基于傾斜攝影測量的三維建模技術初探

徐建英

摘要：當前建模已由二維平面向更為立體和形象的三維模型轉變，使得“數字城市”等觀念已在各項技術的支持下，逐漸轉化為現實以跟上城市信息建設發展的需求。無人機傾斜攝影測量在此過程中發揮了巨大的作用，為技術人員提供了與建模相關更為精確的數據。本文從介紹無人機傾斜攝影測量的概念與原理入手，探究其在建立三維模型時所涉及的技術，并對建立的模型從精度角度進行了分析。

關鍵詞：傾斜攝影;三維建模;精度分析;測量

Key words： tilt photography; 3D modeling; accuracy analysis; measurement

構建“數字城市”首先要建立起該城市的立體三維模型，可通過在獲取復雜城市空間分布信息的基礎上輸入進特定的系統以完成建模[1]。其中，空間數據獲取的速度與準確性直接對數字化城市的構建進度產生影響。現階段，技術人員采取在體積較小、操作性強的飛行器上綁定傳感器的方式完成對城市建筑物的數據信息采集工作，一方面避免因人力測量而帶來的危險性和難操作性，另一方面也提高了測量的精度和速度，實現在采集的同時完成三維實景建模。

一、傾斜攝影測量概述

傾斜攝影測量技術通常依靠無人機搭載的攝影及傳感設備來實施操作，具有體積小、能耗低、靈活快捷等優勢[2]，且能與技術人員的建模設備直接相連，實現數據的即刻傳輸，集二維與三維于一體，避免了單一形式造成的偏誤，是現階段采集城市空間信息較為理想的方法之一。

（一）傾斜攝影測量原理

傾斜攝影測量背后的原理在于，首先承載該技術的無人機上會搭載像素較高的攝影設備與準確度較高的傳感設備，當攝影設備的主光軸偏離鉛垂線呈一定夾角時，對目標建筑開啟采集數據任務[3]。以多個角度采集的影像資料為參考依據傳輸到技術人員的設備后開始建模，其要點在于通過對多視角影像反饋的信息施以聯合平差的方法，避免了周圍遮擋物對其的干擾，使地理要素彼此之間的連接變得更為順暢，自動化程度較高，準確性也得到了質的突破[4]。

（二）傾斜攝影測量下的支撐技術

由無人機承載的傾斜攝影測量以無人機飛行控制技術、基于GNSS與慣性的導航系統、地機聯控系統與數據傳輸技術等為支撐[5]，在保證飛行設備穩定運行的基礎下，實現傾斜攝影的順利實施。具體為：其一，技術人員優化了飛行器的內部框架，將飛行器的控制系統與導航系統作為設計的核心，融合了紅外傳感、導航等多重技術，使技術人員能夠隨時控制其飛行的高度、速度、姿態等，使其能夠在遮擋物較為密集的區域暢通飛行;其二，技術人員優化了飛行器的氣動外形，降低了氣流對其的飛行阻力，使其具備抵御不良天氣的能力。

二、傾斜攝影測量與三維模型建立

由無人機承載的傾斜攝影測量在建立三維模型時，通常有四個步驟：影像配對、三角測量、三角網構建與密集配對、紋理匹配。

影像配對即無人機搭載的攝影設備通過傾斜攝影獲得了目標建筑不同角度的真實影像數據[5]，為使后續目標影像的融合與識別工作的順利進行，需提前通過算法將反射影像資料的同名點找到，以此建立不同目標影像資料間的聯系。三角測量該步驟主要采用共線方程的計算來實現對同名點坐標、反射目標建筑外方位的數據等信息的求解。此過程中，為了將上一步驟獲取的匹配信息校正到一致的參考空間中，則必須獲取其在空間中橫豎縱三個方位的測量坐標點，以此完成對該數據的處理。在上述兩個步驟完成后，目標建筑及周圍方位的正確模型已經初步建立。為其變得更為精確與實物接近，需要將反映的影像資料與目標建筑進行更為系統和密集的配對。紋理匹配是三維建模的最后步驟，目的在于對已建成的模型作表面裝飾。具體是通過將目標建筑在二維平面中呈現的特點逐一與三維模型中的細節相對照，在獲取更多詳細特征信息的基礎上，進行紋理的構建。

三、探究傾斜攝影測量建立三維模型的精度

探究由無人機搭載的攝影設備對目標建筑進行測量而形成模型的精度，可以從測量方法與系統本身、反映影像重疊程度、控制點計算、數據計算與傳輸等角度入手。首先，測量方法與系統本身，這一角度造成的誤差主要跟攝影設備及傳感設備本身就存在著一定的不精確性相關，在設備外觀與功能完好的情況下，幾乎不會對建模結果造成較大影響。解決辦法可通過定期對飛行器及其搭載的測量設備進行功能檢測，在實施測量時注意當天的天氣預報。其次，反映影像重疊程度;密集的影像資料傳輸會帶來信息上的重疊，其可對三維建模作糾正提供數據支撐。通常情況下，可通過同一角度多張影像資料的傳輸解決這一方面存在的誤差。再者，控制點布設需滿足與目標建筑相關的區域精度要求，其在數量、方案及獲取的位置都可能影響模型三角計算的結論。最后，由數據計算與傳輸造成的誤差與構建三角網時對信息的選擇、三角網尺寸的確立、重疊點的選取、紋理對照數據庫的建立與運用等多個角度有關。

四、結語

與“數字城市”相關理念的提出，是我國信息化技術發展的見證，也是當前進行城市空間管理與布局的必然要求[6]。通過無人機搭載攝影與傳感設備，實現對目標建筑或區域進行傾斜攝影與測量，從而完成數字化三維模型構建的過程，需要較多技術的融合支撐。在其實施過程中，需嚴格按照程序流程和保證無人機設備功能與外觀正常的情況進行，以提高建模的精度。

參考文獻：

[1]秦愛梅.試談無人機傾斜攝影測量技術在三維數字城市建模中的應用[J].電腦編程技巧與維護，2020（02）：143-144.

[2]余章蓉，范鴻潤，朱景輝，羅濟彬，郭乾政.無人機單鏡頭傾斜攝影測量及三維建模技術方法研究[J].軟件，2019，40（12）：51-55.

[3]李芳，劉洋洋，李孫桂.傾斜攝影測量技術在城市三維建模及三維數據更新中的應用探討[J].中國標準化，2019（20）：49-50.

[4] 楊明軍，康冰鋒，韓丹.基于LiDAR和傾斜攝影測量技術的實景三維自動化建模方法[J].科技資訊，2018，16（33）：93-96.

[5]付博，陳姍，張俊.無人機傾斜攝影測量技術在三維數字城市建模中的應用[J].湖南工業大學學報，2019，33（05）：79-83.

[6]田超，王書陽.基于無人機傾斜攝影測量技術的三維建模及其精度分析[J].資源信息與工程，2019，34（01）：125-126.