無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用

摘" 要：在無人機傾斜攝影技術不斷升級與普及的同時，城市實景三維建模工作的開展也擁有良好的技術保障。但是，要想借助無人機傾斜攝影技術的優勢，提高城市實景三維建模工作質量，為智慧城市的穩定發展提供保障，還需要進行更為深入地探索。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；城市；實景；三維建模

中圖分類號：P231" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-0173-04

Abstract： With the continuous upgrading and popularization of UAV oblique photography technology， the development of urban 3D modeling also has a good technical guarantee. However， more in-depth exploration is needed if we want to make use of the advantages of UAV oblique photography technology to improve the quality of urban 3D modeling and provide guarantee for the stable development of the smart city.

Keywords： UAV; oblique photography; city; real scene; 3D modeling

城市實景三維模型是促進智慧城市進一步發展的基礎和途徑。城市實景三維模型中的各種數據，是了解城市各區域空間之間幾何關系的關鍵。完成城市實景三維建模，并將其存儲到計算機設備當中，可以提高信息的智能化與數字化發展水平，實現城市規劃設計的數字化發展。另外，對城市實景三維模型進行科學合理地應用，還可以在城市中的各個區域內進行城市空間幾何關系的分配，實現參數與單個對象的聯系。由此可見，城市實景三維建模研究具有較強的現實意義。無人機傾斜攝影技術是一項技術性較強的現代化測繪技術，與傳統的攝影測繪技術相比具有絕對的應用優勢。但是，在將其應用到城市實景三維建模中的時候卻出現了很多問題。只有對這些問題進行詳細地分析，并制定出相應的應對措施，才能夠將無人機傾斜攝影技術的優勢充分發揮出來，提高城市的規劃與發展質量。

1" 無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用優勢

1.1" 靈活性與適用性

在城市實景三維建模中，在現代化科學技術的輔助下，將無人機與計算機網絡連接在一起，就可以將無人機飛行過程中相機拍攝的畫面實時傳輸給技術人員。技術人員對這些畫面進行觀察和分析，就可以根據實際情況做出反應。而且，無人機的體積較小，重量較輕，飛行過程中容易被控制，不會對飛行區域的環境條件提出苛刻的要求。與大型飛機相比，無人機的飛行速度較慢，在拍攝地質圖像方面也更加清晰。尤其是穿過山脈與森林等特殊地質環境的時候，即便是地勢環境異常復雜，無人機也可以積極有效地應對。總而言之，無人機傾斜攝影技術的應用，體現突出的靈活性與適用性特點。

1.2" 高效性

在城市實景三維建模中，無人機的應用具有較高的靈活性，技術人員可以直接根據城市測繪需求，獲取測區內地質環境的相關數據，并保證數據的準確性與實效性。無人機傾斜攝影技術既可以應用到地質環境的勘探工作中，也可以在城市航拍等方面發揮重要作用。無論是地質環境勘探，還是成果航拍，單純依靠人力完成，不僅工作難度大，工作效率低，就連獲取數據信息的時效性也得不到保證，而無人機傾斜攝影技術的應用，則沒有這一方面的擔憂。

1.3" 數據傳輸與處理效率高

無人機傾斜攝影技術的分辨率非常高，以0.1～0.5 m之間最為常見。這一點絕對領先于大型飛機與衛星影像技術。無人機底座上搭載了航攝遙感設備，所以可以在飛行過程中，直接進行數據的采集、傳輸與處理[1]。也正是因為這一點，其在城市三維實景建模中的應用中具有廣泛的發展前景。如果某一城市地質環境條件極為復雜，單純使用傳統的航空攝影技術不僅無法獲得理想的測繪效果，還需要技術人員投入大量的時間和精力。應用無人機傾斜攝影技術，不僅可以在較短的時間內完成城市測繪工作，還可以對相關數據進行實時地采集與處理，工作效率更高。

