無人機傾斜攝影測量技術及三維建模的應用

王玉柱，孟 強，孔 娟

（1.河南省地質局礦產資源勘查中心，河南鄭州 450053；2.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南鄭州 450003）

近幾年，無人機技術的廣泛應用，使攝影測量技術也有了較大的發展；出現了傾斜攝影測量技術，是由無人機與攝影測量學結合的產物。它能夠全面感知復雜場景，并以高清晰、高精度的方式來呈現；改變了傳統攝影測量的工作方式，采集影像數據只能從正射角度進行，可以實現對同一場景從垂直、左視、右視、前視、后視五個方向獲取影像數據。該技術有效解決了在攝影測量方面存在的諸多問題，實現了被測區域的三維模擬，可以對被測場景進行全方位研究。從現階段無人機傾斜攝影測量技術的實際應用情況來看，具有效率更高、機動性強、成本低等優點，在測繪、防災減災、礦山測量、水利電力、交通、規劃以及大比例尺測圖等方面都發揮著重要作用[1]。

1 無人機傾斜攝影測量概述

1.1 無人機傾斜攝影測量技術的基本原理

無人機傾斜攝影測量技術由兩部分組成，無人機是搭載平臺，由傾斜攝影測量設備進行攝影測量工作。傾斜攝影測量可以實現被測場景五個方向的影像收集，包括垂直、左視、右視、前視、后視以及垂直方向，根據獲取到的影像數據信息中分析地形地物的幾何關系和紋理特征進行三維重建，從而實現被測物體的實景三維模型，呈現出滿足精度被測場景的大小、形狀、平面位置、立面、側面、斷面以及地形狀況等[2]。無人機相較于載人飛行器，攜帶運輸方便、組裝簡單、受航空管制影響較小、成本較低、工作效率高，不需要機組人員，在地面實現對無人機的控制[3]。具有廣泛的發展和應用前景。

1.2 無人機傾斜攝影測量的基本流程

無人機傾斜攝影測量的基本流程可以分為準備階段、航測階段、數據處理階段[4]。

準備階段主要包括明確用戶成圖比例的需求，地面分辨率要達到幾厘米；了解測區的地形起伏情況，選擇并準備合適的相機、鏡頭、相片重疊度，并計算無人機的相對航高；像控布設及測量等。

航測階段主要包括航線的間隔和拍照間隔：設置好航線，外業工作一定要細心，起飛各項檢查要仔細認真，參數設置是否正確，操作方法是否正確等。設備檢查：設備要從開始組裝直到結束整個過程中都要仔細每個環節，各連接件情況、電機轉動情況、航機工作情況、通信情況；航線航點、拍照間隔、拍照點是否按要求正常進行等。

數據處理階段主要包括相片質量檢查、空三加密、真正射糾正、三維建模以及DSM生成、立體測圖、成果整理等[4]。

1.3 無人機傾斜攝影測量的優勢

無人機傾斜攝影測量技術的優勢有：一是可以反映被測場景的真實情況：無人機攝影測量可以獲得被測場景的高度、外觀以及位置等數據信息，根據三維數據構建的被測場景三維模型相較于人工模型仿真度更高，更具真實感。二是性價比更高：無人機傾斜攝影測量依賴于技術上的優勢，相較于傳統航攝對于人員需求較小，總體上成本投入較低，并且輸出的成果可以有效滿足需求，整體性價比更高。三是工作效率高：其采用的自動化三維建模，相較于人工建模，效率更好，工作周期大大縮短[5]。

2 無人機傾斜攝影測量三維建模

無人機傾斜攝影測量構建三維模型是在外業獲取影像后進行的數據處理，經過影像匹配、空三加密、紋理映射等生成三維模型。目前處理軟件很多，本文研究主要運用Smart3D 軟件，主要模塊包括Master、Setting、Engine、Viewer 等；Master 是一個人機交互界面、Setting是一個中間媒介、Engine是引擎端、Viewer可預覽生成的三維模型。應用該軟件可以構建出帶有紋理的一個模型，整體上更加真實、直觀[6]。

2.1 三維建模的基本原理

Smart3D 傾斜攝影測量三維建模的基本原理是利用空三加密計算出連接點，以連接點為基礎構建不規則三角網TIN，進而生成三維框模，然后利用軟件在三維框模中輸入航攝影像資料，由軟件完成自動映射，進而輸出完整的被測場景三維模型。

2.2 三維建模具體處理

2.2.1 準備工作

在三維建模之前做好相關準備工作，主要包括：整理并檢查外業獲取到的原始影像資料的質量；按照既定的格式與順序創建相關數據信息表格；原始影像資料導入處理軟件，為后續數據處理以及建模做好準備。

