無人機傾斜攝影測量技術在城市三維建模中的應用探討

文翠蘭

摘 要：三維城市使用描繪城市地表景觀的三維立體模型來展示城市的空間構型信息，可以說是城市信息不可或缺的載體。對于城市的規劃、創建、維護以及應急來說含有非常重要的用途，三維城市已經全面地呈現出它在經濟和實用方面的有利價值。傾斜攝影技術合理的將定位、圖像、攝影等多方面的技術融合在一起，在速度極快的物體上捆綁攝影、定位設備，可以更加全面、快速、精準地采集相關地理信息。所以無人機傾斜攝影技術已經被廣泛應用于各個領域。

關鍵詞：無人機傾斜攝影技術；城市三維建模；應用

1無人機傾斜攝影技術的原理及優點

1）無人機傾斜攝影可以快速、高精度的反映研究區的真實狀況，相比于數字正攝影像，他可以從不同的角度去獲取數據，顯示效果更加真實、立體，從而極大彌補正攝影像應用的狹隘性。

2）在測繪領域單張影像的快速測量，利用無人機傾斜攝影技術可以快速的實現。在傾斜攝影測量工作中，可以直接測量物體的角度、坡度、面積、長度、寬度、高度等各個方面，該項技術快速、并且精度高，極大的拓展了傾斜攝影測量技術在測繪和地理信息領域的應用。

3）無人機傾斜攝影技術可以對建筑物的立面和側面的紋理進行采集。以往城市三維建模工作，都是由人工采集紋理數據，再進行三維建模，這種作業方式效率低，成本高。無人機傾斜攝影技術可以應用在三維建模領域，利用無人機航空攝影可以快速大面積成圖的優點，以及對建筑物的立面和側面的紋理進行采集的方式，可以極大地提高三維建模效率并降低了其成本。

4）無人機傾斜攝影技術所收集的數據極易于網絡發布，并且數據量小。以往的傳統人工三維建模工作，往往因為數據量大，操作不方便。而傾斜攝影技術采集的數據要小的多，這樣的話可以將獲取的數據快速進行網絡發布，從而實現共享應用。

5）應用領域比較廣泛。無人機傾斜攝影技術既可以反映測區的真實地表情況，并且該技術包含過高精度的定位系統，在實際飛行中可以賦予成果數據高精度的空間地理信息，極大擴展了數據的應用領域，不僅僅是在測繪與地理信息行業，在其他相關行業也可以得到應用。

基于以上優點，隨著無人機傾斜攝影技術最近幾年的快速發展，該項技術在國內外發達地區已經廣泛應用于國土勘查、城市建設、規劃等諸多行業。

2無人機傾斜攝影技術在城市三維建模中的應用

2.1無人機數據獲取

文中以黃山市屯溪區為例， 本測區范圍共88.46平方公里，測區內居民地比較集中，基本為街區式、徽派建筑，郊區農村民居多為散列式房屋。當地中央子午線為118°30′，飛行環境良好。

航攝工作由飛燕航空遙感技術有限公司承擔，下視影像地面分辨率優于等于0.02m，測區航線沿直線方向布設，平行于測區邊界線的首末航線的側視鏡頭，以便獲取測區范圍有效影像。為確保無人機航拍影像的質量，每個架次都增加了航帶及各航帶的照片數量，使其航向重疊不低于80%，旁向重疊不低于60%，采用等距離間隔曝光模式進行拍攝。

2.2數據處理技術流程

采用Smart3D專業軟件對采集的數據進行分析處理，該軟件能夠無須人工干預地利用連續多角度影像，生成高密度點云，并在此基礎上全自動地將紋理映射到對應的模型上，快速生成具有真實影像紋理的城市三維場景。

2.3影像預處理

無人機拍攝影像完成后，需對獲取的影像進行質量檢查，檢查內容包括影像質量、文件格式、影像的重疊度、影像變形及POS信息與影像對應關系等，對質量不佳的影像進行修復。此外，為保證影像色彩整體美觀要求，還需對原始影像進行勻光勻色，確保整個測區影像數據整體色調一致，且單張相片無偏色。

