無(wú)人機(jī)傾斜攝影在實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)中的應(yīng)用研究

張艷麗 楊峰

摘要：“十四五”任務(wù)指出，實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)是新型基礎(chǔ)測(cè)繪的組成部分之一，而實(shí)景三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)主要采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)。本文從傾斜攝影技術(shù)入手，以實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目為案例，對(duì)實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)流程進(jìn)行了介紹，并針對(duì)模型存在的拉花、變形、孔洞等問(wèn)題，進(jìn)行了深入分析，提出切實(shí)可行的解決方案。采用DP-Modeler軟件對(duì)問(wèn)題模型進(jìn)行了處理，取得了較好的模型展示效果。本文的研究，以期為實(shí)景三維中國(guó)的建設(shè)帶來(lái)借鑒。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；傾斜攝影；實(shí)景三維中國(guó)；單體化；實(shí)景三維模型

中圖分類(lèi)號(hào)：P231? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）07-0107-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)是“十四五”時(shí)期提出的一項(xiàng)全國(guó)性的測(cè)繪行業(yè)的任務(wù)，從國(guó)家層面到地方都要求按時(shí)高質(zhì)量完成。實(shí)景三維城市建模可采用傳統(tǒng)的垂直攝影測(cè)量方式，基于虛擬立體像對(duì)采集建筑物的頂部信息和量取建筑物的長(zhǎng)寬高等，這種方式由于獲取的側(cè)面信息較少，后期貼圖需要外業(yè)利用數(shù)碼相機(jī)補(bǔ)拍，然后往建筑物上貼圖，補(bǔ)拍的照片坐標(biāo)系任意，并且分辨率差異大，貼圖的過(guò)程中，會(huì)對(duì)照片進(jìn)行拉伸旋轉(zhuǎn)等一系列操作，導(dǎo)致最終貼圖與實(shí)際相差較大[1-3]。也可采用三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)地面和航空方式獲取密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)一系列濾波處理等操作，將異常點(diǎn)剔除，然后基于密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集建筑物的結(jié)構(gòu)，量取建筑物的長(zhǎng)寬高等。這種方式獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量大，對(duì)作業(yè)人員能力要求高，對(duì)電腦配置要求也高，并且獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)前期處理工作量大，貼圖也是補(bǔ)拍方式獲取，生產(chǎn)的實(shí)景模型與實(shí)際相差較大[4-6]。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)搭載傾斜相機(jī)被廣泛用于城市建模，本文首先介紹了傾斜攝影原理，并以某一作業(yè)項(xiàng)目為例，對(duì)建模流程進(jìn)行說(shuō)明。并對(duì)模型存在的拉花、變形、孔洞等問(wèn)題，從原理上進(jìn)行深入分析，提出切實(shí)可行的方案，并采用DP-Modeler軟件對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了處理。通過(guò)對(duì)處理前后的模型進(jìn)行對(duì)比可知，采用單體化方式處理的模型，其展示效果較好，可以滿足實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)的要求。

1 傾斜攝影測(cè)量

傾斜攝影測(cè)量是指在飛行平臺(tái)上，搭載多個(gè)相機(jī)，通過(guò)飛控控制多個(gè)相機(jī)同時(shí)曝光拍照，并將下視相機(jī)曝光時(shí)的位置和姿態(tài)記錄下來(lái)，然后利用攝影測(cè)量軟件解算，得到數(shù)字正射影像、實(shí)景三維模型等具有量測(cè)特性的成果。傾斜攝影相機(jī)一般有2鏡頭、3鏡頭、5鏡頭等，其獲取影像的視角不同，獲取的照片數(shù)不同，目前常用的是5鏡頭組合，包含1個(gè)下視和4個(gè)側(cè)視，下視獲取被攝物體頂部紋理數(shù)據(jù)，側(cè)視獲取被攝物體側(cè)面紋理數(shù)據(jù)。5鏡頭航攝示意圖如圖1所示。

