無人機傾斜攝影三維建模和應用

呂 慧 娟

(中國建筑材料工業地質勘查中心山西總隊,山西 太原　030031)

1　傾斜攝影定義

傾斜攝影是近年來航測領域逐漸發展起來的新技術，相對于傳統航測采集的垂直攝影數據，通過新增多個不同角度鏡頭，獲取具有一定傾斜角度的傾斜影像。應用傾斜攝影技術，可同時獲得同一位置多個不同角度的、具有高分辨率的影像，采集豐富的地物側面紋理及位置信息[1]。基于詳盡的航測數據，進行影像預處理、區域聯合平差、多視影響匹配等一系列操作，批量建立高質量、高精度的三維模型。

傾斜攝影技術流程見圖1。

2　傾斜攝影測量總體流程

2.1　數據的獲取

傾斜攝影技術的主要目的是獲取地物多個方位(尤其是側面)的信息并可供用戶多角度瀏覽，實時量測，三維瀏覽等獲取多方面的信息。傾斜攝影數據的獲取是通過不同種類的飛行器，搭載不同型號的傾斜相機來進行采集從而實現覆蓋高、中、低空的，滿足不同面積、比例尺和分辨率需求的影像采集[2]。

2.1.1無人機選擇

傾斜攝影三維模型的質量主要取決于兩個因素：一是影像質量(影像地面分辨率和影像清晰度);二是照片數量(對同一區域的照片覆蓋度)[3]。從實際建模效果來看，要想獲得完整清晰、可供高精度量測的三維模型，建筑區傾斜影像的分辨率要達到2 cm～3 cm、一般地區要達到5 cm～6 cm，照片的平均覆蓋度要達到30° 重疊以上。因此，多旋翼無人機是進行建筑區傾斜攝影的首選，一般地區的傾斜攝影則可選擇小型電動垂直起降固定翼無人機。

2.1.2傾斜攝影相機

目前市場上常見的傾斜攝影相機選用固定式五鏡頭相機。實際應用中發現，建模效果與相機數量無關，與照片數量和相鄰航線飛行的間隔時間相關，采用雙鏡頭擺動式傾斜攝影系統，僅用兩臺相機就能達到固定式五鏡頭相機的效果，而且結構簡單、重量輕、維修使用方便，成本也較低，因此采用雙相機、三相位擺動結構的傾斜攝影系統綜合性價比最優，是多旋翼無人機傾斜攝影的首選。攝影時，傾斜相機的角度在20°～30°之間較為合適。45°傾斜角安置的相機的照片邊緣的分辨率過低[4]。

2.1.3航線設計

如使用多旋翼無人機和雙鏡頭擺動式傾斜攝影系統進行建筑區2 cm分辨率的傾斜攝影，航線設計的基本要求是：航攝分區盡量為矩形，航線沿矩形區域長邊方向敷設，實際飛行范圍應超出任務范圍1個航高，分區內地形高差小于1/2航高；航線數量為雙數且不少于6條，單航線最大長度按多旋翼無人機有效續航里程的40%計算；相對航高平均按100 m設計，當航攝分區內有超過30 m的建筑物時，最小相對航高應按100 m加上建筑物高度計算；航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于40%。

如使用雙相機和固定翼無人機對普通地區進行5 cm分辨率的傾斜攝影，航線設計的基本要求是：航攝分區盡量為矩形，沿矩形區域長邊方向和短邊方向分別敷設航線，呈格網狀(按十字交叉飛行)，實際飛行范圍應超出任務范圍1個航高，分區內地形高差小于1/2航高；航線數量應為雙數且不少于6條，單航線最大長度按無人機有效續航里程的40%設計，最大長度不超過5 500 m；相對航高平均按300 m設計，最小相對航高應高于攝區內容其他構筑物100 m以上；航向重疊度大于75%，旁向重疊度大于40%。視相機參數和具體環境而定[5,6]。

