基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的城市三維建模方法研究

吳征宇++馮成武

摘 要：無(wú)人機(jī)傾斜攝影是當(dāng)前熱門(mén)的城市三維建模研究和應(yīng)用內(nèi)容。本文介紹了無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，分析了無(wú)人機(jī)傾斜攝影在城市三維建模的應(yīng)用情況，分析了無(wú)人機(jī)傾斜攝影在三維城建建模過(guò)程和成果中的優(yōu)劣勢(shì)，探索總結(jié)了一套無(wú)人機(jī)傾斜攝影城市三維建模的改進(jìn)方法，將傾斜攝影和MAX等技術(shù)有效結(jié)合進(jìn)行城市三維建模，最后介紹了利用改進(jìn)方法在試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行三維建模的實(shí)踐案例，希望指導(dǎo)和推進(jìn)基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維模型的質(zhì)量改善。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī) 傾斜攝影測(cè)量 三維城市模型 空三加密

中圖分類(lèi)號(hào)：P231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）09（b）-0055-02

三維城市運(yùn)用描述城市地上景觀的三維模型來(lái)表達(dá)數(shù)字城市空間信息，是表達(dá)城市信息的重要載體，對(duì)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和應(yīng)急響應(yīng)有著及其重要的作用，三維城市已經(jīng)展現(xiàn)出其較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)的三維城市模型生產(chǎn)制作是結(jié)合遙感影像圖和地形圖，得到精確的、可靠性強(qiáng)的建筑物模型、道路模型及其他景觀小品模型，將組成城市要件的各類(lèi)三維模型集成為三維城市場(chǎng)景。這種方法適合于普通精度的三維城市建模，但是對(duì)于高精度、高仿真、大區(qū)域的建模，傳統(tǒng)方法勢(shì)必需要投入更多的作業(yè)人員，其建模速度、效率以及時(shí)效難以滿(mǎn)足三維城市的應(yīng)用。

三維城市建模也可以利用三維激光掃描獲取地面三維幾何數(shù)據(jù)，運(yùn)用激光測(cè)距原理快速建立物體三維模型，但是該方法不能解決紋理數(shù)據(jù)獲取和處理的問(wèn)題，紋理貼圖依然需要依靠大量人機(jī)交互來(lái)完成，無(wú)法進(jìn)一步提升城市三維建模質(zhì)量。

1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)技術(shù)

無(wú)人機(jī)是利用無(wú)線電遙控和自動(dòng)程序控制的無(wú)人飛機(jī)或飛行器，包括固定翼、多旋翼、飛艇、直升機(jī)等多個(gè)機(jī)種。無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)體重量輕、使用成本低、數(shù)字化和智能化程度高，應(yīng)用范圍和領(lǐng)域更為廣闊，在快速獲取國(guó)土資源、自然環(huán)境、應(yīng)急救災(zāi)現(xiàn)勢(shì)數(shù)據(jù)及測(cè)繪領(lǐng)域有著突出的效率和優(yōu)勢(shì)。

1.2 傾斜攝影技術(shù)

隨著航空攝影技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，傾斜攝影測(cè)量技術(shù)擴(kuò)大了遙感影像的應(yīng)用范圍，顛覆了傳統(tǒng)航空攝影只從正攝角度采集影像的方式，運(yùn)用多角度相機(jī)同步獲取地面物體各個(gè)角度高分辨率的航攝影像。運(yùn)用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)的三維模型真實(shí)地反映了符合人眼視覺(jué)的城市場(chǎng)景，結(jié)合GNSS技術(shù)，將三維城市納入城市地理信息框架，展現(xiàn)出全面豐富的地理信息，提升用戶(hù)體驗(yàn)度的同時(shí)大大降低三維城市建模的成本。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)如下：（1）無(wú)人機(jī)飛行高度低，多角度相機(jī)組能夠多方位、高覆蓋獲取地物頂面、側(cè)面影像數(shù)據(jù)；（2）相鄰影像間航向重疊度和旁向重疊度高，影像表達(dá)內(nèi)容豐富；（3）少量人工干預(yù)，自動(dòng)化的影像匹配、建模，主要過(guò)程由計(jì)算機(jī)完成；（4）實(shí)體側(cè)面紋理可見(jiàn)：傳統(tǒng)的數(shù)字正射影像圖主要獲取實(shí)體頂部紋理，而傾斜攝影技術(shù)能夠同時(shí)映射側(cè)面紋理；（5）綜合成本低，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和城市三維模型生產(chǎn)工作上具有更高的效率，減少時(shí)間和人力成本。