2 案例分析

某市要開(kāi)展實(shí)景三維模型生產(chǎn)，要求獲取建成區(qū)2cm分辨率的傾斜影像，完成實(shí)景三維模型生產(chǎn)，并對(duì)部分建筑進(jìn)行單體化處理，對(duì)場(chǎng)景中的空洞、拉花、變形等問(wèn)題進(jìn)行處理。筆者在對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行分析后，提出如圖2所示的作業(yè)方案，并對(duì)其主要環(huán)節(jié)進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 測(cè)區(qū)勘查與資料收集

本次任務(wù)區(qū)面積約30km2，地勢(shì)平坦，最高樓約100m。收集到該區(qū)域0.2m分辨率的正射影像，其現(xiàn)勢(shì)性為2022年，可用于本次像控點(diǎn)布設(shè)以及測(cè)量的底圖和路線規(guī)劃圖。

2.2 飛機(jī)與相機(jī)選擇

結(jié)合測(cè)區(qū)勘查情況，本次作業(yè)選擇多旋翼無(wú)人機(jī)搭載傾斜5鏡頭相機(jī)。在相機(jī)選擇時(shí)，選擇下視焦距為35mm，側(cè)視焦距為50mm，像元大小為4.52um，像幅為7952*5304的相機(jī)，其中側(cè)視相機(jī)與下視相機(jī)夾角為45度，在記錄POS數(shù)據(jù)時(shí)，只記錄下視相機(jī)對(duì)應(yīng)的POS。

2.3 控制測(cè)量

為了保證本次成果精度符合項(xiàng)目要求，在航攝實(shí)施前進(jìn)行像控點(diǎn)的布點(diǎn)與采集。基于已有影像，間隔400m均勻布設(shè)點(diǎn)位，并將點(diǎn)位標(biāo)注到影像上，導(dǎo)出電子圖存到平板中，并對(duì)測(cè)點(diǎn)路線進(jìn)行規(guī)劃，確保高效率完成像控點(diǎn)的測(cè)量工作。像控點(diǎn)點(diǎn)位選取時(shí)，盡量選取四周空曠，點(diǎn)位明確的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在沒(méi)有符合要求的點(diǎn)位時(shí)，采用噴涂靶標(biāo)的方式進(jìn)行點(diǎn)位噴涂，然后對(duì)靶標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。在航攝前，要確保靶標(biāo)完整不被損壞。在對(duì)點(diǎn)位坐標(biāo)測(cè)量時(shí)，多次測(cè)量取平均值。為了內(nèi)業(yè)對(duì)點(diǎn)位準(zhǔn)確判斷與轉(zhuǎn)刺，在測(cè)量時(shí)，從不同視角、遠(yuǎn)近距離分別拍攝像控點(diǎn)實(shí)地測(cè)量照片。

2.4 航空攝影實(shí)施

遵循相關(guān)法律，對(duì)任務(wù)區(qū)空域進(jìn)行申請(qǐng)，然后按照空域批復(fù)文件中的范圍、航攝高度、作業(yè)時(shí)間段作業(yè)。在作業(yè)前，結(jié)合空域批復(fù)文件內(nèi)容，完成航線的規(guī)劃，并將航線上傳飛控。在確保起飛環(huán)境安全時(shí)，完成無(wú)人機(jī)的起飛與數(shù)據(jù)采集，并對(duì)航攝影像成果質(zhì)量進(jìn)行檢查，主要檢查影像的對(duì)比度和亮度。通過(guò)人機(jī)交互方式查看本次成果，影像對(duì)比度適中，亮度適中，符合本次項(xiàng)目要求。POS數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和下視相機(jī)影像對(duì)應(yīng)完整，未出現(xiàn)丟失POS或影像問(wèn)題，成果可直接用于后續(xù)數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

