無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中的應(yīng)用研究

劉浩

深圳市深汕特別合作區(qū)國土空間規(guī)劃研究中心 廣東 深圳 518000

城市規(guī)劃、自然資源管理、CIM平臺、數(shù)字政府等領(lǐng)域?qū)τ诟呔鹊某鞘袑?shí)景三維建模需求日益增長。傳統(tǒng)的建模方法通常依賴于地面測量儀器和航空攝影，但存在成本高、時(shí)間長、數(shù)據(jù)采集困難等問題。近年來，隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)作為一種高效的數(shù)據(jù)采集手段，正在逐漸應(yīng)用于城市實(shí)景三維建模領(lǐng)域。對環(huán)境要求低的無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)能夠以較低的成本獲取多角度高分辨率的傾斜航拍影像，同時(shí)結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)（GPS），同步獨(dú)立獲取位置姿態(tài)信息，這使得無人機(jī)能夠捕捉到建筑物、交通路網(wǎng)、植被等細(xì)節(jié)豐富的實(shí)景數(shù)據(jù)。然而，由于城市環(huán)境的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)處理的挑戰(zhàn)，仍然存在一些問題需要進(jìn)一步研究和解決，例如傾斜攝影數(shù)據(jù)的校正與配準(zhǔn)、建模算法的選擇和精度評估等。

1 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 無人機(jī)技術(shù)概述

無人機(jī)（UAV，Unmanned Aerial Vehicle），又稱為無人飛行器或者無人機(jī)器，是指可以在無人駕駛或遙控下飛行，或者可以自主飛行，并可以攜帶設(shè)備執(zhí)行特定任務(wù)的飛行器。無人機(jī)的概念可追溯到二戰(zhàn)時(shí)期，但其在近年來得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。無人機(jī)按其設(shè)計(jì)、搭載設(shè)備和執(zhí)行的任務(wù)各有不同，可以大致分為軍事用途和民用途兩類。軍事用途無人機(jī)主要用于偵查、監(jiān)視、打擊等任務(wù)，而民用無人機(jī)則有更廣泛的應(yīng)用，包括測繪地理地理信息、災(zāi)害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)植保、物流配送、景區(qū)巡視等。

無人機(jī)的工作原理主要基于遙控和自主導(dǎo)航兩種方式。遙控?zé)o人機(jī)通過地面控制站接收到的信號進(jìn)行操作，而自主導(dǎo)航無人機(jī)則通過預(yù)設(shè)的飛行路徑或者由其搭載的自主導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行飛行。技術(shù)上，無人機(jī)的關(guān)鍵組成部分包括：航空平臺（包括無人機(jī)本體、發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)）、控制系統(tǒng)（如遙控設(shè)備和自主導(dǎo)航設(shè)備）、搭載設(shè)備（如相機(jī)、雷達(dá)等傳感器）以及地面控制站。隨著科技的進(jìn)步，無人機(jī)技術(shù)也在不斷發(fā)展和進(jìn)化。其中，機(jī)器視覺、人工智能和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的發(fā)展，使無人機(jī)能夠進(jìn)行更為復(fù)雜的任務(wù)。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展對于城市規(guī)劃、自然資源管理、CIM、數(shù)字政府等領(lǐng)域帶來了巨大的潛力和價(jià)值[1]。

1.2 傾斜攝影技術(shù)概述

傾斜攝影技術(shù)是通過在飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時(shí)從一個(gè)垂直、四個(gè)側(cè)視等不同角度采集影像。它比傳統(tǒng)的攝影測量多了四個(gè)傾斜拍攝角度，從而能夠獲取到更加豐富的側(cè)面紋理等信息。與傳統(tǒng)垂直攝影技術(shù)不同，傾斜攝影技術(shù)是將相機(jī)在空中進(jìn)行傾斜拍攝，捕獲地表景觀的側(cè)視圖，而不僅僅是頂視圖。這種拍攝方式能夠獲取到物體的立體信息，尤其是建筑物的立面信息，以及地形地貌的斜面信息等。傾斜攝影技術(shù)在三維模型的構(gòu)建過程中有著重要的應(yīng)用，通過獲取地面建筑物等的多角度、多方位信息，使得從多個(gè)視角拼接的三維模型更加精確和完整。并且，由于這種技術(shù)可以捕獲到更多的空間信息，使得三維模型的呈現(xiàn)效果更為真實(shí)。

