無人機傾斜攝影測量的影像處理技術與應用三維建模系統的研究

蘇紫乾 周麗晨

內蒙古有色地質礦業（集團）七隊有限責任公司 內蒙古 烏蘭浩特 137400

三維模型數據的構建技術是城市“數字城市”信息系統建設中的信息基礎，是描述復雜三維城市信息關系的重要空間載體，是建立三維空間數據網絡的一門重要信息技術手段。三維數據模型的信息捕獲能力和三維模型軟件的研究開發設計方式也直接和參考決定了中國城市空間數字化網絡建設今后的持續發展。傾斜攝影三維測量新技術是一種在建筑攝影與測量新領域上開發成功的一項新技術產品，在某一個垂直平面建筑上同時配備了多個三維傳感器，采集出完整清晰的三維空間建筑信息，可以清晰全面的展示建筑物空間信息數據和二維建筑紋理信息，快速準確創建完整真實立體的三維模型。模型中攝影測量的發展提供了新的見解[1]。無人機傾斜攝影測量采用無人機作為圖像傳感器支撐平臺，具有方便、靈活、快捷等優點，是理想的參考平臺。無人機結合自身二維和三維矢量面的優勢，實現傾斜單片照片模型技術，通過疊加二維矢量面數據和三維三維數據，實現三維模型搭建場景。

1 無人機傾斜攝影測量技術概述

近年來，隨著我國無人機控制技術和數字攝影及測量等技術方面的應用不斷地發展，無人機對角線及攝影和測量相關技術應運而生。兩者的結合，不僅擴展了遙感影像數據的應用范圍，也解決了這一問題。正交角是從垂直、四個對角線和五個維度生成圖像的能力，從而提高有關圖像的最終物理信息的分辨率。此外，無人機對角線三維立體攝影系統等輔助測量三維建模新技術實現后所創建顯示出來的建筑地面三維模型數據將可以進一步幫助業主更好地去配合專業輔助施工建設的人員配合去協助進行地面建筑項目后續工程設計前的地面勘測與規劃施工管理設計和設計后期的施工管理測量建模工作，結合GNSS技術的應用和其他先進地面工程三維輔助施工測量與建模等技術，可以進一步更好和充分及時的創建顯示出建筑地面物體特征的地面三維信息，實現更為準確與快速可靠的就是三維建模工作[2]。

2 基于無人機傾斜攝影成像系統的快速三維建模方法

2.1 原始數據的處理

數據的預處理數據是實現3D建模能夠正常、順利進行實施過程的基本前提，主要對象包括三維多軸視圖圖像、POS數據等，這些后處理數據后的三維結果通常需要進行處理運算和數據存儲[3]。處理應確保標頭重疊大于80%，水平重疊大于50%。在數據存儲收集和分析管理等過程中，需要用戶根據使用不同的攝像機鏡頭的拍攝視角分別進行數據分類處理和分類存儲，以大大方便客戶后續工作的實時數據采集檢索。此外，數據處理時和數據記錄采集過程中有時會出現數據的檢索錯誤和數據失真，應適時添加POS數據和通過外部的控制點設備進行控制。

2.2 傳統影像的航海三角形

采用相同精度的圖像點自動測量算法可對數據定向進行優化處理，但如對于無人機進行傾斜角度攝影定向測量，由于需要獲得定向的圖像數據角度不僅可以是正視角，而且只能是傾斜角度圖像數據的角度，傳統算法將無法完美滿足其實際的需要，利用POS系統的實時觀測時間值信息作為進行多維視圖圖像數據定向分析的最初始計算要素，在此的基礎數據上可計算得出每個像素的三維坐標信息，同時可以根據多個連接的圖像點之間的點數，結合現場的控制點，通過計算機正常的進行局域網的處理。生成三個控制報告，最終構成空間結構規劃和三維圖像建模的基礎。

2.3 創建密集點云

所謂的密集點云，其實也就是通過跨多個視點來進行圖像的匹配與處理，然后在用一套合適的算法去建立一個DSM曲面模型，方便了后續圖像模型的快速創建。在最終獲得一個DSM數據模型后，還往往需要算法對這個過程數據進行過濾，即最后通過算法組合各種不同類型的圖像匹配處理單元，得到了最終的DSM。在后期實際建模操作時和后期處理的過程中，會出現有一些圖像數據信息被嚴重遮擋或被丟失了的一些情況，這無疑將是嚴重地影響著后續的后期3D建模，需要經過手動進行編輯校正處理和驗證處理，以進一步減少后期出現一些問題的可能性[4]。從現有的致密點云發展不規則三角測量。重疊點云信息的值決定了三角測量的復雜性。重疊越大，三角測量越復雜和密集。物體和地貌越復雜，三角測量就越復雜。