2.5 空三加密與平差調(diào)整

本次數(shù)據(jù)解算選用瞰景Smart3D軟件。由于任務(wù)區(qū)面積大，在進(jìn)行空三解算時(shí)，將任務(wù)區(qū)分為4部分，在接邊區(qū)域，互相重疊3個(gè)展點(diǎn)，保留共用的一部分像控點(diǎn)。新建工程，將POS數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)加載到軟件中，完善每個(gè)鏡頭的焦距參數(shù)，提交空三任務(wù)，開(kāi)啟引擎，進(jìn)行空三加密解算。在完成自由網(wǎng)空三解算后，查看空三報(bào)告，加密點(diǎn)重投影中誤差為0.412個(gè)像素，影像平均分辨率為1.9cm，成果精度良好。設(shè)置空三坐標(biāo)系統(tǒng)，導(dǎo)入像控點(diǎn)并轉(zhuǎn)刺，并完成帶像控點(diǎn)的平差調(diào)整。通過(guò)查看平差報(bào)告，像控點(diǎn)在平面和高程方向較差均小于0.01m，成果精度高，可直接用于模型生產(chǎn)。對(duì)于接邊區(qū)域，分別進(jìn)行公共點(diǎn)的轉(zhuǎn)刺與平差，并將符合要求的空三進(jìn)行合并。

2.6 實(shí)景三維模型生產(chǎn)

為了便于模型的管理，本次在生產(chǎn)模型時(shí)，將設(shè)置瓦片命名和模型偏移的原點(diǎn)設(shè)置為同一個(gè)數(shù)，并且其位置基本上位于測(cè)區(qū)中心。設(shè)置模型空間框架和像控點(diǎn)坐標(biāo)系一致，導(dǎo)入任務(wù)區(qū)范圍線，并對(duì)其緩沖50m，設(shè)置瓦片大小為100m×100m，分塊方式為水平規(guī)則格網(wǎng)劃分，模型輸出格式為OSGB和OBJ，如圖3所示，是本次得到的部分模型。

2.7 實(shí)景三維模型優(yōu)化

采用人機(jī)交互方式對(duì)實(shí)景三維模型查看，對(duì)存在的問(wèn)題起因進(jìn)行分析，并利用DP-Modeler軟件，對(duì)問(wèn)題模型進(jìn)行處理。

2.7.1 建筑物底部模型拉花

傾斜攝影是從空中對(duì)地面進(jìn)行的一種攝影，其在獲取影像時(shí)，由于建筑物的互相遮擋，伸出屋檐的遮擋等，會(huì)導(dǎo)致獲取的數(shù)據(jù)存在盲區(qū)。在進(jìn)行空中三角測(cè)量解算時(shí)，其提取的是同名點(diǎn)，對(duì)于盲區(qū)區(qū)域，由于缺少影像，導(dǎo)致無(wú)法提取同名點(diǎn)和匹配點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此在后期構(gòu)建三角網(wǎng)的時(shí)候，無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，從而導(dǎo)致模型結(jié)構(gòu)拉花。在紋理映射時(shí)，沒(méi)有準(zhǔn)確的影像映射紋理，從而會(huì)導(dǎo)致映射紋理拉花。

對(duì)于建筑物底部模型拉花問(wèn)題，目前主要采用兩種方式進(jìn)行處理。一種是利用傾斜攝影數(shù)據(jù)和地面掃描的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合建模。利用掃描的數(shù)據(jù)構(gòu)建準(zhǔn)確的建筑結(jié)構(gòu)，并將彩色紋理映射到模型上。這種方式要求傾斜數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度極高，才可以準(zhǔn)確融合，作業(yè)難度較大。另一種是直接利用單體化軟件，結(jié)合虛擬立體像對(duì)，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)重建，然后利用補(bǔ)拍的照片進(jìn)行紋理映射，從而得到結(jié)構(gòu)符合要求的模型成果。本次采用DP-Modeler軟件，對(duì)部分建筑物進(jìn)行單體化處理，其優(yōu)化前后對(duì)比如圖4所示。

2.7.2 薄墻壁易出現(xiàn)孔洞

在空三解算時(shí)，薄墻壁的兩側(cè)都會(huì)提取到同名點(diǎn)，然后基于多視影像密集匹配算法，會(huì)在墻壁的兩側(cè)提取大量的密集三維點(diǎn)數(shù)據(jù)。在后期進(jìn)行三角網(wǎng)構(gòu)建時(shí)，正常應(yīng)該是同側(cè)點(diǎn)云構(gòu)建三角網(wǎng)。而按照三角網(wǎng)構(gòu)網(wǎng)原則，要求構(gòu)建的三角網(wǎng)符合鄰近點(diǎn)構(gòu)網(wǎng)，又要滿足三邊之和最小原則，因此會(huì)出現(xiàn)墻壁兩側(cè)的點(diǎn)構(gòu)建同一個(gè)三角網(wǎng)，從而導(dǎo)致墻壁出現(xiàn)孔洞。

