城市傾斜攝影模型的建立與質(zhì)量控制研究

劉德強(qiáng)　韋波　葉茂　韋霄霄

【摘 要】經(jīng)過幾年的發(fā)展，傾斜攝影測量技術(shù)在測繪行業(yè)及城市規(guī)劃行業(yè)已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)具有省時、高效、成本低的特點(diǎn)，因此成為展示三維虛擬空間必不可少的手段。文章以廣西南寧市部分地區(qū)作為研究區(qū)域，通過對傾斜攝影測量技術(shù)的數(shù)據(jù)采集及模型生產(chǎn)進(jìn)行試驗，研究出了一套標(biāo)準(zhǔn)化的傾斜攝影建模方法，能夠保證傾斜攝影模型的高精度及高質(zhì)量。該方法的推廣能夠使傾斜攝影測量技術(shù)在實際應(yīng)用中有高效高質(zhì)量的產(chǎn)出。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī);傾斜攝影模型;質(zhì)量控制

【中圖分類號】P231 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）01-0080-03

0 前言

傳統(tǒng)攝影測量人工三維建模工作量大、耗時長、費(fèi)用高，不能滿足當(dāng)代發(fā)展需求[1]。在現(xiàn)代技術(shù)快速更新?lián)Q代及城市規(guī)劃及其他業(yè)務(wù)的迫切需求下，傾斜攝影測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)。應(yīng)用它能夠快速、高效、精確地進(jìn)行實景三維建模[2]。但是，現(xiàn)有的模型的建立方式存在模型質(zhì)量不高、精度不夠等問題。本文探索出了一套完整的精確、快速建立高質(zhì)量模型的技術(shù)體系，從而能夠?qū)崿F(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到模型的快速生產(chǎn)及質(zhì)量控制。

1 傾斜攝影測量簡介

量測型傾斜攝影技術(shù)是近幾年來測繪領(lǐng)域發(fā)展起來的一項新興、熱門技術(shù)，一般是以一個飛行平臺作為載體來搭載多臺量測型相機(jī)，多臺相機(jī)同時工作，這樣就能獲取一個垂直、多個（一般是4個）傾斜等多個不同角度采集的影像（如圖1所示），通過采集的不同角度的影像及POS信息，它同時也融合了正射和傾斜影像，利用已有的傾斜攝影模型生成軟件自動實現(xiàn)建筑物三維傾斜模型的建立，包括側(cè)面紋理和貼圖采集及自動生成[3]。

快速構(gòu)建三維模型的原理是在圖形運(yùn)算單元（CPU）的基礎(chǔ)上[4]，通過無人機(jī)飛行平臺獲得的傾斜影像、照片等數(shù)據(jù)經(jīng)過幾何糾正、聯(lián)合平差、點(diǎn)云生成、三角網(wǎng)構(gòu)建、自動賦予紋理等步驟，三維模型建立成功[5-6]。與傳統(tǒng)人工建模對比，傾斜攝影模型具有擬真程度更高（實景）、建設(shè)周期更短、費(fèi)用成本低等顯著特點(diǎn)[7]。

2 研究內(nèi)容與研究方法

本研究旨在對現(xiàn)代以無人機(jī)為飛行平臺的傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行探索，以形成一套實用的可控的技術(shù)路線來應(yīng)對日益增長的三維模型建設(shè)需求，以期能夠更精確、更直觀地展示城市當(dāng)前面貌，更準(zhǔn)確地與當(dāng)前測繪數(shù)據(jù)結(jié)合，能夠?qū)嶋H應(yīng)用到城市規(guī)劃及其他領(lǐng)域中。