2.4空三加密及實景三維模型構建

基于Smart3D專業軟件平臺，對多視影像進行區域網聯合平差，結合POS系統提供的多視影像外方位元素，采取由粗到精的金字塔匹配策略，對每級影像進行同名點獲取、自動匹配及自由網光束法平差。利用影像密集匹配技術自動匹配出所有影像中的同名點坐標，進而生成對應地物高密度點云數據，精確地表達該區域的地物細節。

基于點云數據來構建地物三角網（TIN）模型，優化三角網，將內部三角的尺寸調整至與原始影像分辨相匹配的比例，分析連續曲面的變化，并簡化相對平坦地區的三角網，降低數據冗余，構建TIN模型矢量框架。利用空三加密建立影像之間的三角關系形成TIN，再由TIN構成白模，軟件自動從影像中獲取對應的紋理，并將糾正后的影像紋理賦予到對應的白模上，最終生成測區實景三維模型。

2.5精度分析與效率對比

本項目為三維模型生產項目，像控點布設采用區域網布設。像控點采用AHCORS系統網絡RTK方式測量，實際作業中，高程控制點按平高控制點實測；在進行布點前，先根據范圍和設計航線對測區進行基本的分區，分區時盡可能采用矩形，再根據分區情況進行布設，區與區接邊的部分保證有3個及以上的控制點共用，以保證模型的接邊精度；測區像控點進行區域網布點時，按每平方公里布設3個像控點、3個檢查點。檢查點應選在影像清晰、目標明確的地方；不規則區域網布點時，應在凹凸拐角處加布平高點；像控點一般應布設在航旁向重疊范圍內，使布設的像控點盡量公用。

根據技術設計書的要求，三維產品上明顯地物點相對于附近野外控制點的平面位置中誤差不大于0.5米，高程中誤差不大于0.8米，在分區時，空三加密區之間旁向范圍要超出分區邊界不少于3條基線；航向超出分區邊界不少于7條基線，以保證控制點量測精度和邊界處模型紋理完整要求。

像控點和檢查點均基于AHCORS系統，采用GPS-RTK進行野外測量，并將外業測量的坐標作為實測值，在三維模型上量取檢查點坐標，通過和實測數據進行對比。為檢測區域內三維模型精度是否滿足要求，采用量測法在Acute3DViewer平臺下對照全區分布的檢測點進行精度檢查，檢測點均勻分布在地面、低層建筑物、高層建筑物等不同高度上，共檢查77個檢查點。根據與檢測點對應的地物點的差值計算出點位中誤差：

平面位置最大殘差0.181米，平面位置中誤差0.111米。

高程最大殘差0.125米，高程中誤差0.073m。

通過檢測結果可以看出，基于無人機傾斜攝影測量的三維建模精度較高，完全可以滿足項目的要求。

工作效率方面，采用無人機每天可航拍3個架次，1個架次航拍6km2，在天氣良好的情況下5天即可完成拍攝任務，數據采集約5天，其余工作可通過計算機自動處理和內業人員手動操作，整個數據處理及單體化工作完成約25天，模型質量檢查約5天，整個項目完成約40天。對比傳統的三維建模主要包括數據采集、模型制作、紋理貼圖、模型渲染入庫等，整個項目完成約90天。經比較分析可知，采用無人機傾斜攝影測量技術進行三維建模，不僅提高了工作效率，還減少了外業工作量。

結論

隨著時代的變化、科學技術水平的不斷提升，無論是國外還是國內，均在三維立體城市模型構建中投入了不少的財力與人力。與此同時，三維模型的精準度不能局限于傳統的建筑模型的精準度，它仍然有很大的發展空間。無人機傾斜攝影測量技術的勘測還在繼續，其水平也有待提升。總而言之，我們要從細節部分入手，最大程度上滿足用戶的需求，提高它的辦事能力與精準度，使其可以更好地推動國家公共事業的發展，可以更好地造福人民。

參考文獻：

[1]李杰，馬強.無人機低空傾斜攝影測量技術在瑪納斯智慧城市建設中的應用[J].巖土工程技術，2018，32，158（04）：15-18+53.