無人機傾斜攝影測量三維建模及應用

肖登枝

(漳州市測繪設計研究院，福建 漳州 363000)

1 引 言

隨著無人機可載重量的增加，電池續航工藝水平的發展，采用無人機搭載多鏡頭攝影相機，實現多維度地快速獲取地物信息成為可能。無人機傾斜攝影測量[1]主要是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同角度采集影像，獲取地面物體多維度的更為完整準確的信息。其采集的數據成果豐富，可以輸出地形圖、DOM、DEM、實景三維模型等多種類型的產品。本文主要通過在漳州市實際測繪生產中的多個應用實例，對無人機傾斜攝影測量三維模型的生產方法及應用方向進行探討。

2 作業流程

無人機傾斜攝影測量三維建模主要是通過傾斜攝影獲取的多角度的影像數據，通過自動化建模軟件，生產三維模型。其整個生產作業流程如圖1所示。下面以漳州市角美鎮東山村三維實景建模為例，簡述作業流程。

圖1 傾斜攝影測量三維建模簡略技術流程圖

(1)前期準備

根據測區地理情況及天氣情況等，合理安排工期，設計航線，最終成果要能滿足 1.6 cm的影像分辨率、 5 cm三維模型分辨率精度要求。測區位于漳州臺商投資區中心區，面積約為 0.88 km2，現狀以聚居居民點為主，交通方便。按照當前作業效率，以一架無人機為例，大致可飛行范圍是0.7 km2/架/天，故擬投入無人機系統1臺套，預計兩個工作日即可完成航測外業。

(2)航攝飛行及控制測量[2]

選擇天氣晴朗、無云霧、風速在8 m/s以下、能見度大于 5 km，太陽高度角大于45度時平坦空地，周邊無高壓線、高層建筑及高大樹木等遮擋，起降方向與當時風向平行，操縱無人機航飛。控制點必須選在影像清晰的明顯地物點上，如斑馬線角點或其他接近正交的線狀地物交點，如現場無合適布設控制點的，必須提前用油漆繪制標志，不可選取，使用且盡量選在上下兩條航線6片重疊范圍內，使布設的控制點能用于多張像片。

(3)三維建模生產

這一階段現在一般都可以通過軟件自動完成。空三加密點計算出不規則三角網TIN，并且生成白模的三維模型，再通過紋理貼合，最后生成紋理逼真的實景三維模型[3]。根據生產的模型的具體情況，對水體空洞等進行修改編輯加工，對遮擋部分外業調繪補測，重新更新整合數據，最終生成實景三維模型。

3 與傳統三維模型比較

傳統的三維模型制作通常采用數字正射影像圖與數字高程模型進行疊加，快速建立大場景的地表三維模型，其生產出的三維模型紋理分辨率不高，缺少側面紋理信息，實質上是2.5維的數據產品。對于局部需要精細建模的場景，再采用人工拍照、貼上紋理的方式進行。但由于照片分辨率、角度等問題以及采用的原二維數據底圖質量和精度問題，即使這樣也并不能完全展現建構筑物各個角度的細節。

而采用傾斜攝影測量生產的實景三維模型，是采用多鏡頭、多角度、實時拍攝的，能夠不受地形地貌限制，更加真實全面立體地反映地表物體的局部細節和整體層次[4]。其仿真度、建模效率相比傳統的三維模型制作方式，均提高了很多；而時間成本、經濟成本均能得到降低。

4 應用方向

無人機攝影測量相比于傳統的測量方式，更加高效。獲得的三維實景模型在大比例尺測圖、征遷測量、兩違管控、礦山測量、城市規劃服務、管線隧道橋梁電力等巡檢、不動產登記、應急測繪保障等多個方面都能得到有效應用。下面以漳州市測繪設計研究院在漳州市采用傾斜攝影測量三維建模生產的5個主要應用方向為例進行介紹：

(1)大比例尺測圖

通過對生產的測區實景三維模型轉化數據格式后導入圖形編輯軟件進行編輯，賦予圖層與屬性信息，即可制作大比例尺地圖。因為無人機拍攝的低空影像數據一般來說分辨率較高，其相應的成圖精度也會較高。而由于高分辨率的影像模型存在，將節省了外業的工作量，提升了工作效率。其生產的地形圖精度也在實際工作中得到了驗證，多地已經開始將采用該方式獲得的地形圖成果用于農村集體土地登記確權、不動產登記等工作中。

(2)礦山測量

通過立體三維采集，比平面圖能更真實地反映出陡坎、斜坡、深坑等特殊地貌。在當前環境保護的大趨勢下，三維模型能更精確地表達出礦山、礦坑的現狀，應用于礦山的整治與修復甚至開發利用。漳州市測繪設計研究院采用傾斜攝影測量技術，對漳州臺商投資區金山礦坑項目，進行了現狀地形地貌采集工作。因為該廢棄礦坑其最低點已深入地下一百多米，且礦坑邊緣多為接近垂直形態的陡坡，所以作業人員難以直接進入坑底。同時，傳統的地形圖的表達方式并不能直觀體現其在縱面上的變化，為礦坑的后續改造利用帶來了困難。采用無人機傾斜攝影測量，對坑壁、坑底等特殊地貌進行數據采集，建立三維模型，直接展示了該礦坑的真實地貌，為礦坑的后續整治及是否可開發利用提供了決策依據，如圖2所示。