2.2.2 空三加密

從獲取影像資料中提取出大量特征點，然后根據五個拍攝方位對提取的特征點開始同名同點匹配，找出不同影像中與之對應的外方位元素。完成空三加密操作后，可以查詢相關位置的信息或者其他情況，比如空三點位置密度、航帶全部飛行情況、單個影像資料覆蓋范圍等[7]。

2.2.3 導入控制點

一般情況下，在導入控制點之后還需要再次重復空三加密操作，如果在首次空三加密利用數據信息表格文件完成了Block導入，可以省略此項操作。選擇在空三加密之后進行控制點導入主要是重復2次空三加密操作所需要的時間明顯少于完成控制點導入后再進行空三加密的時間，并且還可以利用空三加密對航帶的詳細情況進行了解，可以有效提升匹配控制點對應位置的效率[8]。

2.2.4 模型貼圖

完成上述操作流程后，需要進行模型分塊，此項工作主要是通過選擇tile 的尺寸完成。模型分塊操作結束之后，需要導出Smart3D 計算結果當中不夠理想的部分，并利用第三方軟件進行修改、編輯，重新整合數據，確保數據的有效性、準確性。最后利用Smart3D的回爐功能重新修改三維模型，并輸出新的結果，進而構建出被測場景的三維模型。

3 無人機傾斜攝影測量的應用

無人機傾斜攝影測量相較于傳統的航攝方式應用范圍更加廣泛、效率更高，其生成的三維模型在城市規劃、大比例尺測圖、礦山測量、應急測繪保障等多方面均可以得到有效應用。

3.1 城市規劃

通過無人機傾斜攝影測量收集城市各區域地形地貌，對政府進行城市規劃、建筑選址等多方面可以提供參考，甚至可以將工程建筑模型與傾斜攝影測量三維模型進行拼接，呈現出工程竣工后的真實效果。現階段，在城市規劃設計中，主要使用的數字化地圖，這對于非專業人士而言，不夠直觀、真實，如果可以無人機傾斜攝影測量的影像資料與項目鳥瞰圖結合，可以呈現更加直觀的效果，可以分析項目與周邊環境是否協調，這對于政府做出決策具有重要作用[9]。

3.2 大比例尺測圖

相較于傳統的航空拍攝測量，無人機傾斜攝影測量由于采用的無人機拍攝，拍攝高度相對較低，拍攝的影像分辨率更高，因此，根據傾斜攝影測量的影像資料完成的大比例尺測圖其精度更高[10]。近幾年在農村集體土地確權、不動產測繪等大比例尺測繪中得到廣泛應用，并取得了較好的效果。

3.3 礦區測量

通過無人機傾斜攝影測量拍攝的影像數據，生成三維模型可以更加真實地反映出礦坑的地形地貌，尤其是深坑、陡坎、懸崖陡壁等。現階段，保護環境是大勢所趨，利用無人機傾斜攝影測量影像資料生成的三維模型可以準確反映出礦坑的實際情況，在礦區整治、修復以及開發利用等方面可以發揮極大的作用。某礦區經過多年開采后，目前已經成為廢棄礦坑，政府計劃對礦區進行開發利用，但是其中一個礦坑深入地下百余米，邊緣位置接近于垂直，測量人員難以進入坑底，因此選擇利用無人機傾斜攝影測量，生成三維模型，真實反映了礦坑的地形地貌，為政府決策提供了參考依據[11]。

3.4 兩違管控

將當前無人機傾斜攝影測量的數據與以往的房屋輪廓線以及層高dwg 數據與進行套合，可以直觀地分辨出被測區域內的房屋是否有新建或者拆遷的情況。一般情況下，選用正射影像進行對比，然而如果建筑增加層數或者改變用途，采用正射影像無法有效體現。比如部分違規建筑是在建筑頂層搭建鋼構房屋，正射影像無法反映出建筑變更，此時就需要利用三維模型，這樣可以直觀反映建筑層高、建筑高度以及建筑材質。將以往的dwg 數據與之進行對比，可以直觀反映建筑是否存在增建、改建以及拆除的情況，這可以有效降低“兩違管控”的工作難度，同時在拆遷方面也可以得到有效應用。

4 小結

綜上所述，無人機傾斜攝影測量在各行業得到廣泛應用，并帶來了較大的便利；該技術能夠獲取更加準確、豐富的數據信息，能夠方便應用于重設三維的智能實體中，可以降低測繪成本。在今后的發展中，還需不斷發覺、研究、嘗試更多的先進技術，如紅外技術、雷達技術等在傾斜攝影測量中的應用，通過無人機技術的續航能力和穩定性進一步加強，測量范圍進一步擴大，結合三維建模技術獲取更多更準確的信息和數據，可以預見必然會獲得更大的發展，更多行業領域的應用[12]。