基于無人機傾斜攝影的實景三維模型構建策略

劉小麗，鄒安安，黃會文，黃 歡

（江西信息應用職業技術學院，江西 南昌 330043）

1 無人機傾斜攝影技術概述

1.1 基本原理

無人機傾斜攝影就是將多個傾斜相機搭載到同一架無人機上，使其在同一個曝光點對同一個地物進行多角度傾斜攝像。就目前來看，國內的無人機傾斜攝影系統主要為傾斜攝像機五拼形式，就是將一個與地面垂直和四個具有一定傾斜角度的攝像機搭載到同一架無人機上，對同一目標地物進行五個角度的拍攝，實現目標地物影像的高分辨率獲取[1]。

1.2 主要優勢

就目前應用的無人機傾斜攝影技術來看，其主要優勢包括以下幾個方面：一是在進行傾斜影像的獲取中，此項技術不僅具備足夠高的機動性，且技術成本也比較低廉。二是在具體攝影中，只需要讓無人機進行一次飛行攝影，獲取到的傾斜影像便可充分滿足后期的實際應用需求。三是通過此項技術的應用，可讓傳統正射影像僅能夠進行垂直分析的這一缺陷得以有效彌補，同時獲取目標地物的高程信息及其坐標信息，并構建起三維實景模型，從而對目標地物進行360°的全面分析。借助二次開發軟件，也可以對具體的坡度、坡向等做出精準分析，并準確測量出房屋高度。四是根據傾斜攝影建立的三維實景模型具有最小的數據量，且能夠為各種格式之間的快速轉換提供支持，從而更加有利于三維實景模型后續的二次開發。

2 無人機傾斜攝影中的實景三維建模方案

對于采用無人機傾斜攝影技術獲取的目標地物信息，在進行其實景三維建模的過程中，主要的建模方案如下：一是將獲取的數據導入Context實景三維建模軟件中，通過該軟件進行相應的數據處理與三維實景模型構建。二是對于無人機傾斜攝影技術條件下的實景特征影像數據，主要利用SIFT特征匹配算法進行獲取，將系統識別出的影響結果匹配到三維實景模型中，以便用于后續的三角測量數據提取。采用光束法處理業內數據，將方位元素控制點作為依據，對基礎坐標數據進行獲取，按影像POS姿態數據進行平差處理。經過平差處理之后，再進行數據的三維重建，在獲取到無人機傾斜攝影圖像之后，便可實現三維場景中各類位置信息的全面恢復，從而實現目標地物三維建模資料的全面記錄[2]。三是通過無人機傾斜攝影獲取的信息來判斷已有的影像資料，完成三角網和目標影像信息的匹配，采用雙線性內插法進行影像灰度值獲取，再將圖像處理結果作為依據，完成三維模型中的圖像結構精細化處理，最終實現三維實景模型的自動生成。

3 無人機傾斜攝影中的實景三維建模策略

3.1 圖像采集策略

在具體的三維實景模型構建中，目標地物的圖像需要通過無人機傾斜攝影的方式來進行獲取。在此過程中，為實現數據處理精度的良好保障，可按照式（1）對傾斜攝像獲取的幾何數據進行處理：

式中，D代表攝像過程中地物的最大水平距離值，其單位是m；h代表無人機飛行高度，其單位是m；a代表相機傾斜角度，其單位是°；b代表相機可視角度，其單位是°；d代表無人機和地物之間的最小距離，其單位是m。

3.2 圖像預處理策略

在具體的傾斜攝影過程中，相機透鏡很容易出現徑向畸變，而借助平面掃描儀中的圖像傳感器，則可以使其形成特定形式的數據平面，再將圖像的坐標方程作為依據，對其傾斜攝影中的畸變數據進行科學獲取，并對其中存在的數據誤差進行修正。在修正過程中，主要按照式（2）來進行數據處理：

經式（2）進行圖像預處理之后，傾斜攝影數據更具完整性，可避免畸變參數對影像數據后續處理結果產生不良影響。

3.3 空中三角測量策略

可采用多張連續高度重疊形式的傾斜影像模型來進行空中三角測量。在此過程中，除了需要應用到傾斜攝影獲取圖像的POS數據，還需要添加一些和影像有關的其他POS數據。為確保數據精度，可采用自由網光束平差法以及匹配影像同名點等方式來進行匹配結果獲取[3]。可將控制點的具體內容作為依據，反復對獲取到的數據進行計算，使最終獲得的數據和規定的精度標準相符，以此來實現數據資料的準確獲取。

在通過無人機進行低空傾斜攝影的過程中，需通過搭載在無人機上的所有攝影設備，從多個角度對同一個目標地物進行拍攝。在這樣的情況下，當進行空中三角測量連接點匹配時，由于受到角度影響，通常會產生大量的節點。對于這些節點，如果都進行解算，便會消耗大量的時間，不利于后續工作的及時、有序進行。基于此，在具體的三維實景建模研究中，可將局域網作為基礎，對多機多節點實施并行處理，從而讓數據處理具有更高的效率。

