廣西精圖測繪科技有限公司 周億萍

無人機傾斜攝影測量技術實際上是以三維建模技術為主要應用的高新測繪技術，采用高精度、高效率，一體化全自動建模技術，成為當前地理信息采集與三維場景構建的重要技術手段。在城市發(fā)展規(guī)劃中，能為城市實景三維建模提供新的技術方向，在助力城市整體空間數(shù)據(jù)的搭建上起到至關重要的作用。

近些年，無人機傾斜攝影測量技術是應用最多及最廣的測繪高新技術，它能從大范圍內(nèi)更多角度高精準、高效率的盡可能采集到更多影像數(shù)據(jù)，通過對影像數(shù)據(jù)處理以及整理其他地理信息，大規(guī)模的生成逼真的三維數(shù)據(jù)模型，會在智慧城市、數(shù)字城市等未來城市發(fā)展中被廣泛應用，為城市管理與發(fā)展規(guī)劃構建出精準的城市實景三維地圖

1 無人機傾斜攝影測量技術特點及優(yōu)勢

無人機傾斜攝影測量技術主要借助于同一臺無人機搭載五部專業(yè)測量攝影相機，通過無人機的機動靈活大范圍飛行，所搭載的五部相機在飛行過程中從垂直以及四個傾斜角度為40°～-60°之間采集地物側面的輪廓和紋理信息，并獲取完整準確的紋理數(shù)據(jù)和定位信息，豐富多彩的影像信息給后期三維模型帶來更逼真視的覺效果[1]。根據(jù)采集到的傾斜影像通過大批量的提取以及自動貼紋理，快速生成實景三維模型。由于無人機傾斜攝影測量技術應用是自動化建模的方式，可以有效縮短建模時間，降低建模成本。該技術特點主要還是通過技術優(yōu)勢的發(fā)揮體現(xiàn)出來。在城市三維建模過程中，無人機傾斜攝影測量技術同樣發(fā)揮出以下技術優(yōu)勢：

(1)當前無人機的應用成本較低、機動性強靈活度高，能實現(xiàn)超低空大范圍的飛行多角度對地物測量數(shù)據(jù)的采集。

(2)一部垂直相機與四部傾斜相機通過無人機低空飛行，獲得厘米級高分辨的垂直和傾斜影像，四部傾斜相機從不同角度采集影像，可采集到地物測面更加豐富而真實的紋理信息，有效彌補正攝影只獲取地物頂部紋理信息的不足。

(3)能對大范圍內(nèi)的傾斜影像數(shù)據(jù)快速處理，通過垂直與傾斜影像全自動空三加密，不用人為干預，實現(xiàn)高分辨的影像自動貼圖以及高效率的構建出高精度逼真的三維模型。

(4)可多角度的量測、精確的地理定位，實現(xiàn)三維實景重建，通過影像構建的真實三維場景，是帶有準確地理位置的坐標信息以及精細表達突出的屋頂、外墻以及地形地貌等地物細節(jié)特征，從而生成逼真的三維空間場景，可將獲得三維空間場景直接網(wǎng)絡發(fā)布及共享應用。

2 城市三維建模中無人機傾斜攝影測量技術的主要應用分析

在現(xiàn)代城市發(fā)展規(guī)劃中，城市三維建模是其必然應用的技術手段，無人機傾斜攝影測量技術的應用可滿足當前城市三維建模需要。它的自動化建模技術能更快更好完成現(xiàn)代城市三維建模任務，可有效大幅度降低城市三維建模時間，人員的投入，節(jié)省建模成本。熟練掌握無人機傾斜攝影測量技術的應用，有助于城市三維模型的建立。因此，無人機傾斜攝影測量技術順利完成城市實景三維建模必須要嚴格規(guī)范各階段技術應用要求。包括：無人機及相機性能要求、航線規(guī)劃設計要求、布設像控點、傾斜數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理關鍵技術等方面。

