無人機傾斜攝影在城市三維模型構建中的應用研究

摘要：文章探討無人機傾斜攝影技術在城市三維模型構建中的應用。闡述了傾斜攝影原理、城市三維模型構建流程，并以某城市為例，詳細介紹了關鍵技術，最終獲得平面、高程中誤差均在5cm內的城市三維模型。此外，針對建筑物模型變形問題提出了優化方案，有效提升了模型精度和整體質量，為城市三維模型構建提供了參考。

關鍵詞：無人機；傾斜攝影；城市三維模型；實景三維模型；精度分析；變形處理

中圖分類號：P231" " "文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）21-0095-03

開放科學（資源服務） 標識碼（OSID）

0 引言

隨著“數字城市”“智慧城市”建設的推進，對高精度城市三維模型的需求日益增長。傳統建模方法依賴地形圖、地籍圖和人工測量，效率低、精度有限，且模型難以真實反映城市現狀[1-2]。為獲取更精細、真實的城市三維模型，實景三維中國建設項目應運而生。本文研究無人機傾斜攝影技術在城市三維模型構建中的應用，重點探討傾斜攝影原理、建模流程及關鍵技術，并以某城市為例，展示了該方法的實際應用效果，并提出了針對建筑物模型變形的優化方案，最終獲得高精度城市三維模型，為相關研究提供參考。

1 無人機傾斜攝影

1.1 無人機傾斜攝影原理

無人機傾斜攝影技術利用搭載傾斜攝影測量設備的無人機平臺，獲取高分辨率影像數據及相機位置姿態信息，用于構建實景三維模型[3-4]。常用的飛行平臺包括旋翼機和固定翼，傾斜設備通常配備2至5個，甚至更多鏡頭，采用固定焦距的非量測數碼相機[5]。以5鏡頭相機為例，同步曝光采集五張影像，并記錄下視相機的位置姿態信息，用于后續數據解算（見圖1） 。

1.2 無人機傾斜攝影特點

相比傳統方法，無人機傾斜攝影具有以下特點： 1） 信息更豐富：可同時采集目標物頂部、側面紋理，減少航攝盲區，提供更全面的三維信息。 2） 分辨率更高：低空飛行結合高分辨率相機和長焦鏡頭，可實現厘米級影像分辨率，例如實景三維中國建設項目中通常達到2～3cm分辨率，精細刻畫地物特征。 3） 真實反映現狀：傾斜影像記錄真實場景，后期處理可高度還原城市現狀，便于城市規劃和管理。 4） 成果精度更高：豐富的影像信息和約束條件，可獲得更高精度的三維模型，并基于高精度數字表面模型生成數字正射影像，避免了傳統方法中高樓歪斜的問題，實現二三維數據成果的同步獲取。

2 城市三維模型構建流程

采用傾斜攝影方式獲取城市影像數據，結合采集的像控點，進行高精度空中三角測量解算和三維模型構建，其主要流程如圖2所示。

3 應用實例

某城市開展實景三維中國建設項目，在分析了傾斜攝影技術后，決定采用無人機搭載傾斜相機進行影像數據的采集，并利用地面像控點進行高精度城市三維模型的構建。下面對作業中的關鍵技術進行詳細說明。

3.1 像控點采集

像控點是對影像位置進行校正的，其實際上是對解算的加密點坐標進行轉換和校正。像控點一般采集的是目標坐標系統，實景三維中國建設項目中，都是按照高斯—克呂格3度投影分帶的，對應的都是2000國家大地坐標系。本次像控點主要分為內業布設、外業噴涂和測量三部分。首先將建成區范圍線加載到收集的影像上，按照500米的間隔在影像上完成像控點點位的初步確定，然后結合影像底圖，找到實際位置，采用油漆噴涂或固定靶標的方式，進行點位的確定，利用GNSS-RTK采集點位坐標。在采集點位坐標時，要求GNSS-RTK設備氣泡居中，儀器狀態為固定解，每個點位坐標采集3～5次，且多次的較差均要求小于2 cm，對于超過的測量值，作為粗差剔除，對符合要求的坐標，取均值作為該點最終的測量值。在像控點分布稀疏區域，均勻采集10個檢測點，用來對后期的三維模型成果精度進行檢測。如圖3所示，是本次實地噴涂的像控點點位。

3.2 航線規劃與影像采集

像控點坐標采集完成后，在航跡大師（WayPoint Master3.9） 航線規劃軟件中，結合建成區范圍線，進行航線的規劃。本次采用六旋翼無人機搭載下視35 mm、側視50 mm的5鏡頭傾斜相機進行影像數據的采集，設計采集地面影像分辨率為2.5 cm，采集影像的重疊度設置航向80%、旁向75%，航攝高度200 m。在完成空域申請報備和起飛場地選址后，對航攝前的各項設備進行檢查，包括試拍影像、電源、螺旋槳的穩固性等。在確保符合航攝要求后，通過地面站控制無人機起飛并采集影像數據。采集完成后，下載影像數據并導出POS數據，用于后續空中三角測量解算。

3.3 空中三角測量解算

空三加密也叫空中三角測量，是基于影像之間的重疊關系，采用影像匹配算法對相關影像進行解算匹配，對其曝光時的位置和姿態進行解算。空中三角測量解算主要包含的內容有影像金字塔創建、特征檢測與提取、圖像相似度計算、特征匹配與平差調整等。沒加像控點得到的平差成果一般稱為自由網空三成果，導入像控點并將像控點轉刺到對應的影像上，采用光束法區域網平差方法對影像上的加密點坐標進行平差調整，得到的空三加密成果一般稱為絕對定向空三成果，也是最終得到的空三成果。本次采用瞰景Smart3D軟件對城區影像進行解算，在解算前，利用Photoshop軟件對所有影像的顏色亮度進行了調整，這樣可以降低后期模型成果的色差。解算過程中，對像控點位于影像中間部分的點位進行了像控點的轉刺，并設置檢測點類型為不參與平差，對空三誤差進行了統計。10個檢測點的三維誤差最大為0.011 m，像控點的三維誤差最大為0.004 m，加密點重投影的中誤差為0.031個像素，空三精度良好，符合本項目數據生產的要求。