1.4" 技術先進

科學技術的進步及測繪行業的發展，極大地推進了我國無人機技術的發展進程，目前已經遙遙領先于世界。目前，我國常用的無人機技術主要有3種類型。第一種是無人機航攝遙感技術；第二種是無人機導航控制系統；第三種是無人機定點曝光攝影技術。將這3種技術結合在一起，并對地理掃描儀和高精度相機進行利用，就是無人機傾斜攝影技術，應用到城市測繪工作中，可以進一步提高數據的采集、傳輸與處理效率，并保證數據處理精確度，使城市測繪工作的實際需求得到滿足。

2" 無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的具體應用

2.1" 無人機傾斜攝影測量與數據處理原理

2.1.1" 無人機傾斜攝影技術的應用原理

無人機低空遙感技術，是無人機航測技術、攝影技術與數據處理技術的有機結合，對無人機低空遙感技術進行改良，就形成了無人機傾斜攝影技術。無論是無人機傾斜攝影技術，還是無人機低空遙感技術，都不會在超高空范圍內作業，因為高空環境中的氣溫非常低，且存在著嚴重的亂流現象，會對無人機和攝影裝置造成損壞。雖然無人機的飛行高度受限，但是卻將常規航測技術的優勢與低空航測技術的優勢進行了充分地融合，具有較強的技術創新性。圖1為不同類型的無人機傾斜攝影飛行平臺。

傾斜攝影，指的是將具有多個傳感器的多頭攝像機安裝到無人機上。利用1個正射攝像頭和4個傾斜攝像頭，進行測區內地物的拍攝，使城市測量效果得到大幅度提高。多頭攝像機中的垂直攝像頭，也可以像普通航測攝像頭一樣進行4D攝影；而傾斜攝像頭的作用是對地面紋理進行捕捉。對多個攝像頭拍攝圖像進行對比和結合，就可以將地面紋理與起伏物高度進行精準地測量。與傳統航測技術相比，無人機傾斜攝影測量技術的應用可以獲得極為精準的數據信息。將這些數據信息應用到城市實景三維建模中，具有十分重要的意義。

2.1.2" 無人機傾斜攝影技術的技術流程

圖2為無人機傾斜攝影技術的組成。在城市實景三維建模過程中，無人機傾斜攝影技術的應用流程如下。第一步，將無人機視為可移動的飛行平臺，根據城市測繪工作的具體要求，安裝相應標準的攝像頭和傳感器。近幾年來，擁有5個感應頭的攝像機是無人機傾斜攝影技術中的主要攝像機。第二步，對無人機上攝影設備的運行性能進行檢測，確認沒有任何問題之后，再正式開始城市測繪工作。第三步，對無人機的飛行參數進行設定，例如飛行航線、飛行高度等。然后加強對無人機飛行安全性的控制，確保獲得優質的測量數據。第四步，在無人機航測過程中，要利用航飛和像控測量采集相關數據。第五步，在無人機設備返航之后，利用多視角三維空中三角測量技術和真三維模型自動生產手段，對無人機航飛過程中拍攝到的圖像進行高速處理，生成最初的三維模型。

2.1.3" 無人機傾斜攝影測量航線規劃

航線規劃是數據采集之前必須要完成的一項準備工作，航線規劃越合理，數據獲取質量就越高。與普通的拍照工作相比，無人機影像數據采集具有一定的特殊性。例如，普通的拍照工作可以直接由工作人員對無人機的飛行進行控制，進而對目標物體進行無規律的拍照。而無人機傾斜攝影技術的應用，不僅需要無人機保持相對平穩的飛行狀態，還要使其沿著規定的路線，在特定的高度范圍內飛行。只有對無人機的飛行路線進行合理地規劃，才能夠對無人機的飛行予以有效地控制。另外，在數據采集過程中，為了保證影像的均勻性與穩定性，無人機還必須要保持均勻、平穩的運行狀態，這同樣離不開相應的規劃工作。而且，無人機在空中飛行，其飛行平衡會被空氣流速度影響，一旦無人機無法保持平穩的飛行狀態，其獲取到的影像數據也會非常模糊。要想確保城市實景三維建模成功，就必須要對影像的采樣率與重疊率進行嚴格地控制。單純依靠人工操作遙控器飛行，根本無法優化無人機的飛行質量，不能保證數據的采集質量，甚至在后期還需要通過重新飛行進行數據的采集[2]。鑒于此，必須要在正式開始數據采集之前，對航線進行合理地規劃。矩形是最理想的測區形象，也是傳統航空攝影工作中使用的測區形狀。針對矩形測區的航線規劃難度較低，只需要選擇平行航線折返拍攝方式即可，但是在實際城市測繪工作中，測區的形狀并不都是矩形，更多的是不規則的多邊形和長條帶，而這就會使航線規劃難度增大。