2.1 無人機及相機性能要求

無人機按照飛行方式可分為固定翼和旋翼(單旋翼、多旋翼)，動力系統(tǒng)分為：內(nèi)燃機動力和電池動力兩種。測繪用的無人機一般對飛行性能標準要求很高，主要對無人機載重量、實用升限、巡航速度、續(xù)航時間，安全性及抗風等級方面都做出了限定，例如：(1)無人機載重量≥2kg；(2)多旋翼巡航速度>6m/s，而固定翼巡航速度>10m/s；(3)電池動力續(xù)航時間>25min，內(nèi)燃機動力續(xù)航時間>1h；(4)抗風性要>4級風速；(5)無人機實用升限可達到1000m以上，海拔高度不低于3000m。相機性能要求：獲取影像能力、拍攝時間、曝光功能、續(xù)拍時間、POS記錄功能等方面做出限定，例如：(1)單個鏡頭>2000萬像素；(2)一次曝光>1億像素；(3)拍攝時間至少要達到90min；(4)能全天候拍攝最好；(5)定點曝光功能，影像重疊度能達到要求。

2.2 航線規(guī)劃設計要求

在城市三維建模前期需要通過無人機外業(yè)進行影像數(shù)據(jù)采集，應根據(jù)城市建筑主體高度，走向以及光照方向事先設置好航飛線路。一般以“井”字航線設置為好，使航線方向確保與測量區(qū)的縱線和橫線方向一致，航線路徑要根據(jù)航測區(qū)實際情況來確定飛行范圍及高度，目的是確保采集影像數(shù)據(jù)的完整性以及紋理的清晰度，航線規(guī)劃前提還要將測區(qū)周邊環(huán)境影響因素考慮進去，確保航測時無人機飛行的安全。為了使影像數(shù)據(jù)采集的準確，航向重疊度應>80%，旁向重疊度應>70%。

2.3 像控點的布設要求

像控點的布設，關系航測影像數(shù)據(jù)采集的準確度，一定要嚴格按照要求進行布設，在城市航測區(qū)域邊及拐角處必須設置控制點位，測區(qū)內(nèi)的點位間距要均勻設點，點位之間距離大約200～300m。像控點布設要盡量選擇在平坦且具有醒目的地方，可充分利用城市中地形、地物，如：選擇道路拐角點、斑馬線直角點以及地物清晰的分界點等作為布設像控點。

2.4 傾斜數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理關鍵技術

在獲取城市航測傾斜數(shù)據(jù)時，事前應根據(jù)規(guī)劃好的航線以及設置好像控點的測量區(qū)域范圍大小，合理選擇測量使用的無人機與相機，并設置好應用設備的各項參數(shù)，航測還要注意天氣變化，盡量選擇晴朗、無風、少云的天氣進行航測數(shù)據(jù)采集，提高航測成果準確度，影像數(shù)據(jù)采集后需要及時對數(shù)據(jù)進行處理，這是城市三維建模重要性基礎工作，也是事關三維建模成敗的關鍵環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)處理需要經(jīng)過以下關鍵技術的應用。

2.4.1 數(shù)據(jù)預處理

經(jīng)過航測獲取的影像數(shù)據(jù)，要先進行預處理，主要對POS數(shù)據(jù)的格式轉換、傾斜影像的曝光度調(diào)整、對比度調(diào)整、色彩曲線、白平衡編輯等。通過傾斜影像預處理后，可獲得符合要求的航測遙感圖像。