圖2 漳州金山礦坑測量建模成果

(3)服務城市規劃

通過對基礎地形地貌資料的快速采集，用于規劃編制前期工作或者多個選址方案對比決策，甚至可以進一步與工程建設方案的效果圖進行拼接，直觀體現工程竣工后片區整體效果。目前，大多數城市規劃編制的原始資料主要為數字化地形圖，對于非專業人士來說還是不夠直觀。如果能夠將采集的各個角度的影像資料與項目擬實施的鳥瞰效果圖相結合，能使人直觀感受到項目建成后是否與周邊環境協調等。通過在重要的城市規劃節點提供多個效果圖加實景圖的對比方案，便于政府或項目業主進行決策。如圖3所示，漳州南湖生態文化園三維實景模型與鐘法橋、南江濱路規劃效果的套合圖。

圖3 漳州南湖生態文化園三維實景模型與鐘法橋、南江濱路規劃效果的套合圖

(4)征遷測量

三維模型能提供實時的多維度的房屋信息，足不出戶即可查詢顯示建構筑物面積、層數、高度等信息，也可以在前期對征遷量進行估算，能夠給人以更直觀的感受，便于征遷工作開展。在漳州市龍文區湘橋村的征遷測量工作中，作業人員先直接進行了傾斜攝影測量，獲得了待征遷部分的實時三維數據，并將該數據在鎮政府辦公大廳進行實景展示。對于征遷面積有爭議的村民可以隨時查詢，促進了征遷工作的順利開展。該方式既能一定程度上解決征遷糾紛，也能對違建搶建行為起到一定震懾作用。

(5)“兩違管控”

將前一時間節點的CAD數據(主要是房屋輪廓線與層高數據)與實時的攝影測量數據進行疊加，即可直觀分辨出區域內房屋增建或拆遷情況。一般采用正射影像即可進行對比，但是對于增加層數、改變用途等違建方式，正射影像并不能較好地體現出來。比如有的違建采用在頂層搭建的鋼結構棚房內增建，正射影像表達的頂面是看不出變更的。此時，三維實景模型就有了用武之地，可以根據獲得的多角度數據清晰分辨出房屋層數、建筑材質是否有變更。而將之前的房屋輪廓線、建筑物高度等CAD格式的數據導入套合現狀三維模型進行對比，因為比高的存在，可以非常直觀反映出增建、改建、拆除等情況。如圖4所示，即為劉宅村2018年房屋輪廓線與建筑物高度數據套合2019年三維實景模型的情況。

圖4 漳州臺商投資區劉宅村2018年房屋輪廓線與建筑物高度數據套合2019年三維實景模型

5 無人機傾斜攝影測量三維建模存在的問題

無人機傾斜攝影測量三維建模因為能快速、多角度采集位置、紋理、高度等屬性信息，相比傳統三維建模方式，具有速度快、效率高、精度高、更經濟等多種優勢。其應用場景豐富，以上提到的5個方面只是冰山一角。但是目前的發展仍然存在一些不足，受到了一定制約。

(1)經濟方面

為了獲得高精度的影像數據，提升三維建模精度，需要降低飛行高度以及采用高分辨率的鏡頭。而當降低飛行高度時，其相應的航片數量會增大，需布設的像控點數量也會增多，數據的處理、存儲、發布等也需要較高的硬件配置；另外，分辨率越高，相機鏡頭單價也越貴。項目前期投入較大。

(2)數據處理方面

由于外業實際情況復雜，各種地形地貌可能會導致數據含有粗差，進而影響后期數據精度。比如，大面積的水面會產生高反射現象導致生成的面域信息不準確；樹木等異物遮擋可能導致被遮擋的數據不能采集，形成類似鋸齒狀的表面模型，這些情況都需要對圖面進行修補或通過其他常規測量方式進行補測后再建模接邊。

(3)其他方面

因為無人機電池續航能力、機身大小及載重等因素限制，外業航飛時要注意隨時更換電池。因電池脫落或電池續航電力不足等各種原因導致的無人機墜落的問題也層出不窮，導致數據有丟失的風險。前兩年主流的無人機一般一個架次飛行時間在 25 min～30 min左右。目前隨著科技發展，機身設計優化、風阻減小，電池續航能力得到提升，每架次飛行時間已經能夠提高到 45 min～50 min。

6 結 語

雖然無人機傾斜攝影測量三維建模存在一些不足，但是它高效、直觀等的優勢也很突出。我們可以預期，隨著行業發展，各種技術瓶頸將得到突破。首先，各種硬件的價格將越來越低廉，無人機傾斜攝影測量的成本也將更加低廉、數據處理能力將得到進一步提升。其次，攝影測量技術在以后的發展中能夠與激光掃描等其他技術進行整合，從而解決遮擋等問題，避免后期補測工作，提升效率。再次，電池續航能力以及載重能力的進一步提升，將使得采集的數據精度提高，飛行效率增加。所以無人機傾斜攝影測量三維建模必將在更多行業迎來更廣泛及深入地應用。