無人機傾斜攝影測量影像處理與三維建模的應用

夏海杰

重慶市二零五勘測設計有限公司

1、無人機傾斜攝影測量技術

無人機低空遙感技術已經經過多年的研究，無人機傾斜攝影測量是攝影測量學科中新興的技術，是目前國內外研究的熱點。無人機傾斜攝影測量另一個難點是傾斜3D模型的建立。傳統的3D模型建立，如CAD技術、航空攝影測量技術，它們利用2維信息建立3D立方體，其紋理是依靠專門的3D軟件如3DMAX等進行人工粘貼，其工作量較大，生產成本也高。傾斜模型建技術也是借助于專門的系統軟件進行建模的，但它是生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型，具有真實的紋理，因此，建立的3D模型更為真實。而且速度快。傾斜攝影測量技術以大范圍、高精度、高清晰的方式全面感知復雜場景，通過高效的數據采集設備及專業的數據處理流程生成的數據成果直觀反映地物的外觀、位置、高度等屬性，為真實效果和測繪級精度提供保證。

2、無人機數字影像匹配

2.1 影像特征提取

特征提取是計算機視覺和圖像處理中的一個概念。它指的是使用一臺計算機，以提取影像中同名點的圖像信息，該信息決定影像中的相同特征。特征提取是將影像上的點進行歸類，分別劃分為不同的子集，這些子集通常是由一個孤立的點、一條連續的曲線或一個連續的區域組。

影像特征提取一般是依靠影像中灰度的分布情況，來確定特征的位置、形狀以及大小。影像特征的灰度與周圍的影像灰度有比較明顯的差異和區別。特征通常按形狀劃分，可分為點特征、線特征和面特征。點特征主要包含影像中的明顯點；線特征是線狀地物或面狀地物的邊緣在影像中的構像。提取點特征的算子稱為興趣數字。

2.2 無人機影像匹配

由于無人機低空攝影測量系統是無人駕駛的飛機，在風力的影響下不容易對無人駕駛飛機進行操作，且會偏離既定的航線，導致相鄰影像間的旋偏角大；在無人飛機上數碼相機的姿態也會由于風的影像或飛機的動作而不能保持固定不動，這會導致相鄰影像之間的旁向重疊度和航向重疊度有較大的變化；無人機在城區飛行時，高聳的建筑物會在相鄰影像中存在變形，導致在攝影的影像上無法找到匹配的搜索范圍。以上原因均會給多視影像的同名匹配帶來困難，并降低了灰度相關的成功率和可靠性，而具有不變性特征的SIFT匹配算法對于影像的旋轉、縮放等變化具有較好的適應力。

3、無人機傾斜攝影技術在城市三維建模中的應用

3.1 基于CAD的建模與航空數字攝影測量技術建模

CAD建模，此種方式需要借助CAD軟件來完成，在CAD中，可以直接創建并編輯測區的基本幾何形狀，并對地物特征進行充分體現，可以正確進行測區規劃工作，避免了因信息失誤而帶來的麻煩。在該軟件的應用下，利用CAD中的數據能夠直接建立出測區的三維模型，也就是實體模型，該種方式雖然應用效果較佳，但鑒于在建模時會產生極大的數據，數據處理成為了此方面的短板，往往會需要投入很多人力物力。

3.2 基于傾斜攝影測量技術的3D建模

傾斜影像技術是近年來國際測繪遙感領域發展起來的一項新型技術，通過在同一飛行平臺上裝載多臺攝影機，使這些設備能夠同時從垂直、任意角度對測區進行影像的采集，能夠獲取地面地物更全面的信息。對地進行垂直攝影的影像稱為正片(一組影像)，而鏡頭與地面呈一定角度時拍攝的影像為斜片(四組影像)。

傾斜影像有以下特點：(1)從全方位的角度對地物進行觀察，真實反映地物的實際情況及周邊情況，極大的彌補了正射影像的不足。(2)傾斜影像可以對所測量地物進行高度、長度、角度、坡度等的量測，能夠實現單張影像量測，這一技術擴展了傾斜影像技術的應用。(3)對于不同的地物，傾斜影像都能采集到地物的側面紋理。

對傾斜攝影獲得的傾斜影像進行處理之后，利用測繪建模軟件能夠生成傾斜影像三維模型，模型能夠呈現兩種成果數據：1)單體模型，它可以利用傾斜攝影提供的傾斜影像豐富影像紋理信息，借助相關的系統軟件生產的3D模型框架，如數字攝影測量系統生成的建筑物立方體。通過紋理映射技術(自動)，生產真實的三維模型。2)非單個模型，它也稱傾斜模型，這是利用系統軟件進行全自動化生產的3D模型，它是通過多是影像數據，顧及多種系統誤差，進行聯合平差解算，首先生成高密度的點云圖，然后自動生成TIN格網模型，最后生成帶有真實紋理的3D模型。它最大的優點是全自動化，真實紋理。但它的缺點也較為明顯，即每個建筑物不可以進行修改，包括它的紋理信息。

3.3 基于傾斜攝影測量技術的3D建模精度分析

該方式是目前最為先進的技術之一，其中融合了多種先進的技術，使得整體效果得以強化，其優勢在于：①在進行拍攝時能夠從各個角度進行，將正射影像缺點進行了優化；②應用時其能夠對高度、長度以及角度進行高精度測量，也可以進行單張量測，這也是以往技術所不具備的；③在應用到不同的環境中時，其也可以很好的適應，并且支持與其他技術進行結合應用，另外，其覆蓋范圍較大，應用成本低，具有靈活性，便于完成側面紋理的拍攝工作。

總之，三維建模的實現也使得二維地理信息體系得到了優化，如今如何更好地將無人機傾斜攝影測量影響處理應用到三維建模中也成為了亟待解決的問題，需要重點加強研究。

[1]何敏，胡勇，趙龍.無人機傾斜攝影測量數據獲取及處理探討[J].測繪與空間地理信息，2017，40(07)：77-79.

[2]楊存英.基于傾斜影像的建筑物提取與參數化三維重建[D].西安科技大學，2016.