通過對傾斜攝影技術(shù)的研究與探索，經(jīng)過基于控制變量法的不同條件下的針對性的測試性數(shù)據(jù)采集，我們對數(shù)據(jù)采集經(jīng)驗及流程進(jìn)行了總結(jié)與歸納，特別是在數(shù)據(jù)采集參數(shù)控制及高質(zhì)量數(shù)據(jù)生產(chǎn)方面形成自己的技術(shù)體系。該技術(shù)體系整體分為前期區(qū)域資料搜集、任務(wù)規(guī)劃、布設(shè)控制點(diǎn)、航線規(guī)劃設(shè)計、無人機(jī)飛行參數(shù)設(shè)置、無人機(jī)自主可控數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析處理、高精度傾斜攝影模型生產(chǎn)等步驟（如圖2所示）。這些步驟的精細(xì)操作保證了最終傾斜模型的高質(zhì)量，為后期數(shù)據(jù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 研究區(qū)域簡介及飛行平臺選擇

3.1 研究區(qū)域簡介

本文實驗區(qū)域位于南寧市，南寧市位于廣西壯族自治區(qū)南部偏西，是廣西壯族自治區(qū)首府及廣西政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，總面積為22 112 km2，其中建成區(qū)面積為242 km2。南寧與越南社會主義共和國毗鄰，地處亞熱帶，北回歸線穿域而過，介于東經(jīng)107°45′～108°51′，北緯22°13′～23°32′之間，地理坐標(biāo)東經(jīng)108°22′，北緯22°48′。截至2013年底，南寧市總面積為33 112 km2，土地面積為22 112 km2[7]。

本文選取南寧市兩個地點(diǎn)作為實驗區(qū)域，一個是廣西大學(xué)片區(qū)，廣西大學(xué)位于城市中心部分，周邊建筑復(fù)雜，有開闊地也有高樓林立。另一個是木村片區(qū)，木村位于南寧市江南區(qū)江西鎮(zhèn)，距市區(qū)18 km，周圍群山環(huán)抱，土地廣闊，生態(tài)環(huán)境優(yōu)美。它是南寧市少有的古建筑群落，對飛行精度及模型質(zhì)量要求較高。

3.2 研究區(qū)域前期資料收集

前期主要搜集測圖區(qū)域的現(xiàn)有地形圖、影像資料、測區(qū)范圍等資料，并對搜集到的資料進(jìn)行核查，評價資料的可信度與可利用度?，F(xiàn)場勘察了解測圖區(qū)域內(nèi)的地物、氣象條件、高程變化、交通情況、測量控制點(diǎn)的位置及保存情況?？碧ず缶帉懠夹g(shù)設(shè)計書，進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。本文搜集到研究區(qū)域內(nèi)近幾年的地形圖、影像資料等，并進(jìn)行了現(xiàn)場探勘，對比了研究區(qū)域現(xiàn)狀與搜集資料之間的異同，確定了資料的可用性及測區(qū)范圍，并制訂了詳盡的任務(wù)規(guī)劃。

3.3 飛行平臺選擇

在對研究區(qū)域的研究中，飛行平臺的選擇至關(guān)重要。無人機(jī)是由無線設(shè)備控制操作的不載人飛機(jī)，其成本低，空域限制小，能完成載人駕駛飛機(jī)不宜執(zhí)行的多種航拍任務(wù)。無人機(jī)飛行高度低，攜帶的傾斜攝影傳感器所拍攝出的相片分辨率高，顏色真實，能夠提高所構(gòu)建模型質(zhì)量。本文經(jīng)過相機(jī)分辨率、控制距離、飛行高度、飛行時間、懸停精度、飛控系統(tǒng)等方面的比較，最終選擇“大疆”專業(yè)級四軸飛行器精靈4pro。