2.4.2 多視影像聯(lián)合平差

聯(lián)合平差技術主要是在處理影像數(shù)據(jù)過程中解決圖片之間幾何變形以及遮擋問題以及POS數(shù)據(jù)格式轉換處理中可得傾斜圖像外方位元素，采用由粗到精的方式在每一張影像圖片上進行同名點自動匹配，然后使整體區(qū)域網(wǎng)運用光束法進行平差[2]。即以一張影像圖片組成的一束光線作為一個平差單元，并以中心投影的共線方程作為平差單元的基礎方程，通過各光線束在空間的旋轉和平移，使模型之間的公共光線實現(xiàn)最佳交會，將整個區(qū)域最佳地嵌入到控制點坐標系中，從而恢復地物間的空間位置關系，得到較好的同名點匹配結果。同時使連接點和連接線、POS數(shù)據(jù)與GPS/IMU數(shù)據(jù)的傾斜圖像運用聯(lián)合平差計算，確保平差結果符合測量要求。

2.4.3 多視影像密集匹配技術

城市三維建模過程中，需要經(jīng)過影像密集匹配技術的應用，傾斜影像密集匹配重點是要獲取有精確同名點坐標的地物三維信息。然而，在影像密集匹配過程中，很有可能會產(chǎn)生大量冗余信息，若使用單一匹配從傾斜圖像中提取三維坐標點很難實現(xiàn)，必須要通過多視角圖像匹配來實現(xiàn)傾斜影像圖像密集匹配的完成，從而獲取高密度DSM點云數(shù)據(jù)。

2.4.4 實景城市三維模型的輸出

在確認影像數(shù)據(jù)正確后，可進行空三角測量。根據(jù)少量的現(xiàn)場控制點，再對控制點進行加密，來獲取精確外方位元素，然后再通過多視影像密集匹配找到真彩點云連接點構成三維TIN網(wǎng)格，并根據(jù)三維TIN網(wǎng)格中每個三角形瓦片的法線方程與二維圖像之間的夾角篩選出對應的最優(yōu)紋理信息，進行映射糾正，完成地物自動紋理映射，構建出實景城市三維模型。

3 無人機傾斜攝影測量技術城市三維建模問題分析

該技術利用無人機和搭載的小型高分辨的專業(yè)相機，實現(xiàn)對城市大范圍的進行高效率、高精準的航空測量獲取城市地理影像信息。無人機傾斜攝影測量的自動化建模技術能在獲取的城市影像信息經(jīng)過處理和整合后，高效精準的構建出逼真的三維城市地圖，為城市規(guī)劃提供可靠參考依據(jù)。然而，該技術的城市三維建模中難免也會受到一些因素的影響，使三維模型建立達不到應有的效果。比如：測量中應用的無人機性能差異或相機分辨率低等問題，使無人機在測量過程中穩(wěn)定性差，導致測量數(shù)據(jù)的不夠精準以及獲取的影像清晰度不夠，建模沒能達到實際效果，部分模型會出現(xiàn)破洞和凸包等現(xiàn)象。引起模型凸包的因素還有受城市大氣環(huán)境中噪音的影響。另外，測量過程中受光照條件不同的影響，導致模型的側面紋理不均勻現(xiàn)象發(fā)生，從而會使部分區(qū)域出現(xiàn)破洞。而在分辨率低的影響下，很有可能會造成模型邊緣出現(xiàn)變形的問題[3]。因此，相關技術人員測量中要善于對出現(xiàn)的問題分析，測量中要不斷提高技術應用水平，更好利用無人機傾斜攝影測量技術優(yōu)化建模方法，不斷提升三維建模技術水平，為城市實景三維建模提供更有力的新技術支持。

4 無人機傾斜攝影測量技術城市三維建模優(yōu)化方法的應用

城市三維建模對智慧城市、數(shù)字城市發(fā)展規(guī)劃有著十分重要的作用。當前，無人機傾斜攝影測量技術作為較多應用在城市三維建模主要技術，通過技術的應用能客觀真實精準構建出實景城市三維立體模型。該技術高性價、低成本、高效率、高精準在測量中獲取地理信息的優(yōu)勢受到了測繪人員的喜愛。然而，無人機傾斜攝影測量技術測量中雖優(yōu)勢諸多，但技術完善和優(yōu)化仍需有待提升，尤其測繪人員在技術應用水平上要不斷提高。