使用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行攝影需要特殊的設(shè)備支持，例如帶多鏡頭，可主動(dòng)調(diào)節(jié)快門速度、感光度、白平衡、色彩模式的相機(jī)或者帶有穩(wěn)定云臺可以進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整的無人機(jī)等。在拍攝過程中，也需要考慮到多種因素，例如拍攝角度、高度、光線條件等，以保證拍攝到的圖像質(zhì)量。傾斜攝影技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展極大地推動(dòng)了測繪地理信息科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步，使得三維建模技術(shù)更為廣泛的應(yīng)用于城市規(guī)劃、自然資源管理、CIM、數(shù)字政府等多個(gè)領(lǐng)域。盡管這種技術(shù)在數(shù)據(jù)快速處理和高程精度等方面存在一定的挑戰(zhàn)，但其在獲取更豐富、更真實(shí)的空間信息方面的優(yōu)勢仍然使得傾斜攝影技術(shù)在未來的發(fā)展中充滿了巨大的潛力。

1.3 傾斜攝影三維重建原理

傾斜攝影三維重建主要是通過無人機(jī)搭載相機(jī)，從不同的視角和方向拍攝地面的圖像，再利用三維重建算法將這些圖像進(jìn)行匹配、拼接，從而重建出場景的三維模型[2]。傾斜攝影作業(yè)流程包括：技術(shù)設(shè)計(jì)、傾斜攝影采集、控制點(diǎn)測量、數(shù)據(jù)預(yù)處理、真三維模型制作、單體化模型制作、質(zhì)量檢查等工序。作業(yè)流程如圖所示:

圖1 傾斜攝影作業(yè)流程圖

2 城市實(shí)景三維建模的需求和挑戰(zhàn)

2.1 城市實(shí)景三維建模的重要性

城市實(shí)景三維建模已成為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理的重要工具，通過為城市空間提供直觀、動(dòng)態(tài)和交互式的視角，改變了對城市環(huán)境的理解和交互方式。以下是城市實(shí)景三維建模的主要重要性：

（1）規(guī)劃和設(shè)計(jì)：城市實(shí)景三維建模提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具，使城市規(guī)劃者、設(shè)計(jì)師和決策者能夠可視化和預(yù)測城市發(fā)展的各種可能性。通過傾斜攝影三維模型“摸清現(xiàn)狀”，實(shí)時(shí)獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)；同時(shí)基于實(shí)景三維場景，借系統(tǒng)分析能力，“沉浸式”規(guī)劃設(shè)計(jì)，提高規(guī)劃方案的科學(xué)性與合理性；（2）自然資源管理：輔助應(yīng)用于土地征收整備、國土調(diào)查、建筑物普查、耕地監(jiān)測、新增房屋監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害防治、礦產(chǎn)資源評估、項(xiàng)目選址，能有效提升自然資源管理水平；（3）助力CIM平臺建設(shè)：采用正向三維建模、傾斜三維攝影、點(diǎn)云實(shí)景掃描等方式完善重要建筑物 BIM、道路及地下管網(wǎng)、融合各部門政務(wù)數(shù)據(jù)構(gòu)建 CIM 平臺，使得 CIM 平臺可實(shí)現(xiàn)身臨其境映射與還原，有效提升各類型城市治理應(yīng)用的效率與精度。（4）科研教學(xué)：城市實(shí)景三維建模在城市科研和教學(xué)中也起著關(guān)鍵作用。通過模型，學(xué)者可以更直觀地研究城市形態(tài)、結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化，而學(xué)生則可以通過模型更生動(dòng)、直觀地學(xué)習(xí)和理解城市知識[3]。

