應用無人機傾斜攝影測量的佛山城市三維建模技術探討

古敏聰

摘? 要：無人機傾斜攝影是當前熱門的城市三維建模研究和應用內容。本文介紹了無人機傾斜攝影技術，分析了無人機傾斜攝影在城市三維建模的應用情況，分析了無人機傾斜攝影在三維城建建模過程和成果中的優劣勢，探索總結了一套無人機傾斜攝影城市三維建模的改進方法，將傾斜攝影和MAX等技術有效結合進行城市三維建模，最后介紹了利用改進方法在佛山市進行三維建模的實踐案例，指導和推進基于無人機傾斜攝影三維模型的質量改善。

關鍵詞：無人機? 傾斜攝影測量? 三維城市模型? 空三加密

中圖分類號：P231 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2020）07（c）-0175-03

Abstract： UAV tilt photography is a popular research and application content of urban 3D modeling. This paper introduces the technology of UAV tilt photography， analyzes the application of UAV tilt photography in urban 3D modeling， analyzes the advantages and disadvantages of UAV tilt photography in the process and results of 3D urban construction modeling， explores and summarizes a set of improvement methods of UAV tilt photography in urban 3D modeling， and effectively combines tilt photography and Max technology to carry out urban 3D modeling After that， it introduces the practice cases of 3D modeling in Foshan City by using the improved method to guide and promote the quality improvement of 3D model based on UAV tilt photography.

Key Words： UAV; Tilt photogrammetry; 3D city model; Space three encryption

三維城市運用描述城市地上景觀的三維模型來表達數字城市空間信息，是表達城市信息的重要載體，對城市規劃、建設、管理和應急響應有著極其重要的作用，三維城市已經展現出其較高的經濟價值和應用潛力。

傳統的三維城市模型生產制作是結合遙感影像圖和地形圖，得到精確的、可靠性強的建筑物模型、道路模型及其他景觀小品模型，將組成城市要件的各類三維模型集成為三維城市場景。這種方法適合于普通精度的三維城市建模，但是對于高精度、高仿真、大區域的建模，傳統方法勢必需要投入更多的作業人員，其建模速度、效率以及時效難以滿足三維城市的應用。

三維城市建模也可以利用三維激光掃描獲取地面三維幾何數據，運用激光測距原理快速建立物體三維模型，但是該方法不能解決紋理數據獲取和處理的問題，紋理貼圖依然需要依靠大量人機交互來完成，無法進一步的提升城市三維建模質量。

1? 基于無人機傾斜攝影的三維城市建模方法分析

中國、美國及歐洲部分國家正在開展基于無人機傾斜攝影測量技術的三維城市模型生產和應用，對于城市三維建模，無人機傾斜攝影測量技術有以下優勢：

（1）無人機機動性強、成本低，能夠滿足多種尺度的攝影測量數據采集;

（2）能夠快速處理大范圍場景的傾斜影像，建立具有高精度的真三維模型;

（3）高分辨率影像自動貼圖，提高三維模型的生產效率;

（4）可量測、可定位的三維模型，模型數據直接進行網絡發布和共享應用。

無人機傾斜攝影測量技術利用航空影像快速數據獲取方法，一次性處理多幅影像，建立區域初始實景三維模型，該技術能夠節約大量人工建模時間成本，提高三維城市發展的效率。

利用無人機傾斜攝影影像進行三維城市模型生產流程如下：

在實際的生產處理過程中，受無人機等設備、大氣環境及軟件算法影響，實際模型會有一定的畸變和錯誤，引起視覺誤差和應用障礙。主要的模型畸變及原因有：

（1）無人機姿態變化和顛簸影響影像重疊度、幾何畸變等，造成模型凸包、破洞等;

（2）大氣環境噪聲引起的模型飛面、凸包等;

（3）不同時段光照引起的模型紋理不均勻、破洞等;

（4）像主點落水而引起的水面缺失等;