3.4 城市三維模型構建

采用專業的建模軟件瞰景Smart3D，基于空中三角測量成果，進行多視影像密集匹配、稠密點云生成、三角網構建和紋理映射。得到如圖4所示的城市實景三維模型成果。

在三維模型構建中，對模型的切片大小進行了設置，因為是集群作業，設置瓦片大小以低配電腦的為參照。本次集群作業中，配置最低的電腦內存是32G，因此在設置瓦片大小時，所需內存不超過16G為佳。本次設置瓦片大小為100m×100m，由于建成區范圍較大，建模需要 分成多個塊來完成，因此對瓦片切片原點和模型偏移原點進行統一設置，這樣確保后期模型可以合并到一起，并且瓦片名無重復。

3.5 城市三維模型精度分析

實景三維模型誤差的來源主要有三部分：一是像控點誤差，二是影像解算誤差，三是檢測誤差。像控點誤差主要來源于外業像控點的采集誤差和內業點位轉刺誤差。采集誤差主要是因為水準氣泡未居中，衛星信號不強，儀器狀態在固定解和浮點解之間來回跳動時進行了點位坐標的采集。內業誤差主要是因為采集的影像像控點點位比較模糊，未準確轉刺像控點。影像解算誤差是指在整個解算過程中，包括解算加密點、匹配同名點、構建三角網、紋理自動映射等，按照誤差累積傳遞，每一個環節解算都會存在誤差，從而導致最終的成果誤差較大。利用檢測點對模型精度進行檢測，不同人員對模型的精度檢測結果也是不一樣的，對模型識別不到位，就會導致檢測誤差較大。這些都影響著模型精度的檢測統計。

利用采集的10個特征點對模型的三維精度進行檢測統計，得到表1的成果（數據已脫密處理） 。

按照平面距離計算公式，對表1中的10個點的誤差進行計算，可得到平面較差最大為0.060 m，最小為0.027 m；三維較差最大為0.086 m，最小為0.060 m，成果精度可以滿足項目需求。

利用鋼尺丈量的建筑物距離和三角測量方式獲取的建筑物高度，對實景三維模型中建筑物的邊界精度進行檢測，得到表2的成果。

由表2可以看出，三維模型的建筑物平面距離較差平均值為0.105m，高度較差平均值為0.094m，高度精度比平面精度高，這有可能是因為鋼尺變形和多次接著測量，產生的誤差較大引起的。雖然測量存在一定的誤差，但是模型整體的精度是非常高的，可以滿足項目需求。

3.6 精細化模型制作

由于傾斜攝影采集的影像存在航攝盲區、樹木遮擋等問題，因此自動化生產的實景三維是存在一定問題的，如建筑物底部變形、紋理映射錯誤，這種問題嚴重影響了模型整體的質量，因此需要對模型變形問題進行處理。對于建筑物變形問題的處理，常用的方法有兩種，即模型結構編輯和單體化模型重建。模型結構編輯，是直接在模型上對變形區域進行編輯，通過確定邊界上的兩點，來完成建筑物邊界的拉伸編輯；通過確定某一平面，對平面進行拉伸、擠壓等變形，完成建筑物結構體的編輯，最后對模型紋理進行編輯處理，得到紋理符合實際現狀的模型成果。單體化模型重建是指基于已有模型成果和恢復的立體像對模型，采集建筑物的頂點和邊界，通過點到線、線到面、面到體的方式，完成建筑物結構的重建，然后基于立體像對完成模型紋理的自動映射與編輯，得到精細化模型成果。如圖5所示，是基于智覺空間SVSmodeler軟件，結合實景三維模型和恢復的多視影像立體像對模型，采集建筑物的頂點和邊界，通過擠壓、拉升、平移等方式，制作建筑物模型的結構。基于恢復的立體像對模型和建筑物之間的對應關系，將紋理自動映射到建筑物模型上，從而得到精細化建筑模型成果。

通過對圖5（a） 和（b） 對比分析可以看出，（a） 中模型結構變形嚴重，貼圖錯誤較多，模型質量整體不高；（b） 中建筑物結構完整、無變形，紋理貼圖符合實際情況，建筑物模型質量整體較高，更符合城市三維模型建設需求。

4 結束語

本文研究了基于無人機傾斜攝影技術的城市三維模型構建方法，并通過實際案例驗證了其可行性和有效性。結果表明，該方法能夠獲取高精度、真實反映城市現狀的三維模型，并有效解決了建筑物模型變形問題。未來研究方向包括：自動化精細化建模算法研究、傾斜攝影數據與其他數據源的融合，以及三維模型在城市規劃管理中的深入應用等。

參考文獻：

[1] 朱興志，王志偉，王濤.無人機傾斜攝影在城市精細化三維模型制作中的應用[J].智能建筑與智慧城市，2024（8）：32-34.

[2] 高玉久，張亮，梁靜.無人機傾斜攝影測量在城市建筑實景三維模型重建中的應用[J].科技與創新，2024（9）：191-193.

[3] 王萍，魏軍，茍彥梅.基于Smart3D和SVS軟件的實景三維模型生產[J].測繪標準化，2022，38（4）：15-19.

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

[5] 魏軍.傾斜攝影數據處理成果的質量檢查與評定[J].測繪，2021，44（3）：124-127.

【通聯編輯：梁書】