城市實(shí)景三維建模中無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用研究

萬(wàn)麗娟

（廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510000）

1 引言

城市的建設(shè)離不開(kāi)規(guī)劃，規(guī)劃過(guò)程中對(duì)城市地形地貌進(jìn)行三維建模一直是重要的研究項(xiàng)目。由于傳統(tǒng)的三維建模技術(shù)成本很高，因此，從低空遙感無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)改進(jìn)而來(lái)的無(wú)人機(jī)傾斜攝影的重要性得到凸顯。無(wú)人機(jī)測(cè)量成本相對(duì)較低，且它的多個(gè)傳感器共同形成的三維數(shù)據(jù)解決了建模過(guò)程中的難題，成為城市規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)三維建模的重要手段。本文立足于我國(guó)當(dāng)前對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量的應(yīng)用，在論述無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理過(guò)程的同時(shí)對(duì)其技術(shù)含量以及其應(yīng)用價(jià)值做出客觀評(píng)價(jià)。

2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量與數(shù)據(jù)處理原理

2.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)原理

對(duì)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)、攝影技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的結(jié)合與應(yīng)用是在2010年被引入我國(guó)并逐漸發(fā)揚(yáng)光大的[1]。傾斜攝影技術(shù)是在無(wú)人機(jī)低空遙感技術(shù)的基礎(chǔ)上改良而來(lái)的，這兩種技術(shù)下的無(wú)人機(jī)都不會(huì)進(jìn)行超高空作業(yè)，畢竟以無(wú)人機(jī)的質(zhì)量，在面對(duì)高空的低溫和亂流時(shí)都有可能直接導(dǎo)致設(shè)備損壞。雖然有一定的局限性，但不可否認(rèn)的是，無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)融合了常規(guī)航測(cè)和低空航測(cè)的優(yōu)勢(shì)，且相比二者又有了技術(shù)方面的創(chuàng)新。傾斜攝影指的是在無(wú)人機(jī)上搭載具有多個(gè)傳感器的多頭攝像機(jī)，一個(gè)正射攝像頭搭配4個(gè)傾斜的攝像頭，從而提升測(cè)量效果。垂直攝像頭和常規(guī)航測(cè)攝像頭一樣用于4D攝影，而另外4個(gè)傾斜攝像頭則著重捕捉地面紋理（見(jiàn)圖1），利用多個(gè)攝像頭之間的對(duì)比和結(jié)合，可以對(duì)地面紋理和起伏物的高度等都有比較精準(zhǔn)的測(cè)量。無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)航測(cè)的信息精準(zhǔn)度，全面提升了城市規(guī)劃過(guò)程中三維建模的實(shí)用性。

圖1 無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量示意圖

2.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維建模技術(shù)流程

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量在三維建模工作中主要以這樣的方式發(fā)揮作用：首先，將無(wú)人機(jī)作為搭載傳感器的可移動(dòng)飛行平臺(tái)，在無(wú)人機(jī)上根據(jù)測(cè)繪的具體需求安裝具有相應(yīng)技術(shù)含量的攝像頭。目前，比較常用的是有5個(gè)感應(yīng)頭的攝像機(jī)。其次，對(duì)無(wú)人機(jī)上的攝像設(shè)備等進(jìn)行檢測(cè)，確保其性能無(wú)問(wèn)題，能夠勝任接下來(lái)的勘測(cè)工作。再次，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航線和飛行高度等方面的設(shè)定，確保無(wú)人機(jī)的安全和數(shù)據(jù)測(cè)量質(zhì)量。最后，在航測(cè)過(guò)程中通過(guò)航飛和像控測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集工作。在無(wú)人機(jī)返航后，就可以利用多視角三維空中三角測(cè)量、真三維模型自動(dòng)生產(chǎn)等技術(shù)手段將通過(guò)無(wú)人機(jī)攝像取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理，初步生成三維模型（見(jiàn)圖2），從而完成測(cè)量工作。