2.4 TIN模型的構建

在開發TIN模型之前，需要仔細考慮怎么對高密度的點圖和云數據信息進行參考圖像進行分割，以盡可能達到或提高模型重新定義時獲得的參考圖像準確性。建立好了以下幾個模型：首先，參考圖像信息匹配的策略通常并不是那么容易固定，利用對同一物體圖像和對不同物體觀察的角度所獲取來的參考圖像信息來實現按像素大小來進行的圖像選擇;其次，基于多視角圖像在匹配信息過程中數據的高度冗余，避免數據遮擋圖像而直接影響數據匹配，引入并行算法將可極大提高云計算中的數據處理性能，快速匹配并更準確地云計算所獲取到的多視角圖像數據中對應的是同一點名的三維坐標，進而最終實現所得到的高密度目標密度數據中對應的是三維點云計算；第三，基于點云，構建一個具有各種不同網格細節層次結構模型的TIN網格模型，通過優化三角網格的測量網絡，根據其與圖像上的原始分辨率及其相對應的區域面積的比例系數來自動調整圖區內的三角形網格間的空間大小，簡化成了一種相對適應于平坦區域分布的三角網格，通過動態分析三角網格間連續面積的空間變化等情況變化來達到逐步地減少網格數據上的表面空間冗余，得到一個基于TIN網格模型的矢量結構。

3 無人機傾斜攝影測量及圖像處理軟件在城市三維建模工程中的具體應用

城市景觀模型是由一個建筑師根據在城市景觀設計中采用的比較精確的城市三維模型的地理坐標圖和三維城市三維實際的地形紋理數據來進行構建設計出來的一種城市真實感模型，它反過來又會與二維城市的三維實際的城市實際的地形紋理模型相結合而共同構成出了這樣一個城市景觀模型的城市三維模型76'[5]。帶有影像紋理效果的三維立體規劃城市模型設計使景觀設計界人們能基本上擺脫掉了傳統的二維平面地圖系統設計的種種束縛，使中國廣大三維規劃城市系統設計與咨詢服務人員、決策者、市民、用戶也能對整個三維立體城市景觀體系建設過程的一個整體現狀和一個模型設計最終得到出來的一個整體結果也會抱有這樣的一個十分真實清楚的直觀而完整的一個整體印象。城市三維模型與互聯網虛擬現實技術和移動互聯網平臺的無縫結合可以使城市人們都能夠在身臨共境真切地體驗感受一個虛擬世界的逼真生活場景，可以實現在線實時對城市規劃及設計活動的實施成果等做一些跟蹤評估，讓最普通老百姓的市民就能夠隨時參與投入到整個城市環境的整體規劃管理和實施設計實踐中里面來。同時該系統中還可以自動提供歷史數據查詢、分析報告等應用功能。

3.1 三維建模的建模方法

在無人機傾斜攝影和測量等技術尚未廣泛深入實施使用之前，城市三維建模技術主要可細分為以下十幾類。

3.1.1 基于CAD的建模技術

基于現代建筑CAD技術發展的三維建模技術目前主要是以二維3Ds和三維Max為其優秀代表，它的尤其體現在用于三維構建城市驚喜模型方而顯得其具有了其具有較大且獨特的三維性能優勢。在實際使用的該二維繪圖軟件過程中，以更大范圍的小比例尺地形圖資料數據為設計理論基礎數據來逐步進行三維模型的設計及構建，模型設計師在實際制作模型后期需要的貼上紋理圖片時還可以考慮把后期用相機軟件對模型拍照出來后的紋理照片重新進行糾正與處理后，對該三維模型進行重新修改進行重新貼上紋理[6]。

基于城市三維CAD軟件提供的三維城市的建模及設計仿真技術可以實現直接構建用于模型設計而構建出的城市建筑三維模型和城市景觀三維模型。利用有了利用該新技術后所建立起來的城市三維模型同時也都可以直接被高度還原的方式還原于所建立出來模型的實際建模的對象城市本身。盡管其技術成本普遍較高而且效率偏低，但由于它使用在人們對城市的三維逃行以及三維建模與仿真設計的研究過程中前期，仍然將可能將是在城市領域構建復雜城市三維建模模型時運用的目前最具主要價值技術手段。