（5）影像分辨率不足或影像模糊而引起的地物模型邊緣平滑等。

引起模型缺陷的原因是多樣化、復雜的，這也是當前階段下基于無人機傾斜攝影測量技術進行三維城市建模所面臨的不可避免的問題，采用無人機傾斜攝影測量技術快速、高效生產三維城市模型并提高三維城市模型質量是亟待解決的問題。

2? 基于無人機傾斜攝影三維城市建模優化方法

通過分析三維城市模型建設現狀和模型成果的缺陷，可知現狀三維城市模型需要改進的方面有：（1）幾何修復：對破洞進行修補，凸包抹平并還原，刪除飛面等碎部;（2）細部整飾：重要地物和標志物的三維模型整飾或替換;（3）紋理修補：替換和修補不均勻紋理、清晰度不夠的紋理等。

實際上，紋理映射和曲面平滑始終伴隨著幾何修復的過程，如何在幾何結構修復的同時提高從傾斜影像中提取紋理的速度，是目前主要的問題之一。

3? 無人機傾斜攝影測量

3.1 三維城市模型的二次處理

結合傳統建模的優點和成熟技術，對無人機傾斜攝影三維成果模型中需要改進的地物目標或區域進行二次處理的技術路線如圖2所示。

3.2 利用空三成果快速修復模型

攝影測量空三加密是根據若干均勻分布于區域內的控制點，運用立體測圖技術，計算得到匹配加密點的高程和平面位置。空三加密過程是基于傾斜攝影測量技術三維建模重要的步驟，空三運算后的影像是經過校正和絕對定向了的，多張影像間的同一匹配點能夠準確疊合，影像上的任一點具有空間幾何信息，即具備定位性質和可量測性。

開發一套模型輔助編輯系統，導入空三加密成果和初始化重建三維模型，根據空三技術和空三加密成果的特點，利用空三加密成果，對原始模型缺陷明顯的目標和區域進行幾何修復和紋理修補工作。

該編輯系統的核心功能有三維模型同名點搜索、空三影像紋理自動提取、模型交互制作等，所有功能組織以空三后的影像數據為核心，充分利用糾正的傾斜影像和加密點，進行模型紋理提取和定向、建模。

4? 優化方法的建模實踐

利用上述基于無人機傾斜攝影測量成果的城市三維模型質量優化方法，我們在佛山進行了三維城市建模的實踐和驗證。

在佛山建筑保護項目中，利用無人機對該區3.46km2區域進行十字交叉航線法區域傾斜影像采集，通過傾斜攝影測量技術進行初始三維建模，并對區域內29地處重點保護建筑進行了三維精細化建模，利用無人機低空靈活飛行的特點克服傳統建模無法收集目標物頂部及上部紋理和形態數據的缺陷，同時高質量獲取側面紋理和數據來輔助精細建模，將傳統方法與無人機傾斜攝影測量技術相結合，利用傳統方法對重點保護建筑進行側面精細建模，利用無人機傾斜攝影測量技術對頂面進行建模，兩手段相結合，完成重點保護建筑的精細建模。對模型局部缺陷進行修補，將重點保護29處建筑模型在傾斜攝影初始三維模型中進行一一替換，并進行模型的一體化集成。

該項目結合無人機傾斜攝影測量技術和傳統建模技術的優點，利用無人機低空飛行采集目標物頂部高清序列影像，解決了傾斜攝影實景模型細節補充和精細建模的問題，豐富了建模數據采集的手段，滿足了項目對各類數據精度的需求。

5? 結語

在三維城市項目中，無人機傾斜攝影測量技術隨著建模范圍的增大，快速的傾斜影像采集和自動化空三及建模使得其在建模的效率上具有強大的優勢。本文提出的人工干預方法和空三成果的輔助應用建模優化方案已經在工程和應用項目中進行了驗證，對模型中有明顯缺陷和不足的局部進行模型修改和重建，大大提升了三維城市模型生產的質量和效率。

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