圖2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影初步生成的三維模型

2.3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量航線規(guī)劃

在數(shù)據(jù)采集之前進(jìn)行航線規(guī)劃是一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟，它可以很好地保證數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量。無(wú)人機(jī)的影像數(shù)據(jù)采集和普通的拍照工作大不一樣，普通的拍照工作可以人工控制無(wú)人機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行隨意無(wú)規(guī)律的拍照，而在無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量的工作中，飛機(jī)的飛行要保證一定的平穩(wěn)性，并且要根據(jù)實(shí)際情況規(guī)劃路線，并且在此航線中無(wú)人機(jī)的航高要在一定的允許范圍內(nèi)。對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，如果需要其飛行具有一定規(guī)則的航空路線，在不借助航線規(guī)劃的前提下，單靠人工通過(guò)遙控控制無(wú)人機(jī)得以操作飛行方向是不容易實(shí)現(xiàn)的。除此之外，數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中還要保證飛行速度保持勻速，以便影像采樣率均勻且影像穩(wěn)定[2]。

再則，在空中作業(yè)過(guò)程中，會(huì)受到空氣流速度的影響，使無(wú)人機(jī)的平衡性被打破，導(dǎo)致得到的影像數(shù)據(jù)模糊。建模對(duì)于像片的采樣率和重疊率有比較高的要求，光靠人工操作遙控器飛行不好把握，導(dǎo)致飛行獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量不高，從而致使需要重飛等操作，降低工作效率，所以，在數(shù)據(jù)采集前進(jìn)行航線規(guī)劃是很有必要的。一般，理想的測(cè)區(qū)形狀為矩形,也就是傳統(tǒng)航空攝影中所使用的測(cè)區(qū)形狀。矩形測(cè)區(qū)的航線規(guī)劃較為簡(jiǎn)單，采用平行航線折返拍攝即可。但實(shí)際情況中，測(cè)區(qū)的形狀很可能是非規(guī)則的多邊形甚至是長(zhǎng)條帶形狀，這會(huì)增加航線規(guī)劃和執(zhí)行的難度。

3 無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量數(shù)據(jù)處理

3.1 無(wú)人機(jī)空中三角測(cè)量點(diǎn)的加密方式

在使用無(wú)人機(jī)搭載的5攝像頭相機(jī)進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，攝像系統(tǒng)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)加密，之所以將這種測(cè)量方式稱(chēng)之為三角測(cè)量點(diǎn)，是因?yàn)閿z像過(guò)程中的投影中心點(diǎn)、地面點(diǎn)以及像點(diǎn)三者之間構(gòu)成了三角形，以這3個(gè)點(diǎn)連接而成的線條構(gòu)成了封閉三角形，每張單獨(dú)提取出的像片都是一個(gè)解算單元。每個(gè)像片之間會(huì)存在公共點(diǎn)，在公共點(diǎn)和野外控制點(diǎn)的共同參照下，將所有像片中的光束都連接在一起，隨后進(jìn)行整體平差并加密坐標(biāo)，這就是無(wú)人機(jī)空中三角測(cè)量點(diǎn)的主要加密方式。在需要使用坐標(biāo)的時(shí)候，根據(jù)不同像點(diǎn)的觀測(cè)值得到與之對(duì)應(yīng)的誤差方程，然后利用最小二乘法解方程進(jìn)行平差，最終在每個(gè)像片中獲取的不同的6個(gè)待定參數(shù)就是使用者需要的坐標(biāo)。

3.2 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)解密處理后的DSM生成

為了盡可能消除在無(wú)人機(jī)航測(cè)過(guò)程中風(fēng)力等因素對(duì)圖像的幾何形變方面的影響，在利用解密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模之前就要先進(jìn)行幾何方面的粗調(diào)整，其中包括對(duì)角度和比例尺的適當(dāng)修改。完成初步修改后還要建立影像金字塔，然后通過(guò)Harris算子等實(shí)用性工具按照不同層級(jí)逐步提取數(shù)據(jù)特征。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要時(shí)刻注意特征點(diǎn)分布是否均勻。接下來(lái)將逐級(jí)處理過(guò)的數(shù)據(jù)用金字塔匹配、多視匹配以及邊緣特征匹配等不同方式進(jìn)行密集匹配處理，最終得到的就是精準(zhǔn)度相對(duì)較高的DSM點(diǎn)云。為了進(jìn)一步消除拍攝和數(shù)據(jù)處理中可能存在的誤差，對(duì)DSM點(diǎn)云的處理還有特征濾波處理以及通過(guò)影像紋理處理的地理識(shí)別等。

