。經(jīng)過合理處理無人機傾斜攝影測量技術(shù)采集的數(shù)據(jù)，可構(gòu)成三維數(shù)字城市模型，模擬城市不同區(qū)域的實際狀況，因此該技術(shù)和三維數(shù)字城市模型具有較大的參考意義和較高的價值。