就目前的空中三角測量來看，其主要的數據處理策略包括以下幾點：一是將傾斜攝像數量和攝像區域分布情況作為依據，按照多個小區域對一個大的三角測量區域進行劃分，其中的每一個小區域都可以與多個節點進行連接匹配，以此來滿足平差解算的最終目標，使處理之后的數據達到規范要求的精度。二是對質量檢查點和業外控制點進行全面計算，再通過裸眼立體法在正確位置布設控制點，這樣便可讓計算出的數據結果具有更高精度。三是對于加工處理之后的數字區域網以及外業控制點，需進行二次計算，之后在相應的坐標系中定義與之對應的區域網數據，這樣便可實現三維實景模型里各個關鍵坐標數據的科學確定。四是對各個子區域網中的數據實施合并處理，這樣便可形成一個多角度、多點位連接形式的圖像網絡結構，使攝影圖像具有更高的覆蓋率，并顯著降低其數據誤差。通過這樣的方式，不僅可實現傾斜攝影圖像大局域網體系的全面形成，同時也可以進一步提升其數據精確度。五是對空中測量結果數據進行計算，使其方位元素得到合理確認，將最終的成果應用到三維實景建模中，這樣便可進一步提高傾斜攝影數據的處理精度[4]。

3.4 紋理映射策略

在通過上述方式構建了傾斜攝影三維實景模型之后，為實現該模型中各種紋理映射結果的有效獲取，還需要將參數化用作主要目標，構建起一個紋理映射曲面。在這個紋理映射曲面中，紋理映射方法就是對三維地物（x，y，z）表面點以及二維紋理（u，v）空間點之間的關系進行獲取。通過這樣的方式，便可建立起一個參數化形式的紋理映射曲面。以下是三維實景建模中的紋理映射公式：

式中，X、Y和Z分別代表三維地物表面點上的三維坐標值，即X軸坐標值、Y軸坐標值以及Z軸坐標值。在[0,1]這一范圍內，可用多個參數和多種求值程序來對其紋理映射結果進行計算，并將具體的計算結果和實際的紋理空間作為依據，完成三維實景模型中的紋理映射結果加工。通過這樣的方式，便可將目標地物的所有紋理都精準映射到所構建的三維實景模型中。

3.5 雙線性插值策略

在具體的三維實景模型構建中，要想對這個實景模型進行插值處理，并保障整體的建模數據精度，就需要應用到雙線性插值策略。該策略主要通過貝塞爾插值法來為三維實景模型進行插值。在具體插值中，需要在其x方向和y方向上進行貝塞爾插值處理，這樣才可以獲取到足夠精確的插值結果，最終實現三維實景模型的精準構建。

在具體進行插值處理時，可先通過貝塞爾公式來完成線性插值，再通過中央差分格式對貝塞爾公式進行處理，以此來實現第二階差分公式的獲取，其公式為

3.6 仿真測試分析

為驗證上述三維實景建模策略的應用效果，本次研究中，特對某無人機傾斜攝像基礎條件下的三維實景建模進行測試。在具體測試中，選擇的無人機是四旋翼大疆無人機，攝像機選用SONY-A7型相機。表1為本次測試中所選的無人機主要運行參數。

表1 本次測試中所選的無人機主要運行參數

在本次仿真測試中，共設置了五個檢查點，對于每一個檢查點位置的坐標信息，主要通過傳統方法和上文介紹的SIFT算法進行獲取，并對兩種方法獲取到的檢查點坐標信息進行對比。表2為本次測試中通過兩種方法獲取檢查點坐標信息的對比情況。

表2 本次測試中通過兩種方法獲取檢查點坐標信息的對比情況

通過對以上數據對比分析可知，本次研究中應用的SIFT算法較傳統方法獲取到的檢查點坐標數據更加準確。因此，在具體的三維實景建模中，通過用SIFT算法來替代傳統方法進行數據獲取，可進一步提升數據精度，從而更好地滿足實際建模需求。在無人機傾斜攝像獲取的影像數據中隨機選出一幅，通過上述方法進行三維實景建模處理，將該三維實景模型和傳統方法建立的三維實景模型進行對比，可發現，上述方法構建的三維實景模型較傳統模型具有更高的清晰度。由此確定，本文提出的三維實景建模方法較傳統方法更加優越，通過應用該方法，可以對無人機傾斜攝影獲取的影像數據做出更加精確的處理，從而為相應的測量工作提供更好的支持。

4 結束語

綜上所述，在無人機傾斜攝影測量工作中，三維實景模型的合理構建至關重要。基于此，研究者和技術人員應對其建模方法展開深入研究，通過數據采集、圖像預處理、空中三角測量、紋理映射以及雙線性插值等策略的合理應用來提升其數據精度，從而使構建的三維實景模型具有更高的分辨率，為相關測量和分析工作提供更多參考價值。