4.1 城市三維建模優(yōu)化二次處理

為了避免在城市三維建模中出現(xiàn)不利因素，測繪技術人員在技術實際應用過程中，要及時做好相關調(diào)整與優(yōu)化。例如：無人機或相機的選用、測量方案設計以及測量設備參數(shù)設置等，確保在城市測量中獲取的影像數(shù)據(jù)達到測量實際要求。在城市三維建模過程中，針對三維模型出現(xiàn)的破洞或凸包等問題，相關技術人員需要考慮采用二次修復方式進行處理，通過破洞修復、凸包抹平等二次優(yōu)化處理技術以及重新改進地物目標，使構建的三維模型重建或替換。

4.2 城市三維模型的快速修復

在建立的城市三維模型出現(xiàn)畸形或側面紋理不均勻時，需要對模型進行修復，如何能快速實現(xiàn)城市三維模型的修復。主要通過無人機傾斜攝影測量技術空三加密的方式，利用空三加密成果快速修復三維模型，空三加密技術是三維建模的重要步驟。技術應用是根據(jù)各區(qū)域間的差異，在區(qū)域內(nèi)均勻分布若干控制點，然后采用立體測圖技術對加密的點位高度和平面位置進行計算來獲取數(shù)據(jù)，進而通過空三技術得到重新校正和定向的影像數(shù)據(jù)，從而使各影像數(shù)據(jù)之間達到準確疊合的效果。在運用空三加密成果對城市三維模型修復時，技術人員要開發(fā)出一套模型輔助編輯系統(tǒng)，然后將獲得空三加密成果和初始化三維重建模型一并導入開發(fā)的系統(tǒng)內(nèi)，結合空三技術和空三加密之間的差異，利用空三加密成果對存有缺陷的原始模型目標區(qū)域進行幾何修復和紋理修補。對開發(fā)的模型輔助編輯系統(tǒng)來說，可實現(xiàn)模型同名點的搜索、模型紋理自動提取、模型交互制作。應充分去利用糾正傾斜影像和加密點，對模型紋理的自動提取和定向，完成修復建模。實踐證明，使用該方式對模型修復的過程中，所有數(shù)據(jù)可獲得快速提取并通過輔助系統(tǒng)完成自動處理，在空三后的影像上進行地物目標結構線的繪制，然后通過拉伸等方法實現(xiàn)制作城市三維模型的實體及自動貼圖，使城市三維模型修復后達到實景三維立體模型效果[4]。

5 結語

無人機傾斜攝影測量技術作為當前應用較多的一種三維建模技術，為城市實景三維建模提供了新的技術方向。該技術能夠快速高效、高精準在城市測量中獲取多角度高分辨率的遙感影像地理信息，經(jīng)過相關軟件自動化處理，進而連接到三維地理信息平臺并自動化構建出城市實景三維模型。在實際三維建模中，無人機傾斜攝影測量技術也難免會受到一些因素的影響，時常構建出來的模型無法達到應用效果。為此，相關技術人員在日常工作中應加強對技術應用的深入分析，促進無人機傾斜攝影測量技術不斷完善，進一步優(yōu)化三維建模方法，更好去滿足社會各領域服務的需要。

引用

[1] 李興久.淺談無人機傾斜攝影技術在城市實景三維建模中的應用[J].測繪標準化,2021(1):75-78.

[2] 劉得斌.城市三維建模中無人機傾斜攝影測量分析[J].智能城市,2021(9):57-58.

[3] 王云川,段平,李佳,等.不同航線規(guī)劃的無人機影像三維建模質(zhì)量分析[J].遙感信息,2020(2):121-126.

[4] 譚俊杰.關于面向城市規(guī)劃的傾斜攝影及三維建模技術淺析[J].中小企業(yè)管理與科技,2020(22):179-180.