“傾斜航攝+地面拍照”空地融合實景三維建模技術

陳麗瓊，王亞軍

(長沙市規(guī)劃勘測設計研究院，湖南 長沙 410007)

1 引 言

隨著無人機航攝技術的成熟、高精度差分系統(tǒng)的應用、實景三維自動化建模軟件的普及，無人機傾斜攝影實現(xiàn)自動化實景三維建模的技術已成為近年來較為成熟的三維模型生產(chǎn)技術了，這種模式生成的三維模型成果應用也越來越廣泛。

傾斜攝影測量技術是通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè)5個不同的角度采集影像[1]。無人機傾斜攝影自動化實景三維建模生產(chǎn)的三維模型成果，較為普遍的應用就是：傾斜實景三維模型進入各種信息系統(tǒng)，成為各種專題信息三維表達的位置參考和屬性掛接載體。這一應用的出現(xiàn)，使得實景三維模型的功能應用從遠觀升級到近看。然而，單獨使用無人機傾斜攝影自動化生成的實景三維模型，遠觀非常漂亮逼真，一旦鏡頭拉近到地表視角近看，就會發(fā)現(xiàn)三維模型接近地面的部分，紋理模糊且不清晰、模型體凹凸不平甚至失真。為了解決這種矛盾，越來越多的建模單位采用將實景三維建筑模型體單體化的方式，這使得模型漂亮逼真了，但是由于坐標數(shù)據(jù)和模型紋理數(shù)據(jù)的采集與處理均需要大量的外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作，這使得不僅工作量大，而且周期較長[2]，人工成本明顯增多，建模效率大大降低。為了解決新出現(xiàn)的矛盾，本文研究了一種“無人機傾斜航拍+地面定點拍照”空地融合自動化實現(xiàn)實景三維建模的解決方案，將空中與地面視角拍攝的照片優(yōu)勢互補，滿足遠觀近看的瀏覽需求[3]。利用無人機傾斜攝影照片和地面定點拍照的照片，進行空地融合空三，最后生成遠觀近看都漂亮逼真的高精度實景三維模型。該技術具有獲取數(shù)據(jù)真實、精度高、速度快的特點和優(yōu)勢，可以真實映射我們所處的世界三維環(huán)境[4]。

2 空地融合解決方案簡要流程

如圖1所示：

圖1 空地融合解決方案流程圖

3 空地融合實景三維建模解決方案技術過程

本方案大致流程是：早晨早起時，光照不符合航飛作業(yè)，此時可以進行像控點布測；在光照合適時進行低空高分辨率無人機傾斜航拍；在進行航飛時，飛行過程留一人進行飛機監(jiān)控，剩下的人員進行目標建筑物地面定點拍照，這樣能最大限度地進行人員利用。然后回到內(nèi)業(yè)，運用該傾斜航片配以實測地面像控點進行高精度區(qū)域網(wǎng)傾斜空中三角測量，形成帶真實坐標的高精度傾斜空三成果；同時運用另外一臺電腦利用地面定點拍攝的照片進行無控制空中三角測量，形成不帶真實坐標的空三成果；接著運用添加連接點的方式，將兩臺電腦中無坐標的地面空三成果配準到高精度傾斜空三成果中。最后自動進行空地融合區(qū)域網(wǎng)空三平差解算，并生成高精度、遠觀逼真、近看真實美觀的實景三維模型。

3.1 無人機傾斜航拍

無人機傾斜攝影可采用多旋翼無人機系統(tǒng)執(zhí)行，飛前利用已有的參考資料(地形圖、影像圖、DEM等)進行航線的規(guī)劃和像控點設計，保證航飛的有效與安全。無人機搭載5鏡頭相機一次曝光可獲取地面5個方向的高清晰度照片。無人機上搭載一套ppk后差分系統(tǒng)，能實時記錄曝光點位置信息，配合GNSS連續(xù)運行參考站系統(tǒng)模擬虛擬基站數(shù)據(jù)，通過后差分解算能獲取照片曝光時刻的準確空間位置，可減少地面控制點的同時，大大提高后續(xù)區(qū)域網(wǎng)空三加密精度，保證基礎資料的可靠性。

主要技術參數(shù)如表1所示：

無人機傾斜航拍技術參數(shù) 表1

要求：①航片成果數(shù)據(jù)、PPK數(shù)據(jù)、POS數(shù)據(jù)數(shù)量一致；

②航片色調(diào)基本一致、細部紋理清晰、對比度及曝光量適當，無條帶、色斑等缺陷。

3.2 地面定點拍照

拍照法則：多角度、高重疊、高分辨率。

拍照方法：圍繞目標建筑物四周，等間距逆時針或順時針拍照；相鄰兩個拍照點正對目標物拍照的照片保證有60%重疊；每個拍照點拍3張照片，3張照片內(nèi)每張照片夾角小于15°。