2.2 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中的應(yīng)用，雖然具有巨大潛力，但同時(shí)也面臨著許多挑戰(zhàn)。傾斜攝影技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，這對依賴于算力的數(shù)據(jù)快速處理、存儲能力、數(shù)據(jù)輕量化、模型單體化等方面提出了更高的要求。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理過程中的精度控制、數(shù)據(jù)融合、無效數(shù)據(jù)濾除等問題也較為復(fù)雜。盡管無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的測量精度已經(jīng)能滿足大多數(shù)應(yīng)用需求，但在一些對精度要求極高的應(yīng)用場景中，如貼近攝影測量仍然存在挑戰(zhàn)。在城市環(huán)境中使用無人機(jī)進(jìn)行傾斜攝影飛行，可能會面臨各種安全問題，包括無人機(jī)電池續(xù)航問題，無人機(jī)與高樓大廈、電線、樹木等的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，以及無人機(jī)的機(jī)電故障、信號干擾等問題。在很多地方，使用無人機(jī)進(jìn)行飛行活動(dòng)需要遵守嚴(yán)格的法規(guī)，包括但不限于飛行高度、飛行時(shí)間、飛行區(qū)域等。在城市環(huán)境中，尤其是人口密集或敏感區(qū)域，飛行規(guī)定可能更加嚴(yán)格。此外，城市環(huán)境復(fù)雜，光照條件、建筑密度、地形地貌等因素可能會對無人機(jī)傾斜攝影造成影響，這也是無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中需要克服的挑戰(zhàn)之一[4]。

3 無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要目標(biāo)是通過無人機(jī)的飛行和拍攝，采集足夠的、高質(zhì)量的傾斜攝影影像，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和三維建模提供基礎(chǔ)。首先，根據(jù)收集到的項(xiàng)目相關(guān)的地形圖、影像圖等基礎(chǔ)測繪資料，到實(shí)地勘查檢驗(yàn)，為后續(xù)數(shù)據(jù)采集工作打下基礎(chǔ)。需要規(guī)劃無人機(jī)飛行路線。路線規(guī)劃需要考慮無人機(jī)飛行安全、拍攝角度和重疊度、地形地貌特征等多種因素，以確保能采集到覆蓋全區(qū)域的、具有一定重疊度的傾斜攝影影像。同時(shí)，需要配置適當(dāng)?shù)臄z像頭參數(shù)，如曝光、對焦等，以獲取高質(zhì)量的影像。其次，執(zhí)行無人機(jī)的飛行和拍攝。在飛行過程中，無人機(jī)會根據(jù)預(yù)設(shè)飛行路線和拍攝參數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行飛行和拍攝，采集傾斜攝影影像。在此過程中，還需要對無人機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，確保飛行的安全和數(shù)據(jù)采集的完整性。最后，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和校驗(yàn)。將無人機(jī)采集的影像數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并進(jìn)行初步校驗(yàn)和處理，如圖像質(zhì)量檢查、坐標(biāo)校準(zhǔn)等，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和三維建模做好準(zhǔn)備。

3.2 數(shù)據(jù)處理

從無人機(jī)系統(tǒng)采集的傾斜攝影影像數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一系列的處理步驟，才能夠生成高質(zhì)量的三維模型。影像預(yù)處理：由于傾斜攝影數(shù)據(jù)量巨大，而且有五個(gè)鏡頭的影像數(shù)據(jù)，每個(gè)鏡頭的照片都要區(qū)分開來，保證照片編號不重復(fù)即可。嚴(yán)格按照勻光、勻色步驟去對航攝影像進(jìn)行調(diào)整生成，最終獲得最佳成像效果的影像數(shù)據(jù)；傾斜影像空中三角測量：經(jīng)過提取特征點(diǎn)、提取同名像對、相對定向、匹配連接點(diǎn)、區(qū)域網(wǎng)平差等步驟的運(yùn)算處理，得到攝區(qū)空中三角測量成果；三維重建：在影像配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用立體匹配技術(shù)，根據(jù)兩幅或者多幅影像的視差，重建出地面物體的三維結(jié)構(gòu)，常用的三維重建算法包括基于多視圖幾何的三維重建、基于深度學(xué)習(xí)的三維重建等。模型優(yōu)化：通過模型優(yōu)化步驟，對初步構(gòu)建的三維模型進(jìn)行優(yōu)化，以提高模型的精度和視覺效果，包括模型的紋理映射、細(xì)節(jié)增強(qiáng)、陰影處理、光照調(diào)整等。數(shù)據(jù)處理過程中不同步驟的方法和技術(shù)選擇，將直接影響到最終三維模型的質(zhì)量。因此，選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法，是確保無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)有效應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.3 三維模型構(gòu)建