對(duì)于薄墻壁出現(xiàn)孔洞問(wèn)題，目前主要的優(yōu)化方案有三種。第一種方案是從點(diǎn)的數(shù)量角度出發(fā)，即改變匹配算法，獲取更加密集的點(diǎn)云，或者獲取更高分辨率的影像，進(jìn)行密集點(diǎn)云的匹配；第二種方案是采用第三方軟件，直接對(duì)墻壁上的孔洞進(jìn)行填補(bǔ)。即利用周邊的點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)孔洞進(jìn)行三角網(wǎng)的擬合，然后對(duì)紋理進(jìn)行修飾；第三種方案是采用單體化方式，直接舍棄原有模型，然后重建薄墻壁。本次采用DP-Modeler軟件，采用單體化的方式對(duì)薄墻壁進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后對(duì)比圖如圖5所示。

2.7.3 路燈、獨(dú)立樹(shù)木易形成懸浮物

對(duì)于路燈和獨(dú)立樹(shù)木這類(lèi)地物，在進(jìn)行密集點(diǎn)云匹配時(shí)，由于其細(xì)小等特征，導(dǎo)致匹配的點(diǎn)云數(shù)量較少，在進(jìn)行三角網(wǎng)的構(gòu)建時(shí)，由于點(diǎn)數(shù)量無(wú)法滿足構(gòu)網(wǎng)需求，因此會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域無(wú)法構(gòu)網(wǎng)，從而形成孤立的三角網(wǎng)，紋理映射完成后，就形成所說(shuō)的懸浮物。

對(duì)于上述這種問(wèn)題，目前處理的方式主要有兩種，第一種方案是從點(diǎn)的數(shù)量角度出發(fā)，即改變匹配算法，獲取更加密集的點(diǎn)云，或者獲取更高分辨率的影像，進(jìn)行密集點(diǎn)云的匹配；第二種方案是直接對(duì)模型中的懸浮物進(jìn)行刪除。因?yàn)樵谀承╉?xiàng)目要求中，為了體現(xiàn)場(chǎng)景的干凈整潔，對(duì)懸浮物進(jìn)行刪除即可。本次采用DP-Modeler軟件，直接對(duì)懸浮物進(jìn)行刪除，懸浮物刪除前后對(duì)比圖如圖6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)項(xiàng)目為例，對(duì)傾斜攝影在實(shí)景三維模型生產(chǎn)中的流程進(jìn)行了說(shuō)明，并分析了模型存在問(wèn)題的原因，給出可行的解決方案，并對(duì)問(wèn)題模型進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)處理前后的模型進(jìn)行對(duì)比查看可得出，采用本文方案得到的模型成果，其可以滿足實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)要求，本文的研究可以為實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)帶來(lái)借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏軍，于洪雨，靳巧珠，等.無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)在農(nóng)村房地一體確權(quán)登記項(xiàng)目中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪與空間地理信息，2023，46（2）：60-63.

[2]王萍，魏軍，茍彥梅.基于Smart3D和SVS軟件的實(shí)景三維模型生產(chǎn)[J].測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化，2022，38（4）：15-19.

[3] 張懂慶，魏軍，王萍.三種傾斜攝影建模軟件對(duì)比分析[J].測(cè)繪技術(shù)裝備，2022，24（3）：114-119.

[4] 魏軍.傾斜攝影數(shù)據(jù)處理成果的質(zhì)量檢查與評(píng)定[J].測(cè)繪，2021，44（3）：124-127.

[5]蔣汪洋，和璇.基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)探討[J].測(cè)繪與空間地理信息，2023，46（S1）：275-278.

[6] 陸士好.傾斜攝影測(cè)量實(shí)景三維模型的精細(xì)化修整[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（江蘇），2022.

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