3.3 三維模型的建立與精度分析

在使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行傾斜測(cè)量并對(duì)坐標(biāo)等數(shù)據(jù)完成加密和解密等操作之后，還需要建立坐標(biāo)模型。在這一環(huán)節(jié)中，用來(lái)建立坐標(biāo)模型并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的常見(jiàn)工具是Bentley Context Capture，使用Bentley Context Capture工具可以使得數(shù)據(jù)在被加工處理為三維模型的時(shí)候具有更高的真實(shí)性。與其他同類(lèi)型的軟件相比，Bentley Context Capture工具還原度更高、誤差率更低，在城市三維建模工作中能夠發(fā)揮巨大作用。這一建模軟件的應(yīng)用范圍很廣，除了對(duì)城市規(guī)劃中的低空遙感拍攝數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模處理外，在一些施工單位以及礦山等地形的勘測(cè)與地形圖繪制中也得到應(yīng)用。極高的分辨率使得這一軟件飽受好評(píng)，更重要的是，Bentley Context Capture能夠?qū)υ跋裰械臈l紋等微小細(xì)節(jié)進(jìn)行深度還原，能夠?qū)D像的邊緣位置處理得更加真實(shí)與平滑，能夠滿足不同行業(yè)對(duì)建模的多樣化需求[3]。

4 實(shí)景三維模型的精度分析

根據(jù)過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，通過(guò)無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量在城市勘測(cè)中實(shí)現(xiàn)三維取景的目的，是可以獲取更加直觀的坐標(biāo)信息，包括能夠通過(guò)比例尺用肉眼直接得到各建筑以及其他起伏物的長(zhǎng)、寬、高等數(shù)據(jù)。根據(jù)三維建模技術(shù)中關(guān)于視域等方面的技術(shù)應(yīng)用，對(duì)三維模型的精確度分析要以分辨率為主。當(dāng)然，城市的規(guī)劃與建設(shè)是百年大計(jì)，需要考慮的因素有很多，除了攝影成像本身清晰與否外，對(duì)城市中各種建筑在構(gòu)成數(shù)字模型之后的數(shù)學(xué)精度也要格外注意，畢竟無(wú)人機(jī)航測(cè)中可能存在一定的偏差，但由于在消除誤差的過(guò)程中目前還沒(méi)有權(quán)威方法，因此，在考慮數(shù)學(xué)模型問(wèn)題的時(shí)候多使用數(shù)學(xué)精度消差法。

建立三維模型的時(shí)候，可以在模型上直接獲取城市中的建筑物等的各項(xiàng)參數(shù)，因此，控制測(cè)量誤差并在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中盡最大可能消除誤差非常重要。同時(shí)，基于實(shí)景和模型兩方面共同進(jìn)行數(shù)學(xué)消差是很有必要的，換句話說(shuō)，測(cè)量和處理工作都要非常精準(zhǔn)。目前，影響模型最終的數(shù)學(xué)精度的主要是測(cè)量時(shí)候的誤差，這就對(duì)后續(xù)處理數(shù)據(jù)的工作提出了更高要求。不過(guò)目前城市規(guī)劃中的無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)進(jìn)步很快，雖然無(wú)法完全消除測(cè)量過(guò)程中外在因素導(dǎo)致的誤差，但是可以根據(jù)影響因素大約估計(jì)誤差率，由此也大大提升了測(cè)量的整體精度。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量在城市地形勘測(cè)與三維建模中應(yīng)用廣泛，經(jīng)常通過(guò)重新拍攝固定區(qū)域和彩色處理等方式處理數(shù)據(jù)，然后利用無(wú)人機(jī)上的多臺(tái)傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維化還原，最終完成對(duì)城市地形地貌的三維建模，在全面提升模型真實(shí)感的同時(shí)有利于節(jié)約成本。而且隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)和攝像設(shè)備的不斷更新，目前相對(duì)生活化的無(wú)人機(jī)航測(cè)也能夠?qū)D像精準(zhǔn)到亞米級(jí)別。隨著科技的不斷進(jìn)步，無(wú)人機(jī)傾斜測(cè)量技術(shù)會(huì)對(duì)城市規(guī)劃中的三維建模產(chǎn)生更大幫助。