無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在城市三維建模及三維數(shù)據(jù)更新中的應(yīng)用

郭峰

（長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司（武漢））

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，為我國(guó)智能化的發(fā)展做出了較大貢獻(xiàn)。作為促進(jìn)我國(guó)地理信息測(cè)量智能化的重要技術(shù)，無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)在城市三維建模方面的應(yīng)用不僅可以提升地物反映的真實(shí)程度，而且對(duì)我國(guó)三維城市模型的智能化建設(shè)也具有重要影響。

2 項(xiàng)目概況

隨著武漢市城市建設(shè)步伐的加快，城市地理空間智能化信息的數(shù)據(jù)收集與整合對(duì)治安防范工作的實(shí)施具有極大程度的輔助作用，并且推動(dòng)了二維空間數(shù)據(jù)向三維空間的過(guò)渡。現(xiàn)階段，武漢市實(shí)施的智能三維建模項(xiàng)目應(yīng)用了無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)[1]。武漢市的智能三維建模實(shí)施主要是更新前期已有的三維數(shù)據(jù)，并建立武漢市發(fā)展過(guò)程中新增市區(qū)的三維模型，新增的城區(qū)占地面積約為8km2，主要位于武漢市火車(chē)站和其他主干線路，火車(chē)站的占地面積約為51241m2[2]。

3 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)

3.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)述

無(wú)人機(jī)技術(shù)是指將無(wú)線電遙控技術(shù)和智能化的自動(dòng)控制程序與無(wú)人飛機(jī)或智能飛行器相結(jié)合的技術(shù)。該種技術(shù)主要使用的機(jī)種包括固定翼、多旋翼、飛艇和直升機(jī)[3]。無(wú)人機(jī)的應(yīng)用不僅具有快速和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，而且在具體使用過(guò)程中智能化程度較高，更加有利于地理信息的數(shù)據(jù)收集。傾斜攝影技術(shù)的應(yīng)用不僅可以擴(kuò)大拍攝范圍，還顛覆了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)的應(yīng)用；不僅采用了正攝角度的影像采集方式，還運(yùn)用了多角度的相機(jī)同步技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地面物體各角度情況的獲取與收集。該種技術(shù)的建模流程為：數(shù)據(jù)采集設(shè)備→指定飛行方案→傾斜影像采集→影像預(yù)處理→空三加密→成果輸出瀏覽。

該種技術(shù)的應(yīng)用對(duì)武漢市市區(qū)三維模型的建立具有積極的輔助作用，不僅增加了三維模型建立的精準(zhǔn)程度，還大大降低了武漢市三維模型建立的成本。

3.2 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)特點(diǎn)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的研究與分析發(fā)現(xiàn)，該種技術(shù)主要有以下幾方面特點(diǎn)：①飛行高度低且拍攝角度多，可以從多方位、多角度對(duì)地面的建筑物進(jìn)行數(shù)據(jù)收集；②相鄰影像間航向重疊度和旁向重疊度高，可以在極大程度上豐富拍攝影像的表達(dá)內(nèi)容；③人工干預(yù)需求少，智能化與自動(dòng)化利用較高；④綜合成本低，其智能化的特色可以在極大程度上降低三維建模所需的時(shí)間及人力成本。

4 基于無(wú)人機(jī)傾斜攝影的三維城市建模優(yōu)化方法

4.1 無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的研究與分析發(fā)現(xiàn)，該種技術(shù)的具體實(shí)施主要有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：①機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、成本低，這種優(yōu)勢(shì)不僅可以滿足各種尺度的攝影測(cè)量數(shù)據(jù)采集需求，而且可以在極大程度上降低武漢市三維建模所需的資金成本；②能對(duì)大范圍場(chǎng)景的傾斜影像進(jìn)行智能化、自動(dòng)化處理，這不僅可以降低人力資源消耗，還可以提升三維建模的精準(zhǔn)度；③能對(duì)高分辨率的影像進(jìn)行智能化的自動(dòng)貼圖，進(jìn)而提高三維模型的生產(chǎn)效率。