4 傾斜攝影的數(shù)據(jù)的外業(yè)采集

在開始飛行采集數(shù)據(jù)之前，本研究根據(jù)地形圖及現(xiàn)場勘察對搜集的控制點(diǎn)信息進(jìn)行了校正、替換、補(bǔ)充，確?？刂泣c(diǎn)在影像清晰的明顯地物點(diǎn)上，并且盡量布設(shè)在上下兩條航線重疊范圍內(nèi)，確保布設(shè)的控制點(diǎn)能用于多張相片。并在空中三角測量作業(yè)區(qū)域中間布設(shè)檢查點(diǎn)，本研究選擇高程精度和平面精度最弱處進(jìn)行檢查點(diǎn)布設(shè)。總共布設(shè)可控制點(diǎn)60個，檢查點(diǎn)90個。拍攝天氣條件為晴朗，可是距離長，風(fēng)速小，在上午10時到下午15時之間進(jìn)行拍攝，航向重疊度為70%，旁向重疊度為50%，設(shè)計航線共6條。對研究區(qū)測區(qū)范圍、建筑物高度進(jìn)行測算后，確定廣西大學(xué)區(qū)域航行高度為120 m，最高分辨率可達(dá)2.5 cm;木村區(qū)域為80 m，最高分辨率可達(dá)1 cm。航攝完成之后，對區(qū)域內(nèi)樹木與建筑臨近區(qū)域及橋梁區(qū)域進(jìn)行地面補(bǔ)拍。飛行完畢后，獲取數(shù)據(jù)，并對獲取的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查，對不滿足要求的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)飛，直到獲取的影像質(zhì)量滿足要求。

5 傾斜攝影模型的內(nèi)業(yè)生產(chǎn)

在航攝過程中，由于拍攝時間及拍攝空間的變化會造成影像之間的色彩偏差，所以需要經(jīng)過勻光勻色處理才能生成合格的影像。為了保證影像及模型的精度和質(zhì)量，需要進(jìn)行幾何校正、同名點(diǎn)匹配、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，平差后得到含有3個坐標(biāo)、3個方向角信息的數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)對航攝得到的傾斜影像進(jìn)行處理，確保影像能夠在虛擬三維空間中匹配到精確的位置和姿態(tài)，使得影像上的像元能對應(yīng)實際真實的地理位置，傾斜攝影模型內(nèi)業(yè)生產(chǎn)流程如圖3所示。

本研究采用全自動化的生產(chǎn)方式來生產(chǎn)傾斜攝影模型，利用Bently公司的Context Capture（Smart3D）軟件生產(chǎn)三維模型，應(yīng)用該軟件生產(chǎn)模型一般需要以下幾個步驟：對POS數(shù)據(jù)、航攝采集影像、相機(jī)文件進(jìn)行預(yù)處理;導(dǎo)入處理合格后的影像進(jìn)行質(zhì)量檢查;控制點(diǎn)基準(zhǔn)量測;“空三”加密解算;多視角影像密集匹配;三維TIN網(wǎng)格構(gòu)建;白體三維模型創(chuàng)建;自助紋理映射;三維模型建模。在模型構(gòu)建過程中在影像的基礎(chǔ)上生成超高密度點(diǎn)云，TIN模型由點(diǎn)云構(gòu)建生成（如圖4所示）。廣西大學(xué)研究區(qū)域模型如圖5所示，木村研究區(qū)域模型如圖6所示。

6 總結(jié)

本文根據(jù)對南寧市部分研究區(qū)域傾斜攝影三維建模，總結(jié)出了一套從傾斜攝影數(shù)據(jù)采集到傾斜攝影模型生產(chǎn)的技術(shù)方法。應(yīng)用該方法能夠節(jié)約傾斜攝影數(shù)據(jù)采集的時間及精確度，能夠提升生產(chǎn)傾斜攝影模型的質(zhì)量。該方法能夠形成一個傾斜攝影測量技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，能夠進(jìn)行推廣以提高業(yè)界的傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用水平。由于研究區(qū)域的局限性及流程檢驗的不充分性，因此本研究所提出的方法還有待繼續(xù)試驗改進(jìn)，為彌補(bǔ)這一不足還需要將該方法應(yīng)用到更多的模型生產(chǎn)中去。

參 考 文 獻(xiàn)

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