2 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維城市建模方法分析

中國(guó)、美國(guó)及歐洲部分國(guó)家正在開(kāi)展基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的三維城市模型生產(chǎn)和應(yīng)用，對(duì)于城市三維建模，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì)：（1）無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低，能夠滿(mǎn)足多種尺度的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集；（2）能夠快速處理大范圍場(chǎng)景的傾斜影像，建立具有高精度的真三維模型；（3）高分辨率影像自動(dòng)貼圖，提高三維模型的生產(chǎn)效率；（4）可量測(cè)、可定位的三維模型，模型數(shù)據(jù)直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和共享應(yīng)用。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)利用航空影像快速數(shù)據(jù)獲取方法，一次性處理多幅影像，建立區(qū)域初始實(shí)景三維模型，該技術(shù)能夠節(jié)約大量人工建模時(shí)間成本，提高三維城市發(fā)展的效率。

利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影影像進(jìn)行三維城市模型生產(chǎn)流程如下。

在實(shí)際的生產(chǎn)處理過(guò)程中，受無(wú)人機(jī)等設(shè)備、大氣環(huán)境及軟件算法影響，實(shí)際模型會(huì)有一定的畸變和錯(cuò)誤，引起視覺(jué)誤差和應(yīng)用障礙。主要的模型畸變及原因有：（1）無(wú)人機(jī)姿態(tài)變化和顛簸影響影像重疊度、幾何畸變等，造成模型凸包、破洞等；（2）大氣環(huán)境噪聲引起的模型飛面、凸包等；（3）不同時(shí)段光照引起的模型紋理不均勻、破洞等；（4）像主點(diǎn)落水而引起的水面缺失等；（5）影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型邊緣平滑等。

引起模型缺陷的原因是多樣化、復(fù)雜的，這也是當(dāng)前階段下基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維城市建模所面臨不可避免的問(wèn)題，采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)快速、高效生產(chǎn)三維城市模型并提高三維城市模型質(zhì)量是亟待解決的問(wèn)題。

3 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影三維城市建模優(yōu)化方法

如上文所述，基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生產(chǎn)的初始三維模型通常有若干種畸變類(lèi)型，某些畸變是由工程實(shí)施過(guò)程中難以避免的客觀原因造成的，這種情況下，初始生產(chǎn)的實(shí)景三維模型難以滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

通過(guò)分析三維城市模型建設(shè)現(xiàn)狀和模型成果的缺陷，可知現(xiàn)狀三維城市模型需要改進(jìn)的方面有：（1）幾何修復(fù)：對(duì)破洞進(jìn)行修補(bǔ)，凸包抹平并還原，刪除飛面等碎部；（2）細(xì)部整飾：重要地物和標(biāo)志物的三維模型整飾或替換；（3）紋理修補(bǔ)：替換和修補(bǔ)不均勻紋理、清晰度不夠的紋理等。