2.2" 數據處理

2.2.1" 無人機空中三角測量點的加密方式

在應用搭載了5個攝像頭相機的無人機進行城市測量的過程中，攝像系統會對數據進行自動化加密處理，所以，這種測量方式又被叫做三角測量點。在攝像過程中，投影中心點、地面點和像點之間會形成一個三角形，將這3點連接在一起，就形成了一個封閉三角形，每張單獨提取的像片都可作為一個解算單元，每張像片都可以找到與其他像片之間的公共點，同時參照公共點和野外控制點，將所有像片中的光束連接在一起，并進行整體平差和加密坐標處理，就完成了空中三角測量點的加密。這樣一來，技術人員在對坐標加以應用的時候，就可以借助不同像點的觀測值形成相應的誤差方程，利用最小二乘法解方程進行平差，就可以從每一張像片中獲取6個不同的參數，這些參數就是相應的坐標。

2.2.2" 無人機數據解密處理后的DSM（數字地表模型）生成

為了降低風力等因素對無人機航測的影響，加強圖像幾何形變的控制，需要先做好幾何方面的粗調整，修改角度、比例尺等參數，再利用解密后的數據進行城市實景三維建模。在完成角度、比例尺等參數的修改之后，還要進行影像金字塔的創建，并借助Harris算子等實用性工具，對每一個層級的數據特征進行提取。為了加強數據精準性的控制，需要對特征點分布的均勻性予以高度關注。之后，再利用不同的匹配方式，對已經經過逐級處理過的數據進行密集匹配處理，獲得精度更高的DSM點云，如圖3所示。常用的匹配方式主要有3種：第一種是金字塔匹配方式，第二種是多視匹配方式，第三種是邊緣特征匹配方式。為了將拍攝誤差和數據處理誤差進行徹底消除，還需要對DSM點云及特征濾波進行妥善處理。

2.3" 城市實景三維模型的創建

在完成數據加密與數據解密等一系列操作之后，還需要進行相應坐標模型的創建。在這一過程中，為了保證三維模型的真實性，可以優先使用Bentley Context Capture工具進行數據處理和模型創建。與其他同類型的軟件相比，Bentley Context Capture工具的應用表現出了突出優勢。首先，這一工具具有較高的還原度和較低的誤差率，可以在城市實景三維建模中發揮重要作用，不僅可以對低空遙感拍攝所獲數據進行三維建模處理，還可以在工程建設與礦山勘探等領域得到廣泛應用[3]。其次，這一工具可以對原影像中的微小細節進行還原，提升圖像邊緣位置處理的平滑性與真實性，滿足多領域的建模需求。

2.4" 實景三維模型的精度分析

在城市實景三維建模中，無人機傾斜攝影技術的應用，是為了獲得更加準確、有效及直觀的坐標信息，包含肉眼可看到的建筑物或其他起伏物的長寬高數據。對城市實景三維建模中的視域技術應用進行分析，要想保證三維模型的準確性，需要對分辨率進行嚴格控制。另外，除了要考慮攝影成像的清晰度之外，還需要對各種建筑物形成數字模型后的數學精度予以關注，盡可能地使用數學精度消差法，對無人機航測過程中產生的誤差進行控制。

在創建城市實景三維模型時，可直接在模型上進行城市內各建筑物數據的獲取。所以，必須要對測量誤差進行嚴格地控制，并在實際的數據處理中，對誤差進行最大限度地消除。在進行數學消差時，必須要同時進行實景誤差的消除和模型中誤差的消除。而這就對技術人員的測量精準度與處理嚴謹性提出了更高要求。目前，測量誤差是模型數學精度的影響因素，必須要對后續的數據處理工作予以高度重視。