3.1.2 激光掃描建模技術

激光三維掃描中的二維建模的技術一般有這兩種:機載激光二維掃描三維技術和機載地面激光一維掃描三維建模技術。機載激光掃描技術也可以專門用于快速有效的直接獲取二維數字地物而地表模型數據(DTM)、數字表面模型信息(DSM)等等。基于掃描獲取得到的所有這些二維數據，再加上高精度數碼相機拍攝采集下來的二維照片，可以自動為其所想要構建起來的數字地物三維模型進行拼貼紋理。

3.1.3 基于攝影測量的城市三維建模技術

該系統應用在技術發展中的主要應用包括的有如下技術兩類:數字航空實景攝影的三維實時測量及建模技術系統，數字近景航空攝影三維測量模型的實時三維建模技術。數字航空景觀攝影實時三維實時測量及其模型系統技術是指一種可以通過直接對一個已成功構建出來三維的模型對象通過重新計算建立出二維的立體像量比對模型系統技術來設計以確保實現對于其三維景觀影像對象的實時景觀三維圖像重現。該立體模型技術所突出的三個主要技術優點是之一即為其應用可以能夠很快速且高效的同時完成和構建所量測的區域范圍的幾乎包含所有的大型復雜建筑物模型的三維立體和三維模型以及各種地形地貌三維景觀。數字近景遙感三維攝影數據處理和遙感測量遙感三維建模技術一般來說是指計算機通過對三維算法和系統模型的實時算法與設計，輔以對遙感地物三維圖像模型的高分辨率實時遙感攝影圖像與衛星影像資料采集來逐步實現與完成計算機對遙感地物立體空間特征的高精度實時三維建模。雖然我們單純只從一個三維算法模型的直接建模計算角度出發分析問題來說，所能要求的構建而成完整的三維模型都應該充分具有了其基本可靠性、靈活性，但同時它存在缺點的往往則是整個模型仍然需要全部都依靠一個三維算法建模系統來獨立設計并完成，П三維算法獨立設計也相對較于三維算法直接建模設計這樣單一的一種傳統三維技術方法系統來講也較為的難，需要去借助其他更多的新技術的遙感計算系統資源及影像資源。

3.2 基于傾斜攝影和測量技術的三維3D建模系統

傾斜立體垂直影像技術是一種基于在近年來新興的國際軍事測繪領域及軍事遙感領域進行最新應用發展及完善綜合起來后采用出來的另一項軍事新型遙感測繪成像技術，通過能夠同時實現在同一片軍事飛行的遙感平臺片面上可以同時的裝載運行著的多臺測繪攝影機，使人們通過操作這些軍事測繪遙感設備就完全能夠實現可以同時地實現的從任何水平到垂直、任意傾斜的垂直角度狀態下同時對其所被測的地面區物體圖像進行立體垂直影像信號實時的立體垂直遙感采集，能夠有效獲取了比真實地面地物信息的更全面而真實準確的地理信息。對真實平地景物進行水平垂直攝影后所得的地面水平影像一般又稱為地面水平正片(紐影像)，而在攝影機鏡頭與真實地面垂直平行而呈某一定水平斜角度時則被所拍攝所得地面的垂直平面影像一般稱為垂直平行斜片(四縱影像)。

4 結語

綜上所述，無人機對角線傾斜攝影三維測量系統技術應用可以用于為整個城市規劃及建設規劃提供一個有效決策指導，特別重點是能快速高效實現城市三維建模，提供整個建設或規劃設計所需大量的實時圖像數據信息，輔助設計項目人員快速進行城市規劃監管或設計實施工作。隨著人類科學技術日新月異的技術不斷高速發展，無人機對角線傾斜的攝影與測量新技術應用在中國未來城市交通的城市三維建模工作中還將顯示有其更好大的空間發展前景。研究無人機對角線攝影測量方法和無人機三維建模中的有關內容將具有相當重要地學意義，這必然與我國三維智能城市網絡建設工程的高速發展也密切的相關。進入一個新時代，人們各方面發展的信息需求都不斷得到增加，城鎮化趨勢已開始成為整個社會發展進步的兩個主要發展趨勢點之一。近年來，三維智慧城市項目數量正不斷在增加，整體規劃建設技術需求變化也日益不同，為盡快滿足國內該研究領域技術的進一步發展新需求，我國學者將三維無人機對角線攝影及測量等技術研究與三維城市建模工程相結合，取得了比較良好實用的研究效果。