無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)采集的數(shù)據(jù)在處理后，可用于三維模型的構(gòu)建，三維模型構(gòu)建是一個(gè)復(fù)雜過程，涵蓋了包括幾何構(gòu)建、紋理貼圖等步驟。首先，從無人機(jī)獲取的傾斜攝影圖像數(shù)據(jù)，需要通過特征點(diǎn)匹配和深度圖生成等步驟，進(jìn)行初始的三維重建。特征點(diǎn)匹配的目標(biāo)是尋找并匹配圖像中的同一物體或地標(biāo)，為后續(xù)的深度圖生成提供基礎(chǔ)。深度圖生成則通過計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)的深度信息，形成初始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其次，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行表面重建，生成三維模型的幾何形狀。這一過程會涉及到點(diǎn)云濾波、網(wǎng)格生成、模型優(yōu)化等步驟。點(diǎn)云濾波是為了清除噪聲和冗余信息，提高模型的準(zhǔn)確度。網(wǎng)格生成是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型的基本框架。模型優(yōu)化則是進(jìn)一步完善和細(xì)化模型，提高其質(zhì)量和精度。最后，為了提高模型的真實(shí)感和可視化效果，需要進(jìn)行紋理貼圖。紋理貼圖是將采集的圖像數(shù)據(jù)投影到三維模型上，使模型具有更為豐富和逼真的表面特征。這個(gè)過程需要考慮到圖像的幾何變換、顏色校正等問題，以保證紋理的準(zhǔn)確性和連貫性[5]。

3.4 三維模型優(yōu)化

經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、處理和初步模型構(gòu)建后，需要進(jìn)行模型優(yōu)化，以更好地反映真實(shí)世界的情況。這個(gè)過程通常包括以下幾個(gè)步驟：（1）模型精細(xì)化：對模型的細(xì)節(jié)進(jìn)行修整，包括調(diào)整模型的紋理、色彩、透明度等，以使模型更接近實(shí)物。對建筑物的細(xì)節(jié)，如窗戶、門、立面等，都需要進(jìn)行細(xì)致的處理。在全三維建模的過程中，由于水面等特殊地物在空三加密時(shí)無法匹配到正確的連接點(diǎn)，會導(dǎo)致生成的三維模型出現(xiàn)漏洞，需要對這些模型漏洞進(jìn)行編輯與修補(bǔ)；（2）數(shù)據(jù)融合：除了無人機(jī)采集的傾斜攝影數(shù)據(jù)，還可以引入其他來源的數(shù)據(jù)，如地面激光掃描數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，可以提高模型的準(zhǔn)確性和完整性，同時(shí)豐富模型的表現(xiàn)力；（3）錯(cuò)誤修正：任何建模過程都可能產(chǎn)生誤差，需要通過各種方法，如交互式修正、算法優(yōu)化等，來修正模型中的錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤可能是幾何形狀的錯(cuò)誤，也可能是紋理的錯(cuò)誤；（4）模型簡化：對模型進(jìn)行簡化，在保證模型質(zhì)量的前提下，減少模型的復(fù)雜度，可以提高模型的可操作性和可視化效果。優(yōu)化三維模型是一個(gè)反復(fù)迭代的過程，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。通過不斷的優(yōu)化，我們可以得到更準(zhǔn)確、更具有實(shí)用價(jià)值的城市實(shí)景三維模型。

4 結(jié)語

本文深入探討了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中的應(yīng)用，通過詳細(xì)介紹傾斜攝影技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)的原理，闡述了無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的特性，同時(shí)概述了其在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、三維模型構(gòu)建和優(yōu)化中的關(guān)鍵角色。無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中的應(yīng)用，將隨著技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)和應(yīng)用的不斷拓展而更加廣泛。這項(xiàng)技術(shù)具有極大的市場前景，并有望在城市規(guī)劃、自然資源管理、CIM平臺、數(shù)字政府等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，期待未來的研究能進(jìn)一步推動(dòng)無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在城市實(shí)景三維建模中的應(yīng)用。