實(shí)際上，紋理映射和曲面平滑始終伴隨著幾何修復(fù)的過(guò)程，如何在幾何結(jié)構(gòu)修復(fù)的同時(shí)提高從傾斜影像中提取紋理的速度，是目前主要的問(wèn)題之一。攝影測(cè)量空三加密是根據(jù)若干均勻分布于區(qū)域內(nèi)的控制點(diǎn)，運(yùn)用立體測(cè)圖技術(shù)，計(jì)算得到匹配加密點(diǎn)的高程和平面位置。空三加密過(guò)程是基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)三維建模重要的步驟，空三運(yùn)算后的影像是經(jīng)過(guò)校正和絕對(duì)定向了的，多張影像間的同一匹配點(diǎn)能夠準(zhǔn)確疊合，影像上的任一點(diǎn)具有空間幾何信息，即具備定位性質(zhì)和可量測(cè)性。系統(tǒng)性的無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量三維重建成果包括初始化重建三維模型和空三加密成果，兩個(gè)成果間具有內(nèi)在的聯(lián)系，Acute3D、街景工廠及其他傾斜攝影測(cè)量軟件通常僅展示空三加密結(jié)果，利用系統(tǒng)性的成果特別是空三加密成果是提升模型質(zhì)量的一個(gè)途徑。開(kāi)發(fā)一套模型輔助編輯系統(tǒng)，導(dǎo)入空三加密成果和初始化重建三維模型，根據(jù)空三技術(shù)和空三加密成果的特點(diǎn)，利用空三加密成果，對(duì)原始模型缺陷明顯的目標(biāo)和區(qū)域進(jìn)行幾何修復(fù)和紋理修補(bǔ)工作。該編輯系統(tǒng)的核心功能有三維模型同名點(diǎn)搜索、空三影像紋理自動(dòng)提取、模型交互制作等，所有功能組織以空三后的影像數(shù)據(jù)為核心，充分利用糾正的傾斜影像和加密點(diǎn)，進(jìn)行模型紋理提取和定向、建模。

該方法的優(yōu)點(diǎn)在于傾斜影像紋理提取快捷，自動(dòng)紋理獲取能夠節(jié)省大量的手動(dòng)處理時(shí)間，系統(tǒng)允許通過(guò)同名點(diǎn)將多張影像進(jìn)行穿刺和對(duì)比，選擇影像傾斜、變形糾正小的傾斜影像提取紋理并映射；在空三后的影像上繪制地物目標(biāo)的結(jié)構(gòu)線，并通過(guò)拉伸等方法實(shí)時(shí)制作三維模型實(shí)體并自動(dòng)貼圖，形成場(chǎng)景三維模型。

4 優(yōu)化方法的建模實(shí)踐

利用上述基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量成果的城市三維模型質(zhì)量?jī)?yōu)化方法，我們?cè)谠囼?yàn)區(qū)進(jìn)行了三維城市建模的實(shí)踐和驗(yàn)證。

該項(xiàng)目結(jié)合無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和傳統(tǒng)建模技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，利用無(wú)人機(jī)低空飛行采集目標(biāo)物頂部高清序列影像，解決了傾斜攝影實(shí)景模型細(xì)節(jié)補(bǔ)充和精細(xì)建模的問(wèn)題，豐富了建模數(shù)據(jù)采集的手段，滿(mǎn)足了項(xiàng)目對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)精度的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)驗(yàn)區(qū)三維城市項(xiàng)目中，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)隨著建模范圍的增大，快速的傾斜影像采集和自動(dòng)化空三及建模使得其在建模的效率上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。但是受不可抗拒因素影響，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)自動(dòng)化生產(chǎn)三維模型有一定的限制，模型局部和細(xì)節(jié)缺陷使得傾斜攝影測(cè)量三維模型難以滿(mǎn)足應(yīng)用要求，需要研究基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的城市三維模型質(zhì)量提升方案，本文主要提出的人工干預(yù)方法和空三成果的輔助應(yīng)用建模優(yōu)化方案已經(jīng)在工程和應(yīng)用項(xiàng)目中進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)模型中有明顯缺陷和不足的局部進(jìn)行模型修改和重建，大大提升了三維城市模型生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)

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