拍攝方法如圖2所示：

圖2 地面定點拍照方法示意圖

圖中：1、2、3、4、5、6是拍照點位；照片1、2、3、4、5、6為相鄰點位主視圖照片，他們之間重疊度大于60%，以此來決定拍照點位的間距；角a小于15°；點位上的三張照片為左片(A)、主片(5)、右片(B)，主片為正對目標物的照片。拍照點位根據(jù)主片重疊度決定，轉(zhuǎn)角上的點位需要加密1倍，如圖中7、8、9、10、11點位。

3.3 像控點布測

以3 cm分辨率為例。每平方公里布設4個～6個地面像控點點位，點位選擇開闊無遮擋的區(qū)域，依據(jù)航空攝影測量技術要求均勻布設。可根據(jù)像控點布設方案在無明顯特征區(qū)域布設靶標。

利用似大地水準面精化模型進行GNSS RTK高程測量。為進一步保證像控點的測量精度，實地測量時，采用三角支架穩(wěn)定GPS天線，采集數(shù)據(jù)時確保平面收斂值小于 2 cm，高程收斂值小于 3 cm，每個像控點至少采集5個測回進行內(nèi)符合精度檢驗，取各測回的平均值作為像控點坐標成果，確保像控點測量精度平面優(yōu)于 2 cm，高程優(yōu)于 3 cm。像控點平面位置和高程測量均采用GPS-RTK方法，兩者同步進行。

3.4 區(qū)域網(wǎng)傾斜空三加密

本方案采用多視角相機鏡頭獲取多角度影像，通過全自動化后期處理軟件Contextcapture快速獲取城市實景三維模型[5]。首先無人機航拍照片數(shù)據(jù)整理后，在區(qū)域網(wǎng)空三加密軟件中創(chuàng)建一個測區(qū)block1，導入航片數(shù)據(jù)進行預處理，然后進行像控點刺點，最后進行區(qū)域網(wǎng)多鏡頭聯(lián)合平差傾斜空三加密，得到帶真實坐標的傾斜空三成果。

3.5 區(qū)域網(wǎng)地面照片空三加密

本方案采用普通數(shù)碼相機或智能手機拍攝獲取照片，然后使用Contextcapture軟件進行基于多視照片的三維重建[6]。首先將地面定點拍照的照片清除廢片后，然后在區(qū)域網(wǎng)空三加密軟件中創(chuàng)建一個測區(qū)block2，導入照片進行地面照片空三加密解算，得到無坐標的地面照片空三加密成果。

3.6 添加連接點

在block1中，在兩類空地照片同一目標建筑上同名位置選取每個墻面至少3個點作為同名連接點，選點時選取在地面照片上容易找到并合理分布的點，然后進行刺點，并截圖保留點位圖；最后導出這些連接點作為block2的控制點。

在block2中，把block1中刺好的連接點作為控制點導入加密平臺，根據(jù)保留的點位圖進行刺點，然后選擇剛性配準運行空三解算。此時block1與block2就通過刺入的連接點做了匹配，使得block2具有了跟block1相同的坐標位置信息。

3.7 空地融合自動創(chuàng)建傾斜實景三維模型

將經(jīng)過最后空三解算的兩個block1測區(qū)與block2測區(qū)的空三成果進行merge合并，然后創(chuàng)建新的生產(chǎn)項目，提交生產(chǎn)生成空地融合后的實景三維模型。

此時生成的實景三維模型具有傾斜三維模型的上空效果，也具有接近地面視角的效果，尤其在很多有通道的高樓建筑物方面，鏤空的部分無須進行人工處理，就跟實地一模一樣了。

4 總結(jié)及展望

隨著三維建模技術的不斷發(fā)展，三維數(shù)字城市正成為數(shù)字城市到智慧城市升級的主要建設內(nèi)容之一，日益滲透到整個城市生活的方方面面[7]。作為新型三維模型制作手段，空地融合實景三維建模技術將在城市管理、國土規(guī)劃、土地確權、宅基地管理等領域得到廣泛應用[8]。其中，傾斜實景三維模型進入各種專題信息平臺的應用最具代表性。長沙近年來開展的地下管線三維信息平臺，都是以傾斜三維模型為位置表述，輔助地下各種管線三維的呈現(xiàn)和分析，這將傳統(tǒng)的二維管線管理提升到可視化三維的高度。近年來開展的不動產(chǎn)信息管理，由于用地信息和自然幢信息的二維表述，使得存量的不動產(chǎn)信息掛接不直觀方便且容易出錯，這將迫切需要三維不動產(chǎn)管理模式來改變原有的二維管理模式。作為自動化程度較高的“無人機傾斜航拍+地面定點拍照”實景三維建模空地融合解決方案，將是最合適的城市三維模型生產(chǎn)技術，它將最大限度地縮短工期，降低成本，提高可視質(zhì)量和位置精度。這種新的概念框架、方法和技術，將為城市的管理和發(fā)展插上智能化的翅膀。