4.2 建模出現(xiàn)問(wèn)題的原因

雖然三維攝影技術(shù)具有多種優(yōu)勢(shì)，但在運(yùn)行過(guò)程中依然會(huì)受到具體設(shè)備、大氣環(huán)境以及程序算法等方面的影響，導(dǎo)致實(shí)際模型建設(shè)時(shí)出現(xiàn)視覺(jué)誤差和應(yīng)用障礙等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)具體分析與研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段無(wú)人機(jī)三維拍攝技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)上述問(wèn)題的具體原因有以下幾點(diǎn)：①機(jī)器設(shè)備的姿態(tài)變化導(dǎo)致無(wú)人機(jī)拍攝出現(xiàn)重疊度方面的問(wèn)題；②大氣環(huán)境的變化影響三維攝影技術(shù)的具體應(yīng)用；③不同時(shí)段的光照導(dǎo)致模型建立過(guò)程中出現(xiàn)紋理不均勻和破洞等問(wèn)題；④設(shè)備的影像分辨率不足造成影像模糊或模型建立不清晰等問(wèn)題。

4.3 建模的具體優(yōu)化方法

針對(duì)上述建模過(guò)程中三維攝影技術(shù)使用時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，可以從以下幾方面進(jìn)行建模優(yōu)化：①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，提出實(shí)施幾何修復(fù)的優(yōu)化方法，在具體的優(yōu)化研究中，應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)拍攝破洞，抹平并還原凸包部分；②針對(duì)三維城市模型的建設(shè)問(wèn)題，提出實(shí)施細(xì)部整飾的優(yōu)化方法，該種方法主要是對(duì)重要地面標(biāo)志物的三維模型進(jìn)行整體的修飾或替換，修復(fù)并調(diào)整不均勻的紋理；③針對(duì)現(xiàn)階段的技術(shù)實(shí)施問(wèn)題開(kāi)發(fā)模型輔助編輯系統(tǒng)，利用該種編輯系統(tǒng)對(duì)三維模型進(jìn)行初始化重建，進(jìn)而提高三維拍攝技術(shù)的使用質(zhì)量，并且提升幾何修復(fù)和紋理修補(bǔ)工作的效果，具體優(yōu)化效果如圖1所示。

圖1 模型重建與修補(bǔ)的實(shí)施效果

4.4 建模后的具體優(yōu)化實(shí)踐

在武漢市智能三維建模項(xiàng)目的具體實(shí)施中，主要采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)三維模型進(jìn)行具體的建立。在具體應(yīng)用中，采用150m的航高飛行方案進(jìn)行拍攝，拍攝過(guò)程中，無(wú)人機(jī)搭載3臺(tái)相機(jī)對(duì)占地面積約為8km2的新增城區(qū)和占地面積約為51 241m2的武漢市火車(chē)站進(jìn)行具體的拍攝建模。拍攝過(guò)程中，應(yīng)靈活應(yīng)用模型與空三成果的內(nèi)在關(guān)系，并在空三糾正影像的建立中對(duì)拉伸實(shí)體進(jìn)行白模建模的方式。同時(shí)，在建立聯(lián)動(dòng)初始三維模型時(shí)，對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的補(bǔ)充和修繕，以提高三維模型的建立質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)武漢市智能三維建模項(xiàng)目情況的簡(jiǎn)單闡述，從無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)和特點(diǎn)2方面對(duì)該種技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析，并分別從技術(shù)使用優(yōu)勢(shì)、建模出現(xiàn)問(wèn)題的原因、建模的具體優(yōu)化方法以及建模后的具體優(yōu)化實(shí)踐四個(gè)方面對(duì)課題內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的研究與探討，希望可以為無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的具體應(yīng)用研究提供幾點(diǎn)可行性建議，并對(duì)城市三維建模及三維數(shù)據(jù)更新的智能化發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。