3" 無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用問題

無人機傾斜攝影技術將無人機與小型高分辨專業相機有機地結合，可以直接在城市范圍內進行高效、精準地航空測量，并借此獲取與城市地理相關的影像信息。對這些影像信息進行處理與整合，生成逼真的城市實景三維模型，就可以為后期的城市規劃工作提供支持。但是，在多種因素的影響下，無人機傾斜攝影技術的應用依然存在著很多問題，最終的城市實景三維模型創建效果依然沒有達到預期。首先，不同的無人機存在著較大的性能差異，不同的相機也在分辨率方面存在著較大的差異。在實際測量工作中，無人機的穩定性得不到有效地控制，最終獲取到的數據精準性就會降低，獲取到的影像清晰度就會降低，最終的建模效果也會大打折扣，甚至部分模型還會出現破洞或凸包現象。其次，在不同的光照條件下進行城市測量，并利用測量數據創建三維模型，就可能出現模型側面紋理不均勻等問題，使某些區域出現破洞。如果分辨率過低，模型邊緣變形問題也會比較特殊。鑒于此，只有對這些問題予以高度重視，并采取針對性的優化處理措施，才能夠將無人機傾斜攝影技術的優勢充分發揮出來，從技術層面提高城市實景三維建模效果。

4" 無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用強化策略

4.1" 合理使用二次修復方式

為了降低不利因素對城市實景三維建模的影響，測繪技術人員在應用無人機傾斜攝影技術的時候，必須要做好相應地調整與優化工作。首先，合理選擇無人機型號和相機型號，優化測量方案設計，優化測量設備參數設置等，確保所獲測量數據符合建模要求[4]。其次，如果三維模型出現破洞或凸包現象，可以利用二次優化處理技術進行修復處理，例如破洞修復技術、凸包抹平技術。或者對地物目標進行重新改進，重建城市實景三維模型或者替換城市地物目標。

4.2" 合理使用快速修復方法

針對城市實景三維建模過程中出現的畸形、側面紋理不均勻等問題，需要采用模型修復方法。城市當中不同的區域之間存在著很大差異，將多個控制點均勻分布到區域內，然后借助立體測圖技術，對加密點位高度和平面位置進行計算，就可以獲取所需數據。對空三技術進行合理的應用，就可以對影像數據進行校正，提高各影像數據之間的疊合準確性。在應用空三加密成果修復城市實景三維模型時，技術人員需要進行專門模型輔助編輯系統的開發，然后在這一系統中同時導入空三加密成果和經過初始化處理的三維重建模型。這樣，就可以利用空三技術與空三加密技術的差異性，對原始模型目標區域的缺陷問題進行幾何修復和紋理修補。另外，模型輔助編輯系統的應用，還具有以下3大功能：第一對模型同名點進行搜索，第二對模型紋理進行自動化提取，第三對模型進行交互制作。

5" 結束語

綜上所述，作為一項現代化的測量技術，其在城市實景三維建模中的應用發揮著不可替代的作用。其不僅可以獲取高分辨率、多角度的遙感影像地理信息，還可以對這些數據進行妥善地處理和整合，生成高精度的城市實景三維模型。但是，受到多方面因素的影響，這一測量技術的應用優勢還沒有充分發揮出來。所以，技術人員在日常工作中，必須要不斷地加強這一測量技術的研究與應用，借助與時俱進的三維建模方法，將這一測量技術更加廣泛、深入地應用到城市實景三維建模當中，為城市規劃工作的開展提供支持。

參考文獻：

[1] 張秀雷，袁中朝，林士杰，等.淺談無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用[J].科學與信息化，2021（27）：85-87.

[2] 陳鑫矗.淺談無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用[J].百科論壇電子雜志，2021（11）：2679.

[3] 李興久.淺談無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用[J].測繪標準化，2021，37（1）：75-78.

[4] 張德超.淺談無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用[J].消費導刊，2021（14）：101-102.