2.1.4飛行作業

每個航攝分區應統一進行航線設計，用在同一航線設計文件中刪除多余航線的方法確定每架次的飛行參數文件。外出作業至少應配備10組電池，或配置便攜式發電機現場充電，以提高作業效率。無人機起降場地應盡量靠近攝區，以減少無效飛行距離。作業小組123配置：1輛SUV汽車，2架多旋翼無人機，3名成員(地勤、飛手、助理)。

2.1.5成果精度

傾斜攝影三維模型的建模精度與影像分辨率直接相關，一般為1∶3左右。傾斜攝影三維模型的平面量測精度和相對高程量測精度基本一致。如果影像分辨率為2 cm，則三維模型的建模精度一般為5 cm～10 cm，相應的量測精度也達到10 cm以內，與外業實測點的精度相當，遠高于1∶500地形圖的精度。如果影像分辨率為5 cm，則三維模型的建模精度一般為15 cm～20 cm，相應的量測精度也達到20 cm以內，高于1∶1 000地形圖的精度。

2.2　數據的處理及應用

2.2.1空三加密及真正射影像

獲取多視影像后，需要對其進行勻光勻色、幾何校正、空三加密、DSM生成、真正射影像生產等處理。目前的主流軟件還是用國外的街景工廠(Street Factory)等來處理。

2.2.2三維建模

通過專用測繪軟件把傾斜攝影獲取的傾斜影像加工處理，可以生產傾斜攝影模型。模型有兩種成果數據：單體對象化的模型和非單體化的模型數據。處理流程見圖2。

單體化的模型，利用傾斜影像豐富可視細節，結合現有的三維線框模型，通過紋理映射，生產三維模型。這種方式生產的模型數據是對象化的模型，單獨的建筑物不僅可以刪除、修改及替換，其紋理也可以修改。國內比較有代表性的公司如天際航、東方道邇等均可以生產該類型的模型，并形成了自己獨特的工藝流程[7],見圖3。現實應用中，可以統計建筑拆遷面積、檢測城市地物變化或實時查詢各種屬性如建筑物的建造時間、高度、權屬等信息；道路的寬度、路況査詢等。

非單體化的模型，獲得傾斜影像后，用專業的自動化建模軟件，通過多視角影像的幾何校正、聯合平差等處理流程，基于影像運算生成超高密度點云，構建TIN模型，并以此生成基于影像紋理的高分辨率傾斜攝影三維模型[8]。影像提取的中間數據(點云)效果圖見圖4。此方法采用全自動化的生產方式，模型生產周期短、成本低。這種全自動化的生產方式減少了建模的成本，大幅度提高了模型的生產效率。目前國內比較有代表性的技術有上海埃弗艾代理的(Smart3DCapure)，國內使用該軟件的公司單位有上海航遙、四維數創、湖南第二測繪院等。現實應用中，多在地

形地貌、土方量計算、通訊和國防建設等領域廣泛應用。

2.3　大比例尺測圖

國內外已有較多軟件可以針對傾斜攝影測量進行測圖級精度的作業。成圖速度快，精度高而均勻，成本低，特別適用于城市密集區的大面積成圖，但前期投入較大，基本由一些大單位來承擔。如武漢天際航公司開發的DP-Modeler。它既可通過直接對原始影像交互式重建，亦可對Mesh模型(街景工廠、Smart3D成果)進行精加工，輸出精細化的三維數字城市產品。通過集成超低空傾斜攝影或手持相機近景拍攝，配合全站儀實測少量控制點，可達到厘米級精度矢量測圖，大幅度降低外業工作強度。但由于無人機相較于大飛機而言在飛行穩定性和數據精確性上有很大差別，同時容易出現影像畸變，要進行正確的影像鑲嵌。

3　數據的應用

在智慧三維城市建設中，優于三維實景更能直觀的展現界面真實環境信息，故傾斜攝影三維數據可為智慧城市、國土、軍事、災害應急、農林、旅游等多種行業提供二三維一體化的數據來源，通過GIS平臺軟件對其進行深度應用開發，為各類行業用戶提供完整